黃 超,李醒飛*,謝子銘,楊少波,李洪宇

(1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué)青島海洋技術(shù)研究院，山東 青島 266237；3.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

引 言

如今，錨定式海洋浮標(biāo)系統(tǒng)已成為海洋立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的一個(gè)重要組成部分，它對(duì)于海上氣象預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面都起著至關(guān)重要的影響[1]。在研究錨定式浮標(biāo)過(guò)程中，出現(xiàn)了一些需要我們?nèi)タ朔膯?wèn)題。例如，在復(fù)雜海洋環(huán)境中的電能傳輸問(wèn)題。眾所周知，傳統(tǒng)的電能傳輸系統(tǒng)一般都采用接觸式電能傳輸[2]，但是在錨定式海洋浮標(biāo)系統(tǒng)中，由于其特殊的工作環(huán)境，如果在水下長(zhǎng)時(shí)間采用接觸式電能傳輸，其密封結(jié)構(gòu)接頭處和一些其它導(dǎo)線容易產(chǎn)生斷裂等情況，系統(tǒng)很容易因此而失效。另外在傳統(tǒng)的電能傳輸系統(tǒng)中還常常用到自容式供電方式[3]，這種方法雖然克服了接觸式電能傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，但是它自身的缺點(diǎn)也非常明顯：沒(méi)有電能的補(bǔ)給來(lái)源，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間的、周期性的在海里工作。與傳統(tǒng)的方法相比，非接觸式電能傳輸技術(shù)(CLPT)大大克服了傳統(tǒng)電能傳輸方法的缺陷，研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用非接觸式電能傳輸技術(shù)，再加上合理的設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)，能很好的運(yùn)用在浮標(biāo)系統(tǒng)中去應(yīng)對(duì)復(fù)雜的海洋環(huán)境，并且電能傳輸效率也能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1 浮標(biāo)系統(tǒng)非接觸電能傳輸工作原理介紹

整個(gè)錨定式浮標(biāo)系統(tǒng)分為三部分：水上部分、傳輸部分和水下部分。首先通過(guò)太陽(yáng)能電池板給水上終端裝置內(nèi)的蓄電池充電，然后如圖2所示，再通過(guò)高頻全橋逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化成交流電傳輸至電磁耦合器初級(jí)，利用感應(yīng)耦合原理，把轉(zhuǎn)化成的交流電通過(guò)電磁耦合器產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行耦合，將電能傳輸至電磁耦合器次級(jí)，然后電磁耦合器次級(jí)傳出的交流電通過(guò)鋼纜傳輸至與傳感器連接的電磁耦合器，再進(jìn)行一次耦合傳輸，最后經(jīng)過(guò)整流與濾波電路，最終實(shí)現(xiàn)給海里的傳感器供電(傳感器最深位置可以位于海面下4000 m處)。

圖1 錨定式浮標(biāo)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 系統(tǒng)基本的工作原理圖

電磁耦合器是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)非接觸電能傳輸?shù)年P(guān)鍵器件，它的一些參數(shù)的變化對(duì)其電能傳輸效率的影響很大，經(jīng)過(guò)分析得知，影響電磁耦合器電能傳輸效率的主要因素有[4]：磁芯的材料和幾何結(jié)構(gòu)、電磁耦合器間隙、偏移量、繞組方式等，下面就這些重要因素進(jìn)行詳細(xì)的研究。

2 磁芯材料和幾何結(jié)構(gòu)的選擇

磁芯是電磁耦合器很重要的一部分，選擇合適的材料能有效提高其傳輸效率，常見(jiàn)的磁芯材料一般分為硬磁材料和軟磁材料[5]，電磁耦合器作為用于非接觸電能傳輸?shù)钠骷哂休^高的磁導(dǎo)率、磁感應(yīng)強(qiáng)度，較低的鐵損、矯頑力等，所以選擇軟磁材料。軟磁性材料是指具有小的剩磁和矯頑力的材料，它的功能主要是導(dǎo)磁、電磁能量的轉(zhuǎn)換與傳輸[6]。它的材料主要有：合金薄帶或薄片、非晶鈦合金薄帶、鐵粉芯、鐵氧體等[7]。再結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本，本文接下來(lái)對(duì)于仿真或?qū)嶒?yàn)所用的軟磁材料均為鐵氧體，鐵氧體本身還具有高頻損耗小、繞組耦合特性好、不易生銹等優(yōu)點(diǎn)[8]。

對(duì)于用鐵氧體作為材料的磁芯來(lái)說(shuō)，其磁芯形狀相較于其它軟磁材料來(lái)說(shuō)較多，有C型、E型、U型、圓環(huán)型、罐型、矩型等等[9]。因?yàn)橐话汶姶篷詈掀髦g存在較大的間隙，所以有一部分的漏感存在，為了保證傳輸效率，則需要磁芯繞組本身有一定的電感值，因此，采用磁芯繞組電感值作為選擇此磁芯幾何形狀的標(biāo)準(zhǔn)最為合適。關(guān)于磁芯繞組電感值，需引入電感系數(shù)這一參數(shù)，電感系數(shù)表示磁芯具有一匝線圈時(shí)的電感量，電感量的公式為：

