本發(fā)明涉及非接觸式充電領(lǐng)域，具體涉及一種用于水下無人航行器的非接觸式能量傳輸?shù)拇艌鲴詈辖Y(jié)構(gòu)及水下航行器授電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自主式水下航行器auv(autonomousunderwatervehicle)作為一種探索海底世界的重要工具，在民用以及軍用領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。但由于受到自身體積與電池容量限制，auv不能夠長時間在水下工作，現(xiàn)有的能量傳輸較多采用濕插拔接頭，而且必須打撈回收后進行充電，探測范圍受到限制；同時必須有保障船輔助，所以無法實現(xiàn)無人職守，降低了auv的工作效率和隱蔽性。

非接觸電能傳輸技術(shù)能夠讓auv電路系統(tǒng)與外界環(huán)境有良好的隔離效果，免受環(huán)境因素的影響，避免了短路等隱患，可靠性高，是目前水下auv自主、快速、高效地完成電能傳輸?shù)睦硐脒x擇。

現(xiàn)有的非接觸式能量傳輸技術(shù)，根據(jù)傳輸原理，主要分為三類：基于感應(yīng)耦合方式的近距離非接觸式能量傳輸、基于磁耦合諧振方式的中等距離非接觸式能量傳輸和基于微波方式的長距離非接觸式能量傳輸。感應(yīng)耦合技術(shù)是一種貼近型的非接觸式能量傳輸方式，傳輸距離一般只有幾十毫米，需要對準磁場耦合裝置即松耦合器的初級、次級。磁耦合諧振技術(shù)利用兩個相同諧振頻率的線圈，相距一定的距離時產(chǎn)生諧振傳遞能量。激光微波對傳輸介質(zhì)中的生物體會產(chǎn)生影響，對環(huán)境有一定危害，且近距離傳輸時效率低，所以不適合auv的電能傳輸。

現(xiàn)有的非接觸式能量傳輸?shù)拇艌鲴詈涎b置設(shè)計，大部分應(yīng)用于電動汽車的充電，和電動牙刷、保溫杯等小功率電器的充電系統(tǒng)。其磁場耦合裝置的設(shè)計大部分是平面貼合型的。而由于auv的圓筒外形的特點以及其所處的海水環(huán)境的特殊性，使現(xiàn)有的非接觸式能量傳輸?shù)拇艌鲴詈涎b置用于auv時傳輸?shù)男时容^低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)及水下航行器授電系統(tǒng)。

第一方面，提供一種非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)，包括至少一個耦合單元，所述耦合單元包括相對設(shè)置的初級單元和次級單元，所述初級單元包括初級鐵芯和繞制在所述初級鐵芯上的初級線圈，所述次級單元包括次級鐵芯和繞制在所述次級鐵芯上的次級線圈，所述初級鐵芯和次級鐵芯為弧形。

優(yōu)選地，包括多個所述耦合單元，多個所述耦合單元為偶數(shù)個，并且，偶數(shù)個所述耦合單元對稱設(shè)置。

優(yōu)選地，所述初級鐵芯包括初級鐵芯連接部、初級鐵芯中心柱和初級鐵芯邊柱，所述初級鐵芯中心柱的第一端和所述初級鐵芯邊柱的第一端均連接到所述初級鐵芯連接部的第一面上，所述初級鐵芯中心柱的第二端和初級鐵芯邊柱的第二端為自由端，所述初級線圈繞制在所述初級鐵芯中心柱上。

優(yōu)選地，所述初級鐵芯中心柱設(shè)有一個，所述初級鐵芯邊柱設(shè)置有兩個，所述初級鐵芯中心柱與兩個所述初級鐵芯邊柱間隔一定距離的設(shè)置在兩個所述初級鐵芯邊柱之間。

優(yōu)選地，所述初級鐵芯連接部上與第一面相對的第二面為曲面，且，所述初級鐵芯中心柱的第二端的端面和所述初級鐵芯邊柱的第二端的端面位于同一個與所述初級鐵芯連接部的第二面曲率相同的曲面上。

