超声波与磁感应双耦合海下非接触电能传输

发布时间：2020-04-07 12:16

【摘要】：人类对海洋的探索日趋频繁,海下潜航器和海下传感器网络等被广泛地用于对海洋进行深入研究。给这类设备充电的传统方式需要采用湿插拔接口或是需要打捞上船,这一情况在一定程度上制约了这类海下设备的发展,而非接触电能传输技术的提出给海下设备的充电问题提出了新的解决方案。本文对超声波耦合以及磁感应耦合非接触电能传输系统分别进行理论分析,并搭建了上述两个系统的等效电路。其中,超声波传输距离相对较远,但传输效率相对较低。磁耦合传输距离相对较近,但传输效率相对较高。考虑到海下环境中,非接触电能传输系统发射侧与接收侧间的距离容易受到水流和海下生物的影响而忽远忽近,本文提出了两种将超声波和磁耦合的优势相结合的海下非接触充电解决方案。本文提出的方案一是压电-磁耦合式非接触电能传输系统。该系统选择符合本文要求的压电复合材料换能器作为超声耦合部分。对磁感应耦合部分与超声耦合部分的整合,本文提出了参数计算简单的直接整合方式和较小电路体积的有机整合方式。经实物测试,方案一需要高频电源提供与压电换能器谐振频率一致的工作频率,适用于对传输效率有较高要求的大功率传输场景,如海下潜航器等。该系统可以在长方形耦合线圈对角线长度的一半以内,即小于5cm的距离实现效率30%以上的能量传输,距离超过5cm后,其系统传输效率也可以达到20%至30%。本文提出的方案二是磁致伸缩式非接触电能传输系统。该系统采用的磁致伸缩换能器可以同时发出超声波和电磁场,实现超声波与磁感应双耦合。本文在此基础上设计了饼状耦合线圈,改善了磁耦合系统的耦合效果。经实物测试,方案二对发射侧高频电源工作频率变化不敏感,适用于对传输效率要求较低且发射侧电源结构简单的小功率传输场景,如海下传感器网络等。其可以在耦合线圈半径以内,即小于3cm的距离实现效率20%以上的能量传输,距离超过3cm后,其仍可以保持一定的传输效率。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM724;U674.941

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