L=N2AL

(1)

式中，N為線圈的匝數(shù)；AL為磁芯的電感系數(shù)。

在電磁耦合器中，計(jì)算電感系數(shù)的表達(dá)式為：

(2)

式中，μ?為磁芯的有效磁導(dǎo)率；A?為磁芯的橫截面積；l?為磁芯的有效磁路長(zhǎng)度。

從式(1)可以看出，如果匝數(shù)不變，要想提高電感量，就要提高磁芯的電感系數(shù)。又由式(2)可以看出，想要提高磁芯的電感系數(shù)，有效的途徑是：(1)提高磁芯的有效磁導(dǎo)率；(2)增大磁芯的橫截面積；(3)減小磁芯的有效磁路長(zhǎng)度。

其中磁芯的橫截面積和磁芯的有效磁路長(zhǎng)度是跟松耦合變壓器的幾何結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的，我們知道，在所有形狀中，周長(zhǎng)相同的情況下，圓形的面積最大，所以想要增大磁芯的橫截面積，圓形最為合適。這樣在一定磁路的情況下，截面為圓形可獲得最大的電感系數(shù)。再結(jié)合磁芯安裝在電磁耦合器密封裝置中的難易程度，選擇罐狀磁芯最為合適。

3 間隙、偏移量對(duì)于電磁耦合器參數(shù)的影響

在系統(tǒng)中兩個(gè)電磁耦合器選用的材料、幾何結(jié)構(gòu)默認(rèn)都是相同的，所以在用Ansys Maxwell軟件在靜磁場(chǎng)中做電磁耦合器間隙量和偏移量仿真時(shí)，只做一個(gè)電磁耦合器的仿真，另一個(gè)電磁耦合器同理。

在研究間隙、偏移量等參數(shù)對(duì)電磁耦合器電能傳輸效率的影響時(shí)，首先需要引入耦合系數(shù)這一概念，當(dāng)松耦合變壓器間存在間隙，間隙大小的不同，就會(huì)產(chǎn)生不同量的漏磁，從而影響變壓器的耦合系數(shù)，一般情況下，耦合系數(shù)的大小和電磁耦合器電能傳輸效率的大小有著直接的關(guān)系，它通常是指電磁耦合器間實(shí)際的互感與其最大極限值之比，可以表示為[10]：

(3)

式中，M為電磁耦合器線圈之間的互感；LP為初級(jí)線圈的自感；LS為次級(jí)線圈的自感。

在Ansys Maxwell中建立3D GU60罐狀電磁耦合器模型進(jìn)行仿真分析，設(shè)置鐵氧體材料磁導(dǎo)率為10 000，進(jìn)入繞組線圈的電流為5 A，初次級(jí)繞組線圈匝數(shù)都為20匝。仿真了3 mm、5 mm、8 mm、10 mm時(shí)GU60罐狀電磁耦合器的耦合系數(shù)，如圖3所示，隨著間隙不斷增加，電磁耦合器的耦合系數(shù)在快速的下降。

圖3 間隙與耦合系數(shù)的關(guān)系圖

當(dāng)電磁耦合器用在錨定式浮標(biāo)系統(tǒng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸時(shí)，不僅僅存在間隙，還可能因?yàn)榘惭b不當(dāng)或者在海里工作時(shí)由于海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的晃動(dòng)使得電磁耦合器初次級(jí)發(fā)生向四周的相對(duì)偏移，偏移的發(fā)生對(duì)耦合系數(shù)也有很大的影響，如圖4所示，同種型號(hào)的電磁耦合器，同為5 mm的間隙。圖4(b)相對(duì)于圖4(a)向側(cè)邊發(fā)生了2 mm的偏移，仿真結(jié)果表明發(fā)生偏移后的體磁場(chǎng)強(qiáng)度變小了。

(a)無(wú)偏移量

如圖5所示，仿真了在5 mm間隙時(shí)，不同偏移量對(duì)耦合系數(shù)影響的4組數(shù)據(jù)，結(jié)論是隨著偏移量的不斷增加，耦合系數(shù)也在快速下降。結(jié)合圖3和圖5不難看出，GU60磁芯在5 mm間隙時(shí)的耦合系數(shù)大概在0.57左右，但是一旦發(fā)生偏移，耦合系數(shù)將進(jìn)一步減少，當(dāng)相對(duì)于電磁耦合器中心線向周?chē)?.0 cm時(shí)，耦合效率只有0.34了，而在錨定式系統(tǒng)中存在兩個(gè)電磁耦合器，如果兩個(gè)電磁耦合器同時(shí)發(fā)生偏移，將極大地影響電能傳輸效率，所以需要給電磁耦合器設(shè)計(jì)良好的密封裝置，使之容易拆卸又能保證固定不偏移。

