Diseño de un sistema de transmisión de energía inalámbrico submarino basado en acoplamiento inductivo
Tianchu Luo 1,2,* y Shaowei Zhang 1,*
1 Instituto de Ciencia e Ingeniería de los Fondos Marinos, Academia China de Ciencias, Sanya 572000, China
2 Facultad de Ciencia de Materiales y Opto -Tecnología Electrónica, Universidad de la Academia de Ciencias de China, Beijing 100049, China * Correspondencia: tianchuluo@126.com (T.L.); zswsia@126.com (S.Z.)
Resumen: La exploración humana del océano es inseparable de un equipo confiable de observación del océano. La tecnología de transmisión de energía inalámbrica puede suministrar energía al extremo receptor sin contacto, ahorrando complicados enchufes y desenchufes de cables. Debido a la conductividad del agua de mar, se generará una cierta pérdida de corrientes parásitas durante la transmisión de energía inalámbrica, lo que reducirá la potencia de salida y la eficiencia de la transmisión. Este artículo diseña un sistema de transmisión de energía inalámbrico adecuado para escenas submarinas y en este artículo se analizan las características operativas del sistema. Al mismo tiempo, se estudia la capacidad de transmisión del sistema en el aire y se analiza la influencia de varios parámetros clave, como la frecuencia de resonancia, en la potencia de salida y la eficiencia de transmisión. Sobre esta base, combinado con el método de cálculo de la pérdida por corrientes parásitas en agua de mar, se calcula la eficiencia de transmisión del sistema en agua de mar, lo que proporciona una referencia para seleccionar la frecuencia de operación. Finalmente, se proporciona un esquema de diseño de acoplador que es fácil de acoplar con dispositivos submarinos y tiene un buen efecto de blindaje electromagnético, y se analiza su capacidad de transmisión y rendimiento bajo desalineación mediante simulación de elementos finitos. Según el plan de diseño, se construye un prototipo y se llevan a cabo experimentos en ambientes aéreos y de agua de mar simulados. Los resultados experimentales verifican la exactitud de la teoría. Palabras clave: transferencia de energía inalámbrica submarina; observación del océano; acoplamiento inductivo; pérdida por corrientes parásitas; diseño de acoplador magnético 1. Introducción La exploración y el desarrollo de los océanos son inseparables de equipos electromecánicos submarinos confiables, como vehículos submarinos, sistemas de boyas de observación del océano, etc. Debido a la limitación de volumen y carga, la capacidad de la batería de estos dispositivos suele ser limitada. El suministro de energía para estos dispositivos es un problema fundamental en la observación de los océanos. Recuperar el dispositivo y reemplazar la batería requiere operación manual, lo que tiene altos costos de mano de obra y baja eficiencia laboral. Otra forma es utilizar un conector húmedo para cargar el dispositivo. Este método es costoso y presenta riesgos potenciales de seguridad específicos. Una de las tecnologías de transmisión de energía inalámbrica, la tecnología de transferencia de energía acoplada inductivamente (ICPT), se basa en el principio de inducción electromagnética y transmite energía desde el transmisor a la carga sin contacto. Ha sido ampliamente utilizado en muchos campos. Aplicarlo en el campo submarino puede mejorar la seguridad y confiabilidad de la carga, prolongar la vida útil de la batería y resolver eficazmente el problema del suministro de energía para los equipos submarinos. El área de investigación de la transmisión inalámbrica de energía de vehículos submarinos es el campo más popular e influyente en la aplicación de la transmisión inalámbrica de energía en el campo submarino [1]. Debido a la estructura en forma de lanzadera del vehículo submarino, el diseño del acoplador magnético generalmente se combina con la forma del vehículo submarino y la estación de acoplamiento, y el sistema de transmisión de energía inalámbrica comienza a funcionar cuando el El vehículo submarino entra en la estación de atraque [2]. Dave Pyle y otros. desarrolló un acoplamiento
Sistema de estación para proporcionar suministro de energía inalámbrico al submarino no tripulado Proteus.
