海水環(huán)境下非接觸電能傳輸效率的優(yōu)化研究.pdf

1、長期以來，為水下儀器設(shè)備提供安全、高效的電能供給手段，一直是備受關(guān)注的重要問題。近年來，用于海洋科學(xué)研究、資源勘探的電子儀器和機(jī)電裝備被大量研制和廣泛投入使用。傳統(tǒng)上采用的電接觸式插拔接頭進(jìn)行水下電能傳輸存在磨損、電擊和漏電等安全隱患。非接觸電能傳輸(Contactless Power Transmission，CPT)技術(shù)的電能在間隙內(nèi)的傳輸過程中沒有直接的電氣接觸，為解決上述問題提供了一條有效的途徑。
　　CPT技術(shù)已陸續(xù)在陸

2、上各種場(chǎng)合得到良好應(yīng)用。其中，傳輸效率無疑仍是攸關(guān)CPT傳輸品質(zhì)的重要方面。海水作為一種具有特定電磁特性的介質(zhì)，直接影響到海水環(huán)境下CPT的傳輸性能。但國內(nèi)外尚缺乏針對(duì)海洋環(huán)境下CPT傳輸效率的系統(tǒng)、詳細(xì)研究。
　　本論文在課題組前期研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)圍繞海洋環(huán)境下的CPT傳輸效率的優(yōu)化問題，研究海洋環(huán)境下CPT技術(shù)的傳輸機(jī)理，對(duì)傳輸效率進(jìn)行深入理論分析;在海洋環(huán)境對(duì)CPT裝置集成密封、固定與操作帶來的客觀限制條件下，完善相關(guān)

3、的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。開發(fā)適用于海洋環(huán)境、滿足多種功能需求的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)及水下勘探機(jī)電裝備的高效、穩(wěn)定的電能傳輸插拔接口。進(jìn)一步考慮CPT在深海中的應(yīng)用中可能出現(xiàn)裝置因封裝結(jié)構(gòu)無法滿足有效傳輸距離的問題，對(duì)利用諧振中繼的非接觸傳輸(Contactless PowerTransmission with Resonance Relays，CPTR)，來增加有效傳輸距離、提升傳輸效率方面的內(nèi)容進(jìn)行了探索性的研究。
　　建立海水環(huán)境下的CPT傳

4、輸模型，并依此建立在不同諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)傳輸效率模型。在近距離傳輸范圍，討論品質(zhì)因數(shù)Q值、頻率和負(fù)載大小對(duì)不同諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)下傳輸效率的影響。建立CPT在海水中的渦流損耗模型，分析影響渦流損耗大小的因素。通過選擇合適的諧振頻率抑制渦流損耗，提高傳輸效率。綜合理論分析結(jié)果，在確定的電磁耦合器結(jié)構(gòu)下，提出一種通過選擇、設(shè)計(jì)合適的系統(tǒng)工作頻率和電磁耦合器參數(shù)的方法，來優(yōu)化海水環(huán)境下的CPT傳輸效率。
　　針對(duì)海水環(huán)境下不同的應(yīng)用需求，

5、根據(jù)理論分析結(jié)果，設(shè)計(jì)不同封裝結(jié)構(gòu)和電路功能的CPT系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)間隙距離5mm，功率300W(48V)，效率約85％的電能傳輸。研制的其中一套系統(tǒng)完成千島湖水下試驗(yàn)。
　　提出一種利用諧振中繼線圈提升在中距離范圍的CPTR傳輸效率的方法。基于耦合模理論和電路理論對(duì)含有諧振中繼的CPTR進(jìn)行建模與效率分析;并對(duì)諧振中繼個(gè)數(shù)和放置位置與傳輸效率的關(guān)系進(jìn)行討論。考慮海水介質(zhì)對(duì)線圈的參數(shù)影響，提出了中繼線圈的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)來表明