自主水下机器人非接触电能传输系统研究

郑文轩，谢 鸥，丁 杨，邢梦媛

（苏州科技大学机械工程学院，江苏 苏州215009）

0 引言

自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是进行水下作业的重要设备，在水下救援、水质监测、海底资源勘探、军事侦查等领域具有很好的应用前景[1]。作为水下移动设备，AUV通常采用自带的锂电池进行动力供电，因此在任务执行过程中必然涉及充电问题。传统的AUV充电方式主要有两种：AUV返回陆地充电和水下湿插拔充电。这两种方式都存在插拔磨损，自动化程度低，此外由于充电接口长期与水接触容易氧化生锈，从而导致充电过程产生漏电和短路。非接触充电技术因其有效地解决了插拔式接触充电的各种问题而受到了越来越多科研人员的关注，并被广泛应用于家电、医疗、汽车等领域。对于水下设备的非接触充电技术研究，目前还处于起步阶段，Feezor等人研究开发的水下感应电能传输系统，可通过海底基站为水下机器人进行水下输电，效率达到79%[2]；日本东北大学和NEC公司联合开发了为AUV充电的非接触式电能传输系统，可传输500 W的功率，效率在90%以上[3]；王司令等[4]人针对海流扰动及水下航行器定位精确度有限的问题，提出了一种适用于基站和水下航行器之间进行电能传输的电磁耦合器；张涛等[5]设计并实现了一种海底观测网非接触式水下接驳系统。本文针对自主水下机器人的水下充电要求，提出了一种基于松耦合变压器的水下非接触电能传输装置，研究了松耦合变压器间隙介质和间隙距离对传输性能的影响特性。

1 水下非接触电能传输系统等效电路模型

依据电磁感应原理，本文采用如图1所示的松耦合变压器作为非接触电能传输装置。松耦合变压器的初级线圈和次级线圈之间存在间隙，不同间隙介质的电参数不同，如表1所示为空气、纯净水和海水的电参数。

图1 非接触电能传输装置结构图

表1 不同间隙介质的电参数

依据松耦合变压器互感模型，考虑水介质的电磁特性，建立如图2所示的水下非接触电能传输装置的等效电路模型。LI，L0分别为初级线圈和次级线圈；Ze为水介质在初级和次级的等效阻抗；Rd为充电负载；M为互感。

图2 水下非接触电能传输等效电路模型

对松耦合变压器电路模型进行T型等效，可建立如图 3（a）所示的等效电路模型。其中 L1σ，L′2σ分别为初级漏感和次级漏感，R1，R′2分别为初级线圈内阻和次级线圈内阻。进一步，对非接触电能传输电路模型进行串/并联等效简化，可化简为如图3（b）所示的电路模型，其中Rk为电路中的总电阻，Xk为电路的总电抗。

图3 水下非接触电能传输系统等效电路模型

依据电路等效原理，可计算得到电路中的总电阻和总电抗为：

为了使负载获得最大有效功率，等效电路的应处于谐振状态，即总电抗为零。根据总电抗公式（2），可得：

进一步可求的谐振状态的系统谐振角频率为：

设电路中的电流为Is，定义输入功率和输出功率为：

则在谐振状态下，系统传输效率为：

由式（7）可以看出，非接触电能传输系统的传输效率与间隙介质和松耦合变压器线圈的参数有关，降低间隙介质等效电阻和线圈内阻能提高传输效率。

2 实验测试

2.1 实验系统设计

为了验证间隙介质对非接触电能传输系统传输效率的影响的特性，搭建如图4所示的实验测试系统，输入信号由信号发生器产生，进行功率放大后经松耦合变压器传输至负载。采用高频电压电流表采集初级和次级线圈的电压和电流信号，计算可获得传输效率。松耦合变压器采用型号为GU42×26A的罐型磁芯，线圈绕组的设计参数如表2所示。考虑到实际的工作状况，分别采用空间、纯净水和3.5%的盐水进行实验测试。

图4 实验测试系统

表2 松耦合变压器线圈参数

2.2 实验结果分析

如图5所示为不同间隙介质下松耦合变压器间隙距离与传输效率的关系曲线，由图可知，随着间隙距离增大，三种间隙介质下松耦合变压器的传输效率都呈下降趋势变化，且间隙距离在0~2 mm范围内效率下降速度快，之后呈缓慢趋势下降。此外，间隙距离小于2 mm时，空气介质的传输效率最高，其次是3.5%的盐水，纯净水的传输效率最低；而当间隙距离大于2 mm时，空气和3.5%的盐水的传输效率基本相同，均大于纯净水的传输效率。

图5 不同间隙介质下间隙距离与传输效率的关系曲线

3 结束语

将非接触电能传输系统应用于AUV的充电过程，从理论上分析了水下非接触电能传输系统传输效率的影响因素，实验测试了不同间隙介质和间隙距离对传输效率的影响规律，结果表明：间隙距离增大，传输效率下降；被测试的三种间隙介质中空气的传输效率最高，纯净水的传输效率最低。