vehículo (UUV). Cuando sea necesario cargar la pequeña aeronave transportada por el UUV, saldrá
el compartimento lateral del UUV e ingrese a la estación de acoplamiento para reabastecerse [3]. Shi
et al. Proponer una estructura optimizada para un sistema de atraque compuesto por dos de gran diámetro.
bobinas coaxiales, una de las cuales está montada en la carcasa de aluminio del autónomo
vehículo submarino (AUV) y el otro en la estación de acoplamiento. Esta solución resuelve el
problema de desalineación radial entre las bobinas bajo el impacto del flujo de agua, y
El método de instalación de las bobinas no afecta la estructura externa del AUV [4].
Yan et al. proponen una estructura de acoplador de núcleo EE mejorada en forma de arco. El primario y
Los secundarios están instalados en la estación de acoplamiento y el AUV, respectivamente. Comparado
Con el acoplador plano, el acoplador en forma de arco es más fácil de instalar en el AUV y facilita
alineación, que puede reducir las fugas magnéticas y maximizar la eficiencia de transmisión [5].
Muchos sensores están montados en el sistema de boyas de observación del océano y la batería
La capacidad es limitada e incómoda de reemplazar, lo que limita la flexibilidad y el funcionamiento del sistema.
tiempo [6]. El suministro de energía inalámbrico para el sistema de boyas de observación del océano solucionará
este problema, que es una de las aplicaciones esenciales de la energía inalámbrica submarina
tecnología de transmisión. Debido a la estructura única del sistema de boyas, la energía inalámbrica
El sistema de suministro generalmente adopta la forma de acoplador de un transformador de devanado coaxial lineal [7].
El primario del acoplador es un cable delgado y el secundario está instalado en el equipo.
Esta estructura facilita la transmisión simultánea de energía y datos a múltiples submarinos.
sensores. Yoshioka et al. diseñó un dispositivo para suministrar energía a sensores submarinos en el
Red Triángulo de Boyas Transoceánicas (TRITON). Este diseño utiliza un cable de acero de amarre como
El núcleo magnético del lado primario y la bobina primaria se enrollan alrededor de él. la secundaria
La bobina y el sensor submarino están alojados en un cilindro impermeable. El diseño facilita
utilizando directamente el cable de acero de amarre como lado primario y tiene cierta simplicidad, pero
Hay un flujo magnético principal en este espacio durante el proceso de trabajo, y el gran contacto
El área con el agua de mar aumentará la pérdida de corrientes parásitas hasta cierto punto y reducirá
la eficiencia de transmisión [8]. McGinnis et al. diseñó una potencia acoplada inductivamente
sistema de transferencia para un perfilador oceánico amarrado que se mueve entre boyas en el fondo marino y
una plataforma de cables. El primario del acoplador inductivo se fija al cable de amarre, y
el secundario está montado en el perfilador, que suministra energía a la batería a través de un
rectificador, ambos coaxiales con el cable de amarre. Sin embargo, este diseño dificulta
Sujete y retire el acoplador secundario del cable de amarre, lo que reduce la facilidad
de aplicación del dispositivo [9].
Debido a la particularidad del entorno del agua de mar y la singularidad del lugar de trabajo,
Hay muchos problemas y desafíos vitales que resolver en la transmisión de energía inalámbrica.
sistema que se aplica al agua de mar [10]. Como medio de transmisión, el agua de mar tiene una
conductividad específica. Cuando el sistema inalámbrico de transferencia de energía está funcionando, las corrientes parásitas
se generará en el agua de mar, lo que provocará una pérdida de energía adicional en frecuencias más altas
y afectar las características electromagnéticas del sistema [11]. Zhou y cols. estudió la relación entre la frecuencia, la carga y la pérdida por corrientes parásitas de acopladores electromagnéticos en
aire y agua de mar. Proponen un método analítico para calcular la pérdida por corrientes parásitas
generado por el agua de mar. Sin embargo, el método presentado en este artículo no proporciona una base teórica.
