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电工技术学报 2025年第3期40卷 653-675页

作者：王得安张剑韬朱春波别致崔淑梅哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001 哈工大郑州研究院郑州450000

水下无线电能传输技术因其能够以非电气接触的形式在海域中实现能源供给,为解决水下无人设备的传统拔插式充电方式所存在的安全性差、寿命低、维护困难等问题提供了一种可行途径。然而,水下无线电能传输系统因复杂的海洋环境使其相比于... 详细信息

水下无线电能传输技术因其能够以非电气接触的形式在海域中实现能源供给,为解决水下无人设备的传统拔插式充电方式所存在的安全性差、寿命低、维护困难等问题提供了一种可行途径。然而,水下无线电能传输系统因复杂的海洋环境使其相比于以电动汽车为代表的陆基无线电能传输面临更多的挑战。该文首先围绕海水介质对无线电能传输系统的影响机理研究进行了详细的综述;其次,针对海洋环境和海水介质存在的附加涡流损耗、极间分布电容、深海压磁效应、海底洋流扰动等典型影响因素的研究进展进行了分析,对目前无线电能传输技术在水下无人装备应用存在的潜在问题和挑战进行说明;最后,对水下无线电能传输系统未来值得关注的研究方向进行展望。

关键词：水下无线电能传输海洋环境涡流损耗无人潜航器磁耦合机构

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水下无线电能传输系统数据采集与信息处理方法研究

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电源学报 2023年第6期21卷 84-93页

作者：赵航张杰许知博贾静杨磊冯保祥国网咸阳供电公司西安712000 西安理工大学电气工程学院西安710054

针对水下无线电能传输系统的数据采集与信息处理开展了系统研究。对于水下的无线电能传输系统,考虑到了复杂多变的水下环境对电能和信息传输产生一定程度的影响。海洋环境会受到温度、压力等一些环境因素的扰动,因此水下电能传输的介质... 详细信息

针对水下无线电能传输系统的数据采集与信息处理开展了系统研究。对于水下的无线电能传输系统,考虑到了复杂多变的水下环境对电能和信息传输产生一定程度的影响。海洋环境会受到温度、压力等一些环境因素的扰动,因此水下电能传输的介质具有不确定性,会对电能发送端和电能接收端的电磁场耦合产生影响,影响到水下无线电能传输的稳定性,导致海水中的无线电能传输系统的传输功率和传输效率发生改变。为此需要对水下的海洋环境信息进行实时采集,并分析对水下无线电能传输系统的电路参数和传输效率产生的影响。搭建了基于多种传感器的信息搜集与处理系统从而实现实时海洋数据采集,有效解决了水下数据的获取问题,提高了数据采集和数据处理效率。研究了海水的相对磁导率、电导率以及相对介电常数等系统信息和能量传输的影响规律,重点分析了温度和压力对无线电能传输的影响。

关键词：无线电能传输水下数据采集水下无线电能传输传输效率

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水下无线电能传输系统建模与分析

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国外电子测量技术 2021年第8期40卷 13-17页

作者：缪远杰刘宁王海涛赵建锐国家海洋技术中心天津300112

为了研究磁耦合谐振无线电能传输技术在海水中的传输损耗问题,在此提出一种海水等效电路模型,并对此模型推导得出系统的传输特性。通过对模型中线圈在海水和空气中等效辐射电阻分析对比,得出随着工作频率的提高,在空气中辐射电阻几乎忽... 详细信息

为了研究磁耦合谐振无线电能传输技术在海水中的传输损耗问题,在此提出一种海水等效电路模型,并对此模型推导得出系统的传输特性。通过对模型中线圈在海水和空气中等效辐射电阻分析对比,得出随着工作频率的提高,在空气中辐射电阻几乎忽略不计,而在海水传输过程中线圈的辐射电阻呈指数递增,传输频率的增加会导致系统的辐射电阻增加,系统的传输损耗增大。海水传输距离越大,等效电感越大,传输效率逐渐降低。仿真得出在海水中传输的最佳频率为50~250 kHz。在最佳频率范围内系统在海水传输过程中相比于空气、淡水中传输效率略微降低。最后通过试验搭建水下MCR-WPT系统与仿真对比验证此海水等效电路模型的正确性并且在传输距离35 mm下系统传输效率可达72.6%。

