自主水下機器人非接觸電能傳輸系統研究

鄭文軒，謝 鷗，丁 楊，邢夢媛

（蘇州科技大學機械工程學院，江蘇 蘇州215009）

0 引言

自主水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是進行水下作業的重要設備，在水下救援、水質監測、海底資源勘探、軍事偵查等領域具有很好的應用前景[1]。作為水下移動設備，AUV通常采用自帶的鋰電池進行動力供電，因此在任務執行過程中必然涉及充電問題。傳統的AUV充電方式主要有兩種：AUV返回陸地充電和水下濕插拔充電。這兩種方式都存在插拔磨損，自動化程度低，此外由于充電接口長期與水接觸容易氧化生銹，從而導致充電過程產生漏電和短路。非接觸充電技術因其有效地解決了插拔式接觸充電的各種問題而受到了越來越多科研人員的關注，并被廣泛應用于家電、醫療、汽車等領域。對于水下設備的非接觸充電技術研究，目前還處于起步階段，Feezor等人研究開發的水下感應電能傳輸系統，可通過海底基站為水下機器人進行水下輸電，效率達到79%[2]；日本東北大學和NEC公司聯合開發了為AUV充電的非接觸式電能傳輸系統，可傳輸500 W的功率，效率在90%以上[3]；王司令等[4]人針對海流擾動及水下航行器定位精確度有限的問題，提出了一種適用于基站和水下航行器之間進行電能傳輸的電磁耦合器；張濤等[5]設計并實現了一種海底觀測網非接觸式水下接駁系統。本文針對自主水下機器人的水下充電要求，提出了一種基于松耦合變壓器的水下非接觸電能傳輸裝置，研究了松耦合變壓器間隙介質和間隙距離對傳輸性能的影響特性。

1 水下非接觸電能傳輸系統等效電路模型

依據電磁感應原理，本文采用如圖1所示的松耦合變壓器作為非接觸電能傳輸裝置。松耦合變壓器的初級線圈和次級線圈之間存在間隙，不同間隙介質的電參數不同，如表1所示為空氣、純凈水和海水的電參數。

圖1 非接觸電能傳輸裝置結構圖

表1 不同間隙介質的電參數

依據松耦合變壓器互感模型，考慮水介質的電磁特性，建立如圖2所示的水下非接觸電能傳輸裝置的等效電路模型。LI，L0分別為初級線圈和次級線圈；Ze為水介質在初級和次級的等效阻抗；Rd為充電負載；M為互感。

圖2 水下非接觸電能傳輸等效電路模型

對松耦合變壓器電路模型進行T型等效，可建立如圖 3（a）所示的等效電路模型。其中 L1σ，L′2σ分別為初級漏感和次級漏感，R1，R′2分別為初級線圈內阻和次級線圈內阻。進一步，對非接觸電能傳輸電路模型進行串/并聯等效簡化，可化簡為如圖3（b）所示的電路模型，其中Rk為電路中的總電阻，Xk為電路的總電抗。

圖3 水下非接觸電能傳輸系統等效電路模型

依據電路等效原理，可計算得到電路中的總電阻和總電抗為：

為了使負載獲得最大有效功率，等效電路的應處于諧振狀態，即總電抗為零。根據總電抗公式（2），可得：

進一步可求的諧振狀態的系統諧振角頻率為：

設電路中的電流為Is，定義輸入功率和輸出功率為：

則在諧振狀態下，系統傳輸效率為：

由式（7）可以看出，非接觸電能傳輸系統的傳輸效率與間隙介質和松耦合變壓器線圈的參數有關，降低間隙介質等效電阻和線圈內阻能提高傳輸效率。

2 實驗測試

2.1 實驗系統設計

為了驗證間隙介質對非接觸電能傳輸系統傳輸效率的影響的特性，搭建如圖4所示的實驗測試系統，輸入信號由信號發生器產生，進行功率放大后經松耦合變壓器傳輸至負載。采用高頻電壓電流表采集初級和次級線圈的電壓和電流信號，計算可獲得傳輸效率。松耦合變壓器采用型號為GU42×26A的罐型磁芯，線圈繞組的設計參數如表2所示。考慮到實際的工作狀況，分別采用空間、純凈水和3.5%的鹽水進行實驗測試。

圖4 實驗測試系統

表2 松耦合變壓器線圈參數

2.2 實驗結果分析

如圖5所示為不同間隙介質下松耦合變壓器間隙距離與傳輸效率的關系曲線，由圖可知，隨著間隙距離增大，三種間隙介質下松耦合變壓器的傳輸效率都呈下降趨勢變化，且間隙距離在0~2 mm范圍內效率下降速度快，之后呈緩慢趨勢下降。此外，間隙距離小于2 mm時，空氣介質的傳輸效率最高，其次是3.5%的鹽水，純凈水的傳輸效率最低；而當間隙距離大于2 mm時，空氣和3.5%的鹽水的傳輸效率基本相同，均大于純凈水的傳輸效率。

圖5 不同間隙介質下間隙距離與傳輸效率的關系曲線

3 結束語

將非接觸電能傳輸系統應用于AUV的充電過程，從理論上分析了水下非接觸電能傳輸系統傳輸效率的影響因素，實驗測試了不同間隙介質和間隙距離對傳輸效率的影響規律，結果表明：間隙距離增大，傳輸效率下降；被測試的三種間隙介質中空氣的傳輸效率最高，純凈水的傳輸效率最低。