método de cálculo para la frecuencia óptima, pero lo ilustra a través del experimento
resultados de la eficiencia de transmisión correspondiente a la frecuencia de conmutación bajo
diferentes condiciones de carga [12]. Zhang et al. estableció un modelo matemático sistemático para
el ambiente del agua de mar a través de las ecuaciones de Maxwell, obtuvo una fórmula aproximada
para calcular la pérdida por corrientes parásitas a través de la expansión en serie, y analizó la relación
entre la pérdida por corrientes parásitas y el radio de la bobina, la frecuencia de resonancia, la distancia de transmisión,
y otros factores [13]. Askari et al. estudió la influencia de la conductividad del agua de mar en
La eficiencia de transmisión del sistema ICPT a través de experimentos. Los experimentos fueron
llevado a cabo en cuatro frecuencias de resonancia diferentes. Sus resultados experimentales mostraron
que la eficiencia de transmisión entre el agua de mar y el aire diferiría significativamente después
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 3 de 20
superior a 20 kHz [14]. Del trabajo anterior se deriva el método de cálculo del remolino de agua de mar.
pérdida actual o solo mide la eficiencia de transmisión de ICPT en agua de mar a través
experimentos y no combina teóricamente los Cálculo de la corriente de Eddy de agua de mar
pérdida con el método de cálculo de eficiencia de transmisión del sistema, que no puede proporcionar
una referencia confiable para la selección de la frecuencia de operación. La aplicación diseñada en
Este documento está orientado a equipos de observación submarina de potencia pequeña y media,
como nodos de sensores en el sistema de boyas. El sistema desarrollado tiene una alta transmisión
eficiencia. Comparado con el trabajo histórico, este artículo hace un análisis completo de tres
Parámetros importantes (frecuencia de resonancia, carga y coeficiente de acoplamiento) que afectan el sistema
actuación. En aplicaciones prácticas, los parámetros del sistema se pueden ajustar de acuerdo con
Preferencias de potencia o eficiencia. Al mismo tiempo, esta investigación llena el vacío en el campo de
Investigación sobre sistemas de transmisión de potencia de escala pequeña y media.
El resto de este documento se organiza de la siguiente manera: la segunda sección discute el
Topología de circuito adecuada para escenas submarinas, analiza las características operativas de
el sistema, y deduce las características operativas de la topología del circuito del sistema; el
La tercera sección estudia la potencia general de salida y la eficiencia de transmisión del sistema,
Combinación del método de cálculo de análisis de pérdida de corriente de Eddy y calcula la salida
eficiencia de potencia y salida del sistema en el agua de mar; la cuarta sección elige un
estructura acopladora con alta capacidad de transmisión y baja interferencia electromagnética;
La quinta sección presenta el prototipo realizado en función del esquema de diseño y el
plataforma experimental, y se han realizado experimentos para verificar la viabilidad y
corrección del esquema teórico.
2. Diseño principal del circuito de acoplamiento inductivo
El sistema de transmisión de potencia inalámbrica subacuática basado en el acoplamiento inductivo
Consta de tres partes: el transmisor, el receptor y el acoplador magnético. El transmisor incluye una fuente de alimentación de CC, un convertidor DC -AC y una resonancia del transmisor
Red de compensación.
el magnético
El acoplador es una unidad de conversión de energía electromagnética para conectar el transmisor y el
receptor.
J. Mar. Ciencias. Ing.
método de pérdida de corrientes parásitas de agua de mar o solo mide la eficiencia de transmisión de
ICPT en el agua de mar a través de experimentos y no combina teóricamente el cálculo
que no puede proporcionar una referencia confiable para la selección de la frecuencia de operación. El
tiene alta eficiencia de transmisión.
Al mismo tiempo, esta investigación
llena el vacío en el campo de la investigación sobre sistemas de transmisión de energía de pequeña y mediana escala.