关键词：水下无线电能传输涡流损耗传输频率磁耦合谐振电路模型导电介质

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水下无线电能传输系统功率控制策略研究

水下无线电能传输系统功率控制策略研究

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作者：文金伟哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着海洋强国战略的不断实施,水下无人航行器(Underwater Unmanned Vehicle,UUV)、水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)等水下设备的应用也越来越广泛,这些水下设备均需要稳定的电能供给,其能源供给问题也日益突出。无... 详细信息

随着海洋强国战略的不断实施,水下无人航行器(Underwater Unmanned Vehicle,UUV)、水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)等水下设备的应用也越来越广泛,这些水下设备均需要稳定的电能供给,其能源供给问题也日益突出。无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术采用非接触方式实现能量传递,相较于传统接触式供能方式,在水下的优势更加明显,将此技术应用于水下环境,可进一步提高相关设备在水下的续航能力。本文主要围绕磁耦合谐振式的水下无线电能传输(Underwater Wireless Power Transfer,UWPT)系统功率控制策略展开研究。首先,研究了UWPT系统的拓扑结构并分析了工作原理。选择了串-串(SS)谐振补偿结构,并推导了传输效率关系式。构建了考虑海水中损耗的等效电路模型,从电磁场理论角度分析了海水介质对无线电能传输效率的影响,并通过有限元进行电磁仿真,得出平面螺旋式耦合机构在海水中进行能量传输过程中磁场和涡流损耗的分布情况,基于此选择了适用于水下环境的工作频率范围。然后,提出了基于弱通信的双侧功率及最优效率控制策略和功率数据同步传输方法。该控制策略只需在功率传输前进行通信以确定初始状态,在功率传输过程中无需数据传输,降低了控制系统复杂度和对实时通信的依赖。提出一种基于阻抗扰动的功率数据同步传输方法并用于控制系统。研究了一次侧使用Buck降压斩波电路进行功率闭环和二次侧使用Boost升压斩波电路进行闭环阻抗匹配的双侧控制方式,一次侧实现传输功率控制,二次侧进行阻抗匹配实现最大效率传输。最后,研制了UWPT样机并搭建了实验平台。通过实验分析了UWPT系统的传输特性;采用电子负载模拟电池充电过程中等效阻抗的变化,进而实验验证了所提出的基于弱通信的双侧控制策略的有效性,证明了能够在传输所需功率的同时实现最大效率传输。UWPT实验样机在磁耦合机构50mm传输间距情况下,在海水中实现1k W功率传输,最大效率88.59%。

关键词：水下无线电能传输磁耦合谐振式功率控制策略弱通信最大效率

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水下无线电能传输系统磁耦合机构设计方法研究

水下无线电能传输系统磁耦合机构设计方法研究

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作者：李雪峰哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)作为一种海洋探测装备在科学探索、资源开发和国土安全保障等方面发挥着重要作用,但是AUV也面临着续航能力不足、巡航距离短等问题。与传统的充电方式相比,无线电能传输技术(Wireless... 详细信息