優(yōu)選地，所述初級鐵芯連接部的第二面為向遠離所述第一面的方向外凸形成的曲面，兩個所述初級鐵芯中心柱的第二端的端面和所述初級鐵芯邊柱第二端的端面所在的曲面為向靠近所述初級鐵芯連接部的方向內(nèi)凹形成的曲面。

優(yōu)選地，所述次級鐵芯包括次級鐵芯連接部、次級鐵芯中心柱和次級鐵芯邊柱，所述次級鐵芯中心柱的第一端和所述次級鐵芯邊柱的第一端均連接到所述次級鐵芯連接部的第一面上，所述次級鐵芯中心柱的第二端和次級鐵芯邊柱的第二端為自由端，所述次級線圈繞制在所述次級鐵芯中心柱上。

優(yōu)選地，所述次級鐵芯中心柱設(shè)有一個，所述次級鐵芯邊柱設(shè)置有兩個，所述次級鐵芯中心柱與兩個所述次級鐵芯邊柱間隔一定距離的設(shè)置在兩個所述次級鐵芯邊柱之間。

優(yōu)選地，所述次級鐵芯連接部上與第一面相對的第二面為曲面，且，所述次級鐵芯中心柱的第二端的端面和所述次級鐵芯邊柱的第二端的端面位于同一個與所述次級鐵芯連接部的第二面曲率相同的曲面上。

優(yōu)選地，所述次級鐵芯連接部的第二面為向靠近所述第一面的方向內(nèi)凹形成的曲面，兩個所述次級鐵芯中心柱的第二端的端面和所述次級鐵芯邊柱第二端的端面所在的曲面為向遠離所述次級鐵芯連接部的方向外凸形成的曲面。

第二方面，提供一種水下航行器授電系統(tǒng)，設(shè)置有上述非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)，所述非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)包括偶數(shù)個對稱設(shè)置的耦合單元，所述耦合單元的初級單元能夠與所述水下航行器的側(cè)壁外表面貼合，所述耦合單元的次級單元與所述水下航行器的側(cè)壁內(nèi)表面貼合。

本發(fā)明提供的非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)，由于其加入鐵芯，而且ε型鐵芯為圓弧形，可以最大程度減小氣隙。同時對稱使用的耦合單元因相互吸引的電磁力可以保證初級單元與次級單元對準，這些都將提高耦合系數(shù)，從而提高非接觸式電能傳輸效率。

附圖說明

通過以下參照附圖對本發(fā)明實施例的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1示出單個磁場耦合單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出四個磁場耦合單元與水下無人航行器的裝配示意圖；

圖3示出四個磁場耦合單元未對準時磁力線的分布圖；

圖4示出四個磁場耦合單元對準時磁力線的分布圖。

具體實施方式

以下基于實施例對本發(fā)明進行描述，但是本發(fā)明并不僅僅限于這些實施例。在下文對本發(fā)明的細節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。為了避免混淆本發(fā)明的實質(zhì)，公知的方法、過程、流程、元件并沒有詳細敘述。

此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。

除非上下文明確要求，否則整個說明書和權(quán)利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語應(yīng)當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限于”的含義。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

本發(fā)明提供的非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)包括多個磁場耦合單元，優(yōu)選包括偶數(shù)個，偶數(shù)個所述磁場耦合單元對稱設(shè)置。本發(fā)明提供的非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)主要用于水下無人航行器等圓柱形結(jié)構(gòu)的設(shè)備。

如圖1所示，所述耦合單元1包括初級單元100和次級單元200，所述初級單元100與次級單元200對應(yīng)設(shè)置。

具體地，所述初級單元100包括初級鐵芯110和初級線圈120，所述初級線圈120設(shè)置在所述初級鐵芯110上。所述初級鐵芯110包括初級鐵芯連接部111、初級鐵芯中心柱112和初級鐵芯邊柱113，所述初級鐵芯中心柱112設(shè)置有一個，所述初級鐵芯邊柱113設(shè)置有兩個，一個所述初級鐵芯中心柱112的第一端和兩個所述初級鐵芯邊柱113的第一端均連接到所述初級鐵芯連接部111的第一面上，所述初級鐵芯中心柱112的第二端和初級鐵芯邊柱113的第二端為自由端，且所述初級鐵芯中心柱112與兩個所述初級鐵芯邊柱113均間隔一定距離的設(shè)置在兩個所述初級鐵芯邊柱113之間。優(yōu)選地，所述初級鐵芯連接部111、初級鐵芯中心柱112和初級鐵芯邊柱113一體形成。