Topología de circuito adecuada para escenas submarinas, analiza las características operativas de
el sistema, y deduce las características operativas de la topología del circuito del sistema; el
la cuarta sección elige un
corrección del esquema teórico.
El sistema de transmisión de potencia inalámbrica subacuática basado en el acoplamiento inductivo
Consta de tres partes: el transmisor, el receptor y el acoplador magnético.
Convertidor AC-DC y circuito de filtro, y una carga (equipo eléctrico). Un diagrama de bloques de todo el sistema se muestra en la Figura 1.
Entre ellos, Ud.
es la fuente de voltaje CC de entrada; Q Q 1 4 ~ es
Los cuatro tubos de interruptor MOSFET de potencia que constituyen un inversor de puente completo y convierte la potencia de CC de entrada de entrada a potencia de CA; Lp
y ls
son la auto-inductancia del sistema
bobina transmisora y bobina receptora, respectivamente, y las resistencias internas de la bobina correspondiente son RLp y RLs, respectivamente; CP
y C
son los condensadores de compensación en serie de la bobina de transmisión y la bobina receptora, respectivamente; M es la inductancia mutua
entre la bobina transmisora y la bobina receptora; Los cuatro diodos rectificadores D D 1 4 ~ juntos forman un circuito rectificador no controlado de puente completo, que rectifica la CA recibida.
Figura 1. Diagrama de estructura del sistema.
El modelo de circuito del sistema de transferencia de potencia inalámbrica con red de compensación SS
se muestra en la Figura 2. Entre ellos, Ud
es la fuente de voltaje de CC de entrada; Q1 ∼ Q4 es el
cuatro tubos de conmutación MOSFET de potencia que constituyen un inversor de puente completo y convierten
la entrada de alimentación de CC a la alimentación de CA; LP y LS son la auto-inductancia de la bobina de transmisión del sistema y la bobina receptora, respectivamente, y las resistencias internas de la bobina correspondientes
son RLP y RLS, respectivamente; CP y CS son los condensadores de compensación en serie del
transmisión de bobina y bobina receptora, respectivamente; M es la inductancia mutua entre
la bobina de transmisión y la bobina receptora; los cuatro diodos rectificadores D1 ∼ D4 juntos
formar un circuito rectificador no controlado de puente completo, que rectifica la alimentación de CA recibida en
Energía DC; CF es el condensador de filtro de salida, y RL es la carga equivalente; iin, ip, y son son
la corriente de salida del inversor, la corriente de la bobina transmisora y la corriente del
Recibir bobina, respectivamente.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 4 de 20 potencia en potencia de DC; FQ
es el condensador del filtro de salida, y RL
es el equivalei i,
pag
yo y
s
Yo es la corriente de salida del inversor, la corriente de la transmisión y la corriente de la bobina receptora, respectivamente.
Figura 2. Sistema de transferencia de potencia inalámbrica con red de compensación SS.
Para facilitar un análisis de las características operativas de la circuogía, se realiza la siguiente aproximación: en el sistema real, el funcionamiento en resistencia y el diodo son mucho más pequeños que la resistencia interna de la bobina, la resistencia del Mosfet y el diodo se ignora. El voltaje de salida del inversor de puente es equivalente al valor efectivo del voltaje fundamental, con los componentes armónicos de alta frecuencia, y de acuerdo con la serie de Fourier, el valor de la onda fundamental se puede obtener como U U en 2 2 / ; Supongo que el condensador de filtro de salida es grande y el voltaje de salida es constante, el rectificante en el receptor puede ser equivalente a una carga resistiva pura 2
R R y L / 8 . El modelo de circuito de talento obtenido después de la aproximación se muestra en la Figura 3A. Sea la frecuencia swangular del inversor , la impedancia total del circuito receptor y la impedancia reflejada del receptor al transmisor sea Z r
. Los no están disponibles en el modelo se resumen en la Tabla 1. Los circuitos equivalentes de la traía y el receptor del sistema se puede representar como se muestra en la Figura 3b, c, respetable 1. notación.