水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)作为一种海洋探测装备在科学探索、资源开发和国土安全保障等方面发挥着重要作用,但是AUV也面临着续航能力不足、巡航距离短等问题。与传统的充电方式相比,无线电能传输技术(Wireless Power Transmission,WPT)为解决AUV的续航问题提供了新的手段。然而,海水的扰动会使水下无线电能传输(Underwater Wireless Power Transmission,UWPT)系统磁耦合机构的发射端和接收端相对位置发生偏移,进而影响其传输性能和稳定性。本文针对该问题,对磁耦合机构结构及其参数设计方法展开研究。首先,分析了UWPT系统传输机理。对UWPT系统的组成及工作原理进行了分析。通过对电磁波在不同介质中的传播特性的分析,确定了UWPT系统工作频率范围。比较了四种基本补偿网络的优缺点,选择了SS型补偿网络对系统进行无功补偿。考虑到海水对系统的影响,构建了UWPT系统等效电路模型,为接下来的研究提供理论基础。其次,设计了鼠笼式磁耦合机构结构及其参数设计方法。结合UWPT系统的应用场景归纳出了一套磁耦合机构设计原则并对磁耦合机构材料选型问题进行了研究。在此基础上,针对AUV外形特点及抗偏移要求,设计出了一种鼠笼式磁耦合机构并通过建立等效磁路模型对影响其耦合性能的因素展开分析。通过对SS补偿网络传输特性的研究,提出了一种磁耦合机构参数设计方法,并根据该方法对鼠笼式磁耦合机构参数进行设计。然后,分析了鼠笼式磁耦合机构性能。分析了磁耦合机构电感参数发生偏移时对系统传输性能的影响,发现系统工作在完全谐振状态是实现能量高效传输的前提。接下来利用有限元仿真软件对鼠笼式磁耦合机构偏移性能展开仿真分析,其结果表明该磁耦合机构具有优秀的抗偏移能力。通过麦克斯韦方程得到了海水介质中的涡流损耗表达式,并利用有限元仿真软件对鼠笼式磁耦合机构涡流损耗情况进行了仿真分析。最后,搭建了UWPT系统实验平台。通过对样机实测数据与仿真数据的对比,证明该样机可满足设计要求。通过变压、变负载实验验证了系统传输特性。在海水介质中,系统在完全对准的情况下,其输出功率为600.62W,磁耦合机构传输效率为94.429%,系统整体效率为87.021%。通过偏移实验证明了在规定偏移范围内,系统输出功率不低于600W,磁耦合机构传输效率不低于90%,系统整体效率在85%以上,满足设计指标。

关键词：水下无线电能传输水下潜航器磁耦合机构抗偏移

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水下无线电能传输系统参数识别技术研究

水下无线电能传输系统参数识别技术研究

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作者：韩晨南京理工大学

学位级别：硕士

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术因其具有无电气接触、安全、灵活等特点,更适合水下设备充电要求,可以有效的提升如无人潜航器、水下自助机器人、水下无线传感器等水下设备的工作效率。但由于不同传输介质的影响,水下无... 详细信息

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术因其具有无电气接触、安全、灵活等特点,更适合水下设备充电要求,可以有效的提升如无人潜航器、水下自助机器人、水下无线传感器等水下设备的工作效率。但由于不同传输介质的影响,水下无线充电系统呈现出与空气中不同的规律,同时,在实际应用中,系统总会面对不同接收线圈与负载的工作情况,导致系统不能处于最大功率传输点。本文主要围绕水下无线电能传输系统展开分析,提出通过分析空间磁场分布规律来识别系统互感与接收线圈负载,使得系统工作在最大功率传输点。首先,论文基于磁耦合无线电能传输原理,完成了不同传输介质下,SS拓扑的两线圈WPT系统互感模型的建立以及空间磁场分布,推导了水下无线电能传输系统传输功率关于系统参数的关系。研究了系统在固定传输距离时最大功率工作点的规律,得出了可以通过调整互感和负载实现最大功率传输的结论。其次,提出了基于磁场云图特征的无线充电系统线圈识别算法,引入轮廓矩概念,采用有限元仿真获取不同结构线圈在空间不同位置的磁场云图,通过对磁场云图提取轮廓矩的特征实现对线圈极性和线圈类型的识别;为提高线圈识别算法的泛化能力,提出了基于卷积神经网络的线圈识别算法,实现了对线圈类型99%以上的识别准确率;简要分析了通过卷积提取磁场云图的特征图,讨论了在实际应用中通过采集线圈附近部分区域的磁场强度值来替代磁场云图特征实现线圈类型识别的可能性。再次,进一步分析了线圈互感与负载对系统传输功率的影响,在固定发射线圈的基础上,讨论了系统互感与不同接收线圈产生的磁场分布之间的关系,建立了基于深度学习的无线充电系统互感识别算法,在不接触副边时,通过检测发射线圈电流,实现了系统的负载预测,进一步总结了通过调整发射线圈匝数进行互感补偿使系统工作在最大功率点方法。最后,完成了水下无线充电系统的仿真和实验验证,通过仿真和实验验证了不同介质下系统的传输功率的变化规律以及负载的预测方法。实验结果表明,与实际结果相比,系统负载预测值误差为9.1%,通过调整发射线圈的匝数可以实现系统的最大功率,验证了本文提出的通过磁场分布来识别系统互感预测负载,并进一步调整互感以实现系统最大功率传输的方法。

关键词：水下无线电能传输空间磁场分布深度学习线圈识别互感识别负载预测

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水下无线电能传输研究进展

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南京信息工程大学学报（自然科学版） 2017年第1期9卷 46-53页

