【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线电能传输，具体涉及一种具有五极板耦合机构的uuv电场耦合无线电能传输系统。
技术介绍
1、水下无人航行器(unmanned underwater vehicle，uuv)具有机动性高、隐蔽性好、环境适应能力强等优势受到广泛研究。目前的uuv采用蓄电池作为电源，续航能力不足导致其无法满足远距离、长航时的任务要求，而传统的接触式充电在水下有短路的风险，安全性较低，因此对uuv进行安全稳定的能源补给是当前需要解决的关键问题之一。
2、无线电能传输(wireless power transfer,wpt)技术通过磁场、电场、微波、激光等载体实现电能的非电气接触传输，它可以解决传统电气接触带来的诸多问题，受到研究人员的广泛关注，具有广阔的应用前景。电场耦合无线电能传输(electric-filed coupledwireless power transfer,ec-wpt)技术利用高频交变电场作为能量传输载体，实现电能的无线传输，工作时在水中产生的涡流损耗小，耦合机构具有重量轻、可塑性强等特点，并且水中相对介电常数较空气中相对介电常数高，极大提高了耦合机构间耦合电容，有利于提升系统的传输功率和效率。
3、目前围绕uuv应用的ec-wpt系统研究中，发射极板和接收极板正对之后才能稳定传输能量，没有考虑uuv与充电站接驳的过程中耦合机构可能会发生错位，导致能量传输性能发生改变的情况；此外，无线充电系统产生的漏电场可能会干扰uuv内部的设备，以及对周围环境造成影响。因此如何克服现有技术的不足是目前无线电
技术实现思路
1、针对uuv与充电站接驳的过程中耦合机构可能会发生错位，以及无线充电系统产生的漏电场可能会干扰uuv内部的设备的问题，提供一种具有五极板耦合机构的uuv电场耦合无线电能传输系统，在稳定传输能量的同时具有三个维度的抗偏移特性，同时具有较好的漏电场屏蔽特性。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、具有五极板耦合机构的uuv电场耦合无线电能传输系统，包括五极板式新型耦合机构；所述五极板式新型耦合机构包括顺序排列的金属极板p1、p3、p5、p4、p2，极板p1和p2对称安装在外部充电基站上构成电能发射极板，极板p5安装在uuv外部作为屏蔽极板，极板p3和p4对称安装在屏蔽极板p5外部构成电能接收极板；极板p1、p2、p3、p4均为为瓦形，极板p5为圆筒形，所述电能接收极板与屏蔽极板之间隔着一层绝缘材料。
4、优选的是，发射极板p1和p2的长、宽及厚度相同，接收极板p3和p4的长、宽及厚度相同，发射极板p1和p2的长和宽大于接收极板p3和p4的长和宽，屏蔽极板p5的长大于发射极板p1和p2的长。
5、优选的是，所述的具有五极板耦合机构的uuv电场耦合无线电能传输系统包括电能发射端和电能接收端，所述电能发射端包括顺序连接的供电电源、高频逆变器、原边谐振网络和所述电能发射极板；所述电能接收端包括顺序连接的所述电能接收极板、副边谐振补偿网络、整流滤波电路和负载电阻rl；屏蔽极板覆盖在uuv外侧。
6、优选的是，所述的高频逆变器采用全桥型逆变器结构；所述的整流滤波电路采包括全桥整流器和滤波电容cf。
7、优选的是，所述原边补偿网络包括相互串联的谐振电感l1和谐振电容c1，谐振电感l1的另一端连接在全桥逆变器的一交流输出端，谐振电容c1的另一端连接在全桥逆变器的另一交流输出端，所述发射极板p1通过导线连接在谐振电感l1和谐振电容c1的公共端上，所述发射极板p2通过导线连接在谐振电容c1和全桥逆变器的公共端上；
8、所述副边补偿网络包括相互串联的谐振电感l2谐振电容c2，谐振电感l2的另一端连接在全桥整流器的一交流输入端，谐振电容c2的另一端连接在全桥整流器的另一交流输入端，所述发射极板p3通过导线连接在谐振电感l2和谐振电容c2的公共端上，所述发射极板p4通过导线连接在谐振电容c2和全桥整流器的公共端上。
9、优选的是，所述的五极板式新型耦合机构等效为十个交叉耦合电容c12、c13、c14、c15、c23、c24、c25、c34、c35、c45，其中，c12为极板p1与p2构成的电容，位于所述电能发射端；c34为极板p3与p4构成的电容，位于所述电能接收端；c13为极板p1与p3构成的电容，c24分别为极板p2与p4构成的电容，c13和c24构成能量传输通道；c14为极板p1与p4构成的电容，c23为极板p2与p3构成的电容，c15、c25、c35、c45分别为屏蔽极板p5与其他四块极板p1、p2、p3、p4形成的电容。
10、优选的是，所述的屏蔽极板p5与极板p1、p2、p3、p4形成的电容c15、c25、c35、c45为四端星形网络，将其进转换为四端网形网络，得到四端网形网络的六个电容c12b、c13b、c14b、c23b、c24b、c34b，计算公式如下：
11、
12、优选的是，所述的屏蔽极板p5与极板p1、p2、p3、p4形成的电容网形网络与极板p1、p2、p3、p4之间形成的电容网络模型一致，对其进行叠加化简为六电容模型，得到叠加化简后的六个电容c12x、c13x、c14x、c23x、c24x、c34x，计算公式如下：
13、
14、对所述的六电容模型等效为π模型进行分析，所述六电容模型与所述π模型之间的关系为：
15、
16、其中，cx1和cx2分别为所述π模型中的原边等效电容和副边等效电容，cm为所述π模型中原副边之间的互电容。
17、优选的是，在能量传输的过程中，令c11＝c1+c1x，c22＝c2+c2x，系统应该处于谐振状态，满足以下谐振关系：
18、
19、式中，ω＝2πf，f为系统工作频率；
20、逆变输出电压uin基波分量的均方根表示为edc为电源电压；
21、计算得到各部分的阻抗如式(5)所示，进一步得到各部分电压如式(6)所示；
22、
23、