Descripción de la notación
Valor rms del voltaje de entrada
Lp
, Ls auto-inductancia de cada bobina
CP
, Capacitancia de compensación de CS para cada lado
Frecuencia de transmisión
M Inductancia mutua
Carga equivalente
Z s impedancia total del receptor
Z r reflejó la impedancia del receptor
Zin Impedancia de entrada total
pag
I
,
s
I
Corriente de bobina en transmisión y receptor
U o
Voltaje de salida
Ganancia de voltaje de salida de GV
Figura 2. Sistema de transferencia de potencia inalámbrica con red de compensación SS.
Para facilitar un análisis de las características operativas de la topología del circuito,
Se realiza la siguiente aproximación: en el sistema real, la resistencia del MOSFET
y el diodo es mucho más pequeño que la resistencia interna de la bobina utilizada, por lo que se ignora la información del MOSFET y el diodo. El voltaje de salida del puente completo.
El inversor es equivalente al valor efectivo del voltaje fundamental, ignorando los componentes armónicos de alta frecuencia, y de acuerdo con la serie de Fourier, el valor efectivo de
La onda fundamental se puede obtener como uin =
2
√
2/π
Ud
; suponiendo que la salida
El condensador del filtro es grande y el voltaje de salida es constante, el circuito del filtro rectificador en el
El receptor puede ser equivalente a una carga resistiva pura re = π
2RL/8. El circuito equivalente
El modelo obtenido después de la aproximación se muestra en la Figura 3A. Deje que el cambio angular
frecuencia del inversor sea ω, la impedancia total del circuito receptor sea Zs
, y el
impedancia reflejada del receptor al transmisor sea Zr
. Las anotaciones involucradas en
El modelo se resume en la Tabla 1. Los circuitos equivalentes del transmisor y el
El receptor del sistema se puede representar como se muestra en la Figura 3b, c, respectivamente:
Arkansas. Ciencia. Ing. 2023, 11, x para la revisión por pares 5 de 21
(a)
(b) (C)
Figura 3. Sistema inalámbrico de transferencia de energía con red de compensación SS: (a) circuito equivalente
modelo; (b) circuito equivalente del transmisor; (c) circuito equivalente del receptor.
Durante el proceso de trabajo del circuito, para reducir la potencia reactiva en el proceso de transmisión y mejorar la eficiencia de la transmisión, es necesario configurar el
sistema para alcanzar un estado de resonancia. Entre ellos, la inductancia de la bobina L p
y capacitancia
CP
forman un circuito resonante en el transmisor. En el receptor, la inductancia de la bobina Ls
y
capacitancia Cs
Forman un circuito resonante, y los dos circuitos resonantes tienen la misma frecuencia de resonancia, que tiene la siguiente relación:
1
pag
l
C
Figura 3. Sistema inalámbrico de transferencia de energía con red de compensación SS: (a) modelo de circuito equivalente;
(b) circuito equivalente del transmisor; (c) circuito equivalente del receptor.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 5 de 20
Tabla 1. Notación.
Descripción de la notación
Valor RMS Uin del voltaje de entrada
Lp, Ls Autoinductancia de cada bobina.
CP, Capacitancia de compensación de CS para cada lado
ω Frecuencia de transmisión
M Inductancia mutua
Carga equivalente
Zs Impedancia total del receptor
Zr Impedancia reflejada del receptor
Zin Impedancia de entrada total
.
I P,
.
Es corriente de bobina en transmisor y receptor
.