所述初級鐵芯110優(yōu)選為ε型鐵芯，即所述初級鐵芯110整體為弧形。具體地，所述初級鐵芯連接部111上與連接有所述初級鐵芯中心柱112及初級鐵芯邊柱113的第一面相對的第二面為曲面，且，所述初級鐵芯中心柱112的第二端的端面和初級鐵芯邊柱113的第二端的端面均為弧形面，且兩個所述初級鐵芯中心柱112的第二端的端面和初級鐵芯邊柱113第二端的端面位于同一個與所述初級鐵芯連接部111的第二面曲率相同的曲面上。更進一步地，所述初級鐵芯連接部111的第二面為向遠離第一面的方向外凸形成的曲面，兩個所述初級鐵芯中心柱112的第二端的端面和初級鐵芯邊柱113第二端的端面所在的曲面為向靠近所述初級鐵芯連接部111的方向內(nèi)凹形成的曲面。所述初級線圈120繞制在所述初級鐵芯中心柱112上。

所述次級單元200包括次級鐵芯210和次級線圈220，所述次級線圈220設(shè)置在所述次級鐵芯210上。所述次級鐵芯210包括次級鐵芯連接部211、次級鐵芯中心柱212和次級鐵芯邊柱213，所述次級鐵芯中心柱212設(shè)置有一個，所述次級鐵芯邊柱213設(shè)置有兩個，一個所述次級鐵芯中心柱212的第一端和兩個所述次級鐵芯邊柱213的第二端均連接到所述次級鐵芯連接部211的第一面上，所述次級鐵芯中心柱212的第二端和次級鐵芯邊柱213的第二端為自由端，且所述次級鐵芯中心柱212與兩個所述次級鐵芯邊柱213均間隔一定距離的設(shè)置在兩個所述次級鐵芯邊柱213之間。優(yōu)選地，所述次級鐵芯連接部211、次級鐵芯中心柱212和次級鐵芯邊柱213一體形成。

所述次級鐵芯210優(yōu)選為與所述初級鐵芯110形狀對應(yīng)的ε型鐵芯，即所述次級鐵芯210整體為與所述初級鐵芯110形狀對應(yīng)的弧形。具體地，所述次級鐵芯連接部211上與連接有所述次級鐵芯中心柱212及次級鐵芯邊柱213的第一面相對的第二面為曲面，且，所述次級鐵芯中心柱212的第二端的端面和次級鐵芯邊柱213的第二端的端面均為弧形面，且兩個所述次級鐵芯中心柱212的第二端的端面和次級鐵芯邊柱213第二端的端面位于同一個與所述次級鐵芯連接部211的第二面曲率相同的曲面上。更進一步地，所述次級鐵芯連接部211的第二面為向靠近第一面的方向內(nèi)凹形成的曲面，兩個所述次級鐵芯中心柱212的第二端的端面和次級鐵芯邊柱213第二端的端面所在的曲面為向遠離所述次級鐵芯連接部211的方向外凸形成的曲面。所述次級線圈220繞制在所述次級鐵芯中心柱212上。

進一步地，所述初級鐵芯110的弧形曲率與所述次級鐵芯210的弧形曲率相同，且在使用時，所述初級鐵芯110上的初級鐵芯中心柱112的第二端和初級鐵芯邊柱113的第二端與所述次級鐵芯210上的次級鐵芯中心柱212的第二端和次級鐵芯邊柱213的第二端相靠近設(shè)置，并在所述初級鐵芯110與次級鐵芯210之間形成氣隙。