作者：牛王强上海海事大学航运技术与控制工程交通行业重点实验室上海201306

首先对水下无线电能传输技术进行了分类,然后给出了磁感应式水下无线电能传输的基本结构和工作原理,讨论了该技术的最优工作频率、传输距离、线圈结构选择、涡流损耗与频率分裂现象.随后简要给出了磁谐振式水下无线电能传输技术和电场... 详细信息

首先对水下无线电能传输技术进行了分类,然后给出了磁感应式水下无线电能传输的基本结构和工作原理,讨论了该技术的最优工作频率、传输距离、线圈结构选择、涡流损耗与频率分裂现象.随后简要给出了磁谐振式水下无线电能传输技术和电场耦合式水下无线电能传输的研究现状.最后对水下无线电能传输技术有待研究的问题进行了展望.

关键词：水下无线电能传输工作频率线圈结构涡流损耗频率分裂磁感应式磁谐振式电场耦合式

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基于双发射空间螺旋耦合机构的水下无线电能传输系统研究

基于双发射空间螺旋耦合机构的水下无线电能传输系统研究

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作者：张旭莲湘潭大学

学位级别：硕士

水下无线电能传输(Underwater Wireless Power Transfer,UWPT)技术解除了电路间物理连接,打破了水下电缆传输的固有格局,能够提高水下设备的充电安全性、可靠性、灵活性和隐蔽性。由于水下存在导电性、水压和微生物变量扰动,耦合机构在... 详细信息

水下无线电能传输(Underwater Wireless Power Transfer,UWPT)技术解除了电路间物理连接,打破了水下电缆传输的固有格局,能够提高水下设备的充电安全性、可靠性、灵活性和隐蔽性。由于水下存在导电性、水压和微生物变量扰动,耦合机构在水下会引起电涡流损耗、位置偏移、压磁效应等问题,导致发射器和接收器间的耦合波动和参数变化,从而影响耦合特性与系统传输效率和功率的稳定性。为此,开展水下无线电能传输系统耦合机构的参数波动及稳定运行机理研究具有重要意义,以提升UWPT系统的鲁棒性。首先,基于电路理论建立了双发射水下无线电能传输系统电路模型,推导了系统稳定传输特性的强耦合临界条件,详细分析了系统在强、弱耦合区域的传输特性,揭示了耦合特性对其传输特性及稳定性的影响机理。考虑水下介质涡流损耗因素,设计了合适的发射线圈连接结构。其次,对比分析了不同形态与结构的双发射线圈的耦合机构的耦合特性优劣,提出了一种双发射空间螺旋线圈耦合机构,基于电磁耦合理论建立了双发射空间螺旋耦合机构的互感模型,阐释了耦合机构在偏移工况下互感变化规律和磁场分布情况,分析了耦合机构的抗偏移能力。最后,为了验证本文所提耦合机构及互感模型的有效性,根据系统性能指标完成主电路的设计,搭建了双发射水下无线电能传输系统仿真平台和实验样机。基于PSIM仿真软件对所提耦合机构的耦合特性与系统的传输特性进行了仿真验证。同时,实验结果验证了所提双发射空间螺旋线圈耦合机构具有较强的抗偏移能力,在偏移工况下能够有效提升UWPT系统稳定性和鲁棒性,可实现双发射UWPT系统的恒功率、恒效率输出。

关键词：水下无线电能传输双发射空间螺旋线圈恒功率恒效率

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双D正交型水下无线电能传输系统的设计与优化

双D正交型水下无线电能传输系统的设计与优化

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作者：朱金炜华中科技大学

学位级别：硕士

水下探测和运载设备技术的提升大力推动了我国海底资源的开发利用。水下自主航行器作为重要的海洋探测技术装备,为解决其续航问题,需考虑新的电能补给方式。无线电能传输技术由于安全,可靠,灵活和隐蔽等优点正受到越来越多的关注。海水... 详细信息