Tensión de salida
Ganancia de voltaje de salida de GV
Durante el proceso de trabajo del circuito, para reducir la potencia reactiva en el proceso de transmisión y mejorar la eficiencia de la transmisión, es necesario configurar el sistema.
alcanzar un estado de resonancia. Entre ellos, la inductancia de la bobina Lp y la capacitancia Cp forman una
circuito resonante en el transmisor. En el receptor, la inductancia de la bobina LS y la capacitancia CS
formar un circuito resonante, y los dos circuitos resonantes tienen la misma frecuencia resonante,
que tiene la siguiente relación:
(
ωLp = 1
ωCp
ωLS = 1
ωcs
(1)
La impedancia total Zs del receptor, la impedancia reflejada Zr del receptor a
el transmisor, y la impedancia de entrada total Zin se puede expresar de la siguiente manera:
Zs = rls + re
Zr =
(Ωm)
2
RLS+RE
Zin = RLp +
(ωM)
2
RLS+RE
(2)
En el proceso de transmisión de energía inalámbrica, para obtener una alta transmisión
capacidad, es necesario configurar una bobina con un factor de alta calidad y un pequeño interno
resistencia. Al ignorar la resistencia interna en la bobina, se puede expresar la fórmula
como sigue:
Zs = Re
Zr =
(ωM)
2
Re
Zin =
(ωM)
2
Re
(3)
Las expresiones para las corrientes de bobina en el transmisor y el receptor se pueden expresar
como sigue:
.
yo p =
.
Uinre
(ωM)
2
.
es =
j
.
Uin
Ωm
(4)
El voltaje de salida del sistema se puede expresar de la siguiente manera:
.
Uo =
.
EsRe =
j
.
UinRe
ωM
(5)
La ganancia de voltaje de salida se puede expresar de la siguiente manera:
Gv(ω) =
.
Uo
.
Uin
=
jRe
ωM
(6)
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 6 de 20
De acuerdo con la derivación y el análisis anteriores, se puede concluir que la tecnología inalámbrica
El sistema de transmisión de energía de la red de compensación de resonancia tipo SS tiene las siguientes características: (1) Cuando se trabaja a la frecuencia resonante, la corriente de salida en el
receptor es
solo está relacionado con el voltaje de entrada del sistema Uin y tiene una característica de salida
independiente de la carga. Puede realizar una salida de corriente constante sin agregar más
circuitos de control y no se ve afectado por cambios de carga. (2) La expresión del resonante.
capacitancia Cp = 1
ω2Lp
en el transmisor no tiene nada que ver con la inductancia mutua
M y la carga Re
. Cuando el impacto del flujo de agua causa dislocación entre los
acopladores, el cambio en los parámetros no afectará el estado de resonancia del transmisor.
(3) La parte imaginaria de la impedancia reflejada Zr
es cero, el voltaje de entrada Uin y
la corriente de entrada (corriente de la bobina transmisora) Ip tiene la misma fase, el sistema tiene una unidad
característica de entrada del factor de potencia y la potencia reactiva es baja.
Se puede observar que el sistema inalámbrico de transmisión de energía del tipo SS resonante
La red de compensación tiene ciertas ventajas cuando se aplica al suministro de energía de
Equipo submarino. Si bien tiene una alta eficiencia, también tiene una estabilidad específica bajo las condiciones
condición de interferencia de dislocación en el medio ambiente. Cabe señalar que sin carga
en el receptor no está permitido en el sistema de topología SS. Se puede ver en la Fórmula (4)
que cuando la inductancia mutua entre las dos bobinas se acerca a cero, la corriente de la bobina
en el transmisor se acercará al infinito y aumentará rápidamente. La corriente alta provocará que el circuito
daño. Por lo tanto, en el proceso de diseño del sistema real, se debe tener cuidado de
Evite que no haya carga en el receptor y el programa de software debe configurarse para detener el convertidor.
en el transmisor cuando se detecta que la corriente es demasiado alta.