更進一步地，在使用時，所述初級單元100位于設(shè)備殼體的外側(cè)，所述次級單元200位于設(shè)備殼體的內(nèi)側(cè)，且，所述初級鐵芯110上的初級鐵芯中心柱112的第二端和初級鐵芯邊柱113的第二端與殼體的外壁接觸，所述次級鐵芯210上的次級鐵芯中心柱212的第二端和次級鐵芯邊柱213的第二端與殼體的內(nèi)壁接觸。為了保證所述初級單元100和次級單元200均能與殼體緊密貼合，所述初級鐵芯110和次級鐵芯210的曲率均與殼體的曲率相同，進而使殼體的厚度即為所述初級鐵芯110與次級鐵芯210之間的氣隙，保證了氣隙的均勻并使氣隙最小，有利于提高耦合系數(shù)。

下面結(jié)合具體應(yīng)用介紹本發(fā)明中的非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)：

如圖2所示，在水下無人航行器2中應(yīng)用本發(fā)明提供的非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)，運用于水下無人航行器2的非接觸式能量傳輸。所述水下無人航行器2上相對應(yīng)的設(shè)置有四個所述耦合單元1。所述耦合單元1的初級單元100和次級單元200分別位于所述水下無人航行器2的殼體外和殼體內(nèi)。所述初級鐵芯110和次級鐵芯210的曲率均與殼體的曲率相同，所述初級鐵芯110和次級鐵芯210緊密貼合在殼體上。進一步地，由于對稱的設(shè)置有四個所述耦合單元1，磁極對稱可加強相互吸引的電磁力，利于所述初級單元100和次級單元200位置的對準。

如圖3所示，為所述初級單元100和次級單元200未對準時磁力線分布圖?？梢姡帕€通過鐵芯穿過所述初級線圈120和次級線圈220，但由于位置未對準磁力線發(fā)生了變形。此時由磁場分析軟件求解此時的電磁力，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)很大的水平電磁力，力的方向是將鐵芯向?qū)实奈恢靡苿印?/p>

具體分析如下：

在有限元仿真中，對于單個ε型鐵芯磁場耦合裝置偏心時的電磁力進行具體的對比分析。在單個ε型鐵芯磁場耦合裝置的電壓激勵、氣隙等變量均相同的情況下，控制次級鐵芯及次級線圈的逆時針偏心角度這一變量，設(shè)置逆時針偏心由0°到5°，步長為1°，觀察電磁力的變化。f(x)為x坐標軸方向電磁分力，f(y)為y坐標軸方向電磁分力，f為總電磁力。隨著鐵芯位置的逆時針偏心程度越來越大，耦合能力變?nèi)?，表現(xiàn)為總體電磁力f逐漸變小。但是其x軸方向的電磁分力f(x)由0開始增大，想要將次級鐵芯裝置向無偏心的位置移動。由此可見，所述初級鐵芯110和次級鐵芯210之間的電磁力是相互吸引的，有利于所述初級鐵芯110和次級鐵芯210位置的對準，從而達到更好耦合效果。

如圖4所示，為所述初級單元100和次級單元200對準時磁力線分布圖?？梢?，由于鐵氧體ε型鐵芯的存在，引導(dǎo)磁力線通過初級和次級線圈。在這種情況下，鐵氧體鐵芯限制了磁通量的損失，將會對耦合系數(shù)帶來很大的提高。

本發(fā)明提供的非接觸式能量傳輸結(jié)構(gòu)，由于其加入鐵芯，而且ε型鐵芯為圓弧形，可以最大程度減小氣隙。同時對稱使用的耦合單元因相互吸引的電磁力可以保證初級單元與次級單元對準，這些都將提高耦合系數(shù)，從而提高非接觸式電能傳輸效率。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的是，在不沖突的前提下，上述各優(yōu)選方案可以自由地組合、疊加。

應(yīng)當理解，上述的實施方式僅是示例性的，而非限制性的，在不偏離本發(fā)明的基本原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以針對上述細節(jié)做出的各種明顯的或等同的修改或替換，都將包含于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。