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水下无线电能传输磁耦合机构电磁场仿真及实验验证

摘要

我国海洋面积广阔，开发潜力巨大，而水下潜航器在海洋资源开发中有重要的应用。

水下潜航器的动力来源主要是蓄电池供电，因此续航能力和工作范围受限成为限制水下

航行器工作能力的主要问题。而无线电能传输技术在发射端和接收端之间进行能量传输

的同时实现完全密封，将其应用于水下潜航器充电，可以显著提高水下潜航器的作业时

间和隐蔽性，是未来水下潜航器充能的重要发展方向。磁耦合机构是实现无线电能传输

发射端与接收端之间能量传输的关键部件，磁耦合机构的设计优化对水下无线电能传输

技术的研究有着重要意义。

该研究采用有限元仿真方式对磁耦合机构材料及结构参数对磁耦合机构电磁性能

参数的影响进行分析，包括磁耦合机构导线材料与软磁材料分析对比，得到在0-100kHz

范围下，采用Litz导线能够减小磁耦合机构的等效内阻，降低系统损耗；并得出在锰锌

铁氧体和纳米晶材料的磁导率超过一定值后，两种材料的替换对磁耦合机构的自感与互

感等参数影响较小。然后在得到对应规律的基础上对磁耦合机构进行优化设计，设计的

磁耦合机构具备轻质量、小体积的结构特点，具备磁场收敛性好、抗轴向旋转能力好、

工作效率高的优点。

在完成对磁耦合机构的优化设计后，制作磁耦合机构实物对仿真结果进行验证，针

对磁耦合机构的实际参数设计相应的补偿电路及功率变换电路并进行系统仿真得到系

统的设计参数。设计的无线电能传输系统采用S-S拓扑补偿网络，发射端功率变换采用

全桥逆变电路、接收端功率变换采用全波整流电路。采用射频通信和调频调功方式实现

无线电能传输系统的闭环控制。设计的无线电能传输系统电路的能够实现稳定的额定功

率传输，满足对磁耦合机构的性能验证的需求。

最后，对设计的无线电能传输系统进行防水密封设计，并将系统样机与水下充油电

池、负载等装置进行组装，完成水下无线充电实验平台的搭建。利用实验平台对磁耦合

机构进行空气、水池、海洋三种不同环境下的工作性能实验验证。近海环境中无线电能

传输系统样机能够达到的最大充电功率为1008W，最大效率为92.8%。

关键词：磁耦合装置、海洋环境、无线电能传输、软磁材料

水下无线电能传输磁耦合机构电磁场仿真及实验验证

Abstract

Withitsextensiveoceanareaandimmensedevelopmentpotential,Chinahasasignificant

interestinmarineresourceexploitation.Unmannedunderwatervehiclesrelyonrechargeable

batteriesastheirprimarypowersource,whichinevitablyleadstolimitationsintermsofboth

enduranceandrange.Wirelesspowertransfer(WPT)technologyhasemergedasaviable

solutionforrechargingunderwatergliders.Byfacilitatingthetransferofenergybetweenthe

transmitterandreceiverwithoutphysicalcontact,WPTtechnologyoffersthepotentialfor

improvedenduranceandenhancedstealthcapabilities.Themagneticcouplerasthekey

componentthatenablespowertransmission,anditsoptimizationcanimprovetheperformance

of