3. Análisis del rendimiento del sistema
3.1. Análisis de la capacidad de salida del sistema en el aire
Para sistemas inalámbricos de transmisión de energía, potencia de salida y eficiencia de transmisión.
son indicadores esenciales para evaluar las capacidades de salida del sistema. En el aire terrestre habitual.
entorno de transmisión, la salida t potencia y eficiencia de transmisión de la red inalámbrica
El sistema de transmisión de energía está relacionado principalmente con el coeficiente de acoplamiento, la transmisión.
distancia, frecuencia de resonancia e impedancia en los componentes de la bobina y del circuito, y la
El aire entre los acopladores como medio de transmisión tiene poco efecto en la transmisión.
eficiencia. La diferencia es que, como medio de transmisión, el agua de mar tiene una relación relativa mayor.
permitividad y mayor conductividad eléctrica que el aire, y la pérdida generada durante la
La transmisión no se puede ignorar. Esta sección primero calcula y analiza el sistema
potencia de salida y eficiencia de transmisión en el aire, lo que proporciona una base para el análisis
de la capacidad de salida en el agua de mar en la siguiente sección.
En el aire, la potencia de salida se puede expresar de la siguiente manera:
puchero_aire =
U2
oh
Re
=
jωM
.
UinRe
RLp(RLs + Re) + (ωM)
2
2
1
Re
(7)
La potencia de entrada total del sistema se puede expresar de la siguiente manera:
Pin_total =
U2
en
|Zin|
=
U2
en
RLp +
(ωM)
2
RL+Re
(8)
Entre ellos, excepto la parte de la potencia total de entrada que se convierte en
energía compartida por la carga, la parte restante se convierte en la pérdida de energía en la
circuito y la pérdida de potencia en la bobina. Entonces, la eficiencia de transmisión se puede expresar.
como sigue:
ηaire =
puchero_air
Pin_total
=
ω2M2Re
RLp + Re
ω2M2 + R
2
Lp + RLpRe
× 100% (9
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 7 de 20
A continuación, se analiza la relación de varias variables importantes: resistencia a la carga,
frecuencia resonante a potencia de salida y eficiencia de transferencia, se analiza para una conexión inalámbrica
Sistema de transferencia de energía con un acoplador electromagnético definido. Basado en la transmisión
nivel de potencia de este diseño y en referencia a la experiencia en diseño de hardware, lo siguiente
Los parámetros se configuran de la siguiente manera: Lp = Ls = 8,7 µH, RLp = RLs = 0,1Ω, Ud = 24 V.
Bajo varios grupos de diferentes frecuencias resonantes f, la potencia de salida Pout
y la eficiencia de transmisión η varían con la resistencia de carga Re
, como se muestra en la Figura 4a,b
(M = 6 µH). Se puede observar que, para cualquier frecuencia resonante, la potencia de salida tiene una
tendencia a aumentar primero para alcanzar el valor máximo y luego disminuir con el aumento de
la carga. Sin embargo, los valores de carga óptimos correspondientes son diferentes bajo diferentes
frecuencias, y las frecuencias resonantes más bajas corresponden a valores de carga óptimos más bajos.
Para la eficiencia de transmisión, las curvas en diferentes frecuencias de resonancia alcanzan rápidamente
el valor máximo y luego disminuir lentamente con el aumento de la carga, donde un mayor
La frecuencia de resonancia corresponde a una mayor eficiencia de transmisión. Cabe resaltar que
los valores de carga óptimos correspondientes a la potencia de salida y la eficiencia de transmisión en
la misma frecuencia resonante no están en el mismo rango, lo que demuestra que un sistema no puede
satisfacer la máxima potencia de salida y eficiencia de transmisión simultáneamente. La carga
El valor debe seleccionarse de acuerdo con la preferencia por los dos indicadores.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, x PARA REVISIÓN POR PARES 8 de 21
(a) (b)
(cd)
(e) (f)
Figura 4. Tendencias de la potencia de salida y la eficiencia de transmisión en función de los parámetros del sistema:
(a) potencia de salida versus carga para diferentes frecuencias de resonancia; (b) eficiencia de transmisión versus
carga para diferentes frecuencias de resonancia; (c) potencia de salida versus frecuencia de resonancia para diferentes
cargas; (d) eficiencia de transmisión versus frecuencia de resonancia para diferentes cargas; (e) potencia de salida
versus frecuencia de resonancia para diferentes coeficientes de acoplamiento; (f) eficiencia de transmisión versus frecuencia de resonancia para diferentes coeficientes de acoplamiento.
