关于水下无线电能传输技术的研究

（文章来源：电气新科技）

为了解决AUV的水下充电难题，研究人员尝试将无线电能传输技术应用到水下，以提高充电系统的可靠性和安全性。2001年，Bradley和Feezor等率先研制出通过海底观测网向AUV充电的系统，该系统在水下2000m可向AUV提供200W电能，传输效率为79%。

由于无线电能传输系统的能量发射端与接收端无直接接触，在水下洋流冲击下，对接姿态易产生偏移和倾斜，且大多数AUV定位精度低，姿态控制困难，故充电过程中的线圈错位难以避免。传统的E形磁心结构虽然磁路封闭性强，效率高，但对磁心的横向位置敏感度较高，所以传统的E形磁心结构只适用于固定位置的负载。

允许相对旋转的锥形和罐形磁心是目前AUV普遍采用的结构，如图8所示，与E形磁心相比，其磁心结构与线圈布设不同，但其结构都是轴对称的，一次、二次侧均可相对旋转而不影响传输效果。2004年，日本东北大学和NEC公司将松耦合变压器进行优化设计，采用了特殊形状铁氧体磁芯和锥形线圈，优化后的水下无线充电系统可向AUV输送500W电能，传输效率可达90%。

罐形磁心可将线圈间隙的高频磁场限制在磁心柱体内，形成磁屏蔽效果，其抑制电磁干扰能力强，一次、二次线圈可以获得较高的耦合系数。锥形或罐形结构可安装在AUV腹部或者头部，当安装在航行器腹部时，要精确控制对接准确度，防止因对接作用力过大而折断；当安装在航行器头部时，对接过程较容易控制，但这将对航行器导航和声纳系统造成一定影响。

Manikandan等通过海水实验对比了带铁心的平面螺旋线圈、罐形线圈和锥形线圈在不同传输距离下的效率表现，指出不同的线圈结构有各自的适用距离。除了优化磁心结构外，自2004年以来，美国科研人员致力于将AUV的插拔式水下充电坞站（Dock）改造成无线充电方式，研制成功了多型AUV的水下无线充电坞站，并在商业和军事领域得到成功应用。

我国在水下无线充电领域研究起步较晚，但发展迅速，取得了一些可喜成果。浙江大学陈鹰教授团队致力于解决深海极端环境带来的AUV水下无线充电难题，在水下无线充电机理、耦合器分离式结构设计、深海极端环境因素干扰等方面开展了持续深入的研究，图9为电磁耦合器实验样机和封装结构。

西北工业大学张克涵教授等利用磁耦合谐振式原理，深入研究了海水中能量的传输机理以及电涡流损耗，得到计算电涡流损耗的近似公式，公式表明，海水间隙的涡流损耗与谐振频率的二次方成正比，与传输线圈半径的四次方成正比，与磁感应强度的二次方成正比；设计了环形铁氧体磁心结构，一次侧安装在基站，二次侧安装在AUV的腹部，如图10所示，成功实现了500W的电能传递，该种环形磁心结构需要对航行器腹部进行改动，通用性有待提高。

为克服由AVU姿态偏移引起的耦合系数变化及谐振频率偏移，文献[35]提出并试验了基于锁相环的频率控制方式，使系统保持在谐振频率点运行，提高了AUV的水下充电效率及稳定性。此外，天津工业大学、国防科技大学、重庆大学、海军工程大学、沈阳自动化研究所等单位都陆续开展了AUV水下无线充电研究，取得了一批具有自主知识产权的成果。