水下探测和运载设备技术的提升大力推动了我国海底资源的开发利用。水下自主航行器作为重要的海洋探测技术装备,为解决其续航问题,需考虑新的电能补给方式。无线电能传输技术由于安全,可靠,灵活和隐蔽等优点正受到越来越多的关注。海水介质特性与空气有明显的差别,加上水下应用环境的复杂性,水下无线电能传输技术面临更多的问题。本文针对双D正交型水下无线电能传输系统进行设计与优化。海水环境下磁耦合机构的等效电路模型是探究水下无线电能传输特性的基础。本文通过电磁场模型推导得出了更为精确的水下磁耦合机构集中参数等效电路模型,充分考虑了涡流损耗等效自电阻和互电阻的影响因素。通过仿真和实验验证了该模型具有良好的精确度和通用性,为磁耦合机构的补偿拓扑的设计奠定了基础。海水环境下的磁耦合机构由于增加了涡流损耗导致效率降低,同时水下复杂的环境对其抗偏移性能也提出了要求。本文采用了一种双D正交型磁耦合机构,从磁路角度以最大传输效率和最大面积传能密度为优化目标,实现了其结构参数优化。搭建了实验平台验证了优化后的磁耦合机构具有良好的耦合性能和抗偏移性能、较高的能量密度。补偿拓扑在水下无线电能传输系统中,直接参与谐振网络内无功的补偿和有功的处理,影响系统的输出性能。本文充分考虑了海水环境磁耦合机构的等效电路模型的差异,以恒压源输入,恒流源输出的谐振网络为设计对象,以效率最优为目标对磁耦合机构的补偿拓扑的参数进行了优化。通过仿真和实验验证了优化后的补偿拓扑能够保证系统实现高效稳定的能量传输。受海水扰动的影响,磁耦合机构的发射端与接收端之间不可避免存在一定的偏移,引起系统传输功率和传输效率下降的问题。本文以双D正交型无线电能传输系统为对象,提出了一种效率优化控制方法,通过调整谐振网络输入电压幅值比,控制输出功率的同时一定程度提高效率。实验表明在耦合系数变化范围较大的情况下,系统仍然能够保持稳定高效的功率传输,验证了控制方法的有效性。

关键词：水下无线电能传输双D正交型磁耦合机构补偿拓扑优化效率优化控制

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水下磁感应无线电能传输特性研究

水下磁感应无线电能传输特性研究

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作者：徐炜钰华中科技大学

学位级别：硕士

由于安全,可靠,灵活和隐蔽等优点,无线电能传输技术为各种海洋机电设备提供了新的电能供给方式,正在受到越来越多的关注。文章主要针对感应式无线电能传输技术在水下的应用进行分析和研究。尽管在陆地上,感应式无线电能传输技术在各种... 详细信息

由于安全,可靠,灵活和隐蔽等优点,无线电能传输技术为各种海洋机电设备提供了新的电能供给方式,正在受到越来越多的关注。文章主要针对感应式无线电能传输技术在水下的应用进行分析和研究。尽管在陆地上,感应式无线电能传输技术在各种场合已经得到了良好的应用,但是海水的电气特性与空气有明显的差别,将会直接影响到水下无线电能传输系统的传输性能,加上水下环境的复杂性以及应用领域的特殊性,水下无线电能传输技术显然面临着更多的问题,目前国内外尚缺乏对其完整、详细的研究。为了揭示感应式无线电能传输技术在水下的传输机理和传输性能,从而推动其在海洋探索和海洋作业领域的发展,文章结合数值计算和有限元仿真,对载有正弦交流电的单线圈,双线圈系统的时谐场进行了模型建立,研究电涡流损耗的表达式以及影响因素;阐述和分析了水下无线电能传输系统中的其他损耗的组成和分布。通过实验验证了文中提出的损耗模型的正确性及有效性。通过说明耦合线圈在水下各种参数,如电感电容的变化,为系统电路模型的建立提供基础,引入了水下修正互感。对不同补偿拓扑建立了新的数学模型,将海水的影响直接等效到电路中,说明水下无线电能传输系统的频率特性,从理论上解释了水下频率偏移现象。并通过实验证明了分析的正确性。最后,为适应水下设备鱼雷型的外观,提出柔性耦合线圈配置,研究了弯曲角度下关键参数的变化。对两大类具有实用价值的柔性线圈系统配置进行设计对比和优化,以耦合系数为目标说明了各自的适用范围和性能。通过场路联合仿真建立无线电能传输系统,说明了弯曲角度对系统传输效率的影响。

关键词：水下无线电能传输涡流损耗电路模型柔性线圈

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