24、其中，req为整流滤波电路和负载电阻的等效，rl1为原边补偿网络中电感l1的内阻，rl2为副边补偿网络中电感l2的内阻；zin为系统输入阻抗，z1为c2后端阻抗，z2为cm后端阻抗，z3为c1x后端阻抗，z4为l1后端阻抗；u1为补偿电容c1两端的电压，u2为补偿电容c2两端的电压，uo为输出电压；
25、结合式(6)化简得到输出电压uo的计算公式如式(7)；
26、
27、其中，a＝c1c2+c1cm+c2cm，b＝c2l2+cml2，输出功率pout和系统效率η的计算公式如式(8)和式(9)；
28、
29、
30、本专利技术中，需要说明的是，屏蔽极板覆盖在uuv外侧，与电路不直接连接。
31、本专利技术与现有技术相比，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.具有五极板耦合机构的UUV电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，包括五极板式新型耦合机构；所述五极板式新型耦合机构包括顺序排列的金属极板P1、P3、P5、P4、P2，极板P1和P2对称安装在外部充电基站上构成电能发射极板，极板P5安装在UUV外部作为屏蔽极板，极板P3和P4对称安装在屏蔽极板P5外部构成电能接收极板；极板P1、P2、P3、P4均为为瓦形，极板P5为圆筒形，所述电能接收极板与屏蔽极板之间隔着一层绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的具有五极板耦合机构的UUV电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，发射极板P1和P2的长、宽及厚度相同，接收极板P3和P4的长、宽及厚度相同，发射极板P1和P2的长和宽大于接收极板P3和P4的长和宽，屏蔽极板P5的长大于发射极板P1和P2的长。
3.根据权利要求1所述的具有五极板耦合机构的UUV电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述的具有五极板耦合机构的UUV电场耦合无线电能传输系统包括电能发射端和电能接收端，所述电能发射端包括顺序连接的供电电源、高频逆变器、原边谐振网络和所述电能发射极板；所述电能接收端包括顺
4.根据权利要求3所述的具有五极板耦合机构的UUV电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述的高频逆变器采用全桥型逆变器结构；所述的整流滤波电路采包括全桥整流器和滤波电容Cf。
5.根据权利要求3所述的具有五极板耦合机构的UUV电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：
6.根据权利要求1～5任意一项所述的具有五极板耦合机构的UUV电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，所述的五极板式新型耦合机构等效为十个交叉耦合电容C12、C13、C14、C15、C23、C24、C25、C34、C35、C45，其中，C12为极板P1与P2构成的电容，位于所述电能发射端；C34为极板P3与P4构成的电容，位于所述电能接收端；C13为极板P1与P3构成的电容，C24分别为极板P2与P4构成的电容，C13和C24构成能量传输通道；C14为极板P1与P4构成的电容，C23为极板P2与P3构成的电容，C15、C25、C35、C45分别为屏蔽极板P5与其他四块极板P1、P2、P3、P4形成的电容。
7.根据权利要求6所述的具有五极板耦合机构的UUV电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的具有五极板耦合机构的UUV电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：
9.根据权利要求8所述的具有五极板耦合机构的UUV电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.具有五极板耦合机构的uuv电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，包括五极板式新型耦合机构；所述五极板式新型耦合机构包括顺序排列的金属极板p1、p3、p5、p4、p2，极板p1和p2对称安装在外部充电基站上构成电能发射极板，极板p5安装在uuv外部作为屏蔽极板，极板p3和p4对称安装在屏蔽极板p5外部构成电能接收极板；极板p1、p2、p3、p4均为为瓦形，极板p5为圆筒形，所述电能接收极板与屏蔽极板之间隔着一层绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的具有五极板耦合机构的uuv电场耦合无线电能传输系统，其特征在于，发射极板p1和p2的长、宽及厚度相同，接收极板p3和p4的长、宽及厚度相同，发射极板p1和p2的长和宽大于接收极板p3和p4的长和宽，屏蔽极板p5的长大于发射极板p1和p2的长。
3.根据权利要求1所述的具有五极板耦合机构的uuv电场耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述的具有五极板耦合机构的uuv电场耦合无线电能传输系统包括电能发射端和电能接收端，所述电能发射端包括顺序连接的供电电源、高频逆变器、原边谐振网络和所述电能发射极板；所述电能接收端包括顺序连接的所述电能接收极板、副边谐振补偿网络、整流滤波电路和负载电阻rl；屏蔽极板覆盖在uuv外侧。
4.根据权利要求3所述的具有五极板耦合机构的uuv电...
【专利技术属性】
技术研发人员：钱林俊，刘亚兵，王元奎，李皓，王平，刘建忠，
申请(专利权)人：昆明七零五所科技发展有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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