圖5 偏移量與耦合系數(shù)的關(guān)系圖

4 繞組位置對(duì)于電磁耦合器參數(shù)的影響

為了更好的研究繞組位置對(duì)于電磁耦合器參數(shù)的影響，這里引入U(xiǎn)型磁芯，在U型磁芯材料、結(jié)構(gòu)、間隙相同得情況下，繞組位置的不同也直接影響著耦合系數(shù)值。如圖6仿真圖所示，很清楚的看出傳統(tǒng)的中間繞組要比端部繞組漏磁更多，(b)圖相對(duì)于(a)圖的磁力線分布更多，更加密集，因此可以提高耦合系數(shù)。

(a)中間繞組(間隙5 mm)

如圖7所示，測(cè)試時(shí)用的磁芯材料、結(jié)構(gòu)均相同，初次級(jí)都為20匝，不同的是一個(gè)采用端部繞組的方式，一個(gè)采用中間繞組的方式，很明顯可以看出，隨著初次級(jí)電磁耦合器間的間隙增加，耦合系數(shù)均開(kāi)始下降，但是端部繞組要比中間繞組下降的緩慢，且在同樣的間隙時(shí)，端部繞組要比中間繞組的耦合系數(shù)大，尤其當(dāng)間隙越大時(shí)，端部繞組的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。

圖7 不同繞組時(shí)間隙與耦合系數(shù)關(guān)系曲線對(duì)比圖

5 高耦合系數(shù)的電磁耦合器

上述研究得出以下結(jié)論：(1)當(dāng)磁芯橫截面積較大時(shí)，漏磁將會(huì)減少，可以提高耦合系數(shù)。(2)在相同的間隙、匝數(shù)下，電磁耦合器的初次級(jí)繞組中心位置越近時(shí)，耦合系數(shù)越大。(3)相同間隙、匝數(shù)下，電磁耦合器初次級(jí)偏移量越小，耦合系數(shù)越大?；谶@樣的研究結(jié)果，下面提出一種運(yùn)用平面磁芯和平面繞組的電磁耦合器。但是，雖然平面磁芯和平面繞組的電磁耦合器能夠最大化的提高耦合系數(shù)，可是無(wú)法良好的安裝在浮標(biāo)系統(tǒng)中去應(yīng)對(duì)復(fù)雜的海下環(huán)境，所以接著提出一種超扁罐狀磁芯和平面繞組的組合方式(如圖8所示)，這樣既可以增加磁芯的有效面積又可以使得初次級(jí)繞組的中心位置最近。

圖8 新電磁耦合器繞組與磁芯示意圖

6 新電磁耦合器測(cè)試

圖9是新電磁耦合器與上面研究時(shí)用的GU60罐狀電磁耦合器的對(duì)比圖，在磁芯材料、繞組匝數(shù)都相同的情況下，平面繞組超扁罐磁芯相比于GU60罐裝磁芯在相同間隙下的耦合系數(shù)有了很大的提高，有利于提高電能的傳輸功率。

圖9 新電磁耦合器與GU60電磁耦合器對(duì)比圖

7 應(yīng)用于系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將兩個(gè)平面繞組超扁罐狀磁芯設(shè)置初、次級(jí)各20匝帶入系統(tǒng)中，運(yùn)用SSS型補(bǔ)償方式(初、中、次都串聯(lián)電容的方式)，諧振頻率為30 KHZ。對(duì)比電磁耦合器在3、5、8 mm時(shí)的傳輸效率變化值，如下圖10所示，隨著間隙的不斷增加，傳輸效率變得越來(lái)越低，原因是因?yàn)殚g隙增大，耦合系數(shù)減小。還可以看出傳輸效率跟工作頻率緊密相關(guān)，在某一固定間隙時(shí)，隨著工作頻率的增加，傳輸效率也在增加，當(dāng)達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，傳輸效率到達(dá)峰值狀態(tài)，在偏離諧振狀態(tài)時(shí)，傳輸效率又慢慢減小。

圖10 新型電磁耦合器效率隨工作頻率變化曲線(不同間隙)

圖11為4種不同磁芯或者不同繞組的電磁耦合器帶入系統(tǒng)中，間隙為3 mm時(shí)的測(cè)試結(jié)果，很明顯可以看出，在調(diào)整成平面繞組加超扁罐狀磁芯的新型電磁耦合器后，電能的傳輸效率要明顯優(yōu)于其它三種在研究中出現(xiàn)的電磁耦合器。

圖11 不同電磁耦合器隨工作頻率變化曲線對(duì)比圖

8 結(jié)論

主要利用Ansys Maxwell分析了電磁耦合器間隙、偏移量、繞組位置等參數(shù)對(duì)于耦合系數(shù)的影響。研究表明隨著間隙、偏移量的增加，耦合系數(shù)將會(huì)下降。當(dāng)間隙、位移量、匝數(shù)一定時(shí)，增加磁芯橫截面積和縮短初、次級(jí)繞組中心位置能有效的提高耦合系數(shù)。研究表明，新提出的平面繞組超扁型罐狀電磁耦合器在同間隙時(shí)的耦合系數(shù)遠(yuǎn)高于其它普通的電磁耦合器。放入錨定式浮標(biāo)系統(tǒng)中測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，平面繞組超扁形電磁耦合器的電能傳輸效率也大于普通電磁耦合器。