Bajo varios grupos de diferentes valores de resistencia de carga Re
, la potencia de salida Pout
y la eficiencia de transmisión varía con la frecuencia de resonancia f, como se muestra en la Figura 4c,d (MH 6). Se puede ver que la potencia de salida se curva primero bajo diferentes cargas.
sube hasta el punto más alto y luego disminuye con el aumento de la frecuencia de resonancia.
La frecuencia óptima correspondiente a la carga más baja es menor, pero la salida máxima
El valor de potencia que se puede alcanzar bajo diferentes cargas es el mismo. Para la eficiencia de transmisión, todas las curvas bajo diferentes cargas tienen una tendencia ascendente con el aumento en la
frecuencia de resonancia y la carga con el valor de resistencia más bajo en varios grupos de
las cargas pueden obtener una mayor eficiencia de transmisión para el mismo sistema con otro parámetro Figura 4. Tendencias de la potencia de salida y la eficiencia de transmisión en función de los parámetros del sistema:
(a) potencia de salida versus carga para diferentes frecuencias de resonancia; (b) eficiencia de transmisión versus
carga para diferentes frecuencias de resonancia; (c) potencia de salida versus frecuencia de resonancia para diferentes
cargas; (d) eficiencia de transmisión versus frecuencia de resonancia para diferentes cargas; (e) potencia de salida
versus frecuencia de resonancia para diferentes coeficientes de acoplamiento; (f) eficiencia de transmisión versus
frecuencia de resonancia para diferentes coeficientes de acoplamiento.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 8 de 20
Bajo varios grupos s de diferentes valores de resistencia de carga re
, el puchero de potencia de salida y
la eficiencia de transmisión η varía con la frecuencia resonante f, como se muestra en la Figura 4c,d
(M = 6 µH). Se puede ver que la potencia de salida se curva bajo diferentes cargas primero sube
al punto más alto y luego disminuye con el aumento de la frecuencia de resonancia. El
La frecuencia óptima correspondiente a la carga más baja es menor, pero la salida máxima
El valor de potencia que se puede alcanzar bajo diferentes cargas es el mismo. Para transmisión
Eficiencia, las curvas bajo diferentes cargas tienen una tendencia creciente con el aumento en el
frecuencia de resonancia y la carga con el valor de resistencia más bajo en varios grupos de
Las cargas pueden obtener una mayor eficiencia de transmisión. Para el mismo sistema con otros parámetros
Fijo, el valor óptimo de frecuencia de resonancia de la potencia de salida y la eficiencia de transmisión.
no puede tomar el mismo valor. Se puede ver que, cuando la potencia de salida en la Figura 4C alcanza
el valor más alto, la eficiencia de transmisión a esta frecuencia en la Figura 4d aún no ha sido
alcanzado alcanzar el valor óptimo. Por lo tanto, se debe brindar atención y consideración integrales.
tomar al seleccionar la frecuencia del sistema, es decir, para garantizar una determinada capacidad de salida
Y al mismo tiempo, deje que el sistema funcione con una mejor eficiencia de transmisión.
Bajo varios grupos de diferentes coeficientes de acoplamiento k, el puchero de potencia de salida y
La eficiencia de transmisión η varía con la frecuencia de resonancia f, como se muestra en la Figura 4e,f.
(Re = 20Ω). El tamaño del coeficiente de acoplamiento está relacionado con el grado de acoplamiento inductivo
del sistema, y cuanto mayor es el coeficiente de acoplamiento, más fuerte es la capacidad de transmisión
del sistema. Se puede ver en la Figura 4e que la curva de potencia de salida correspondiente
al coeficiente de acoplamiento más alto primero alcanza el valor máximo, mientras que la curva
correspondiente al coeficiente de acoplamiento más bajo puede alcanzar la misma potencia de salida máxima
A través de la compensación de alta frecuencia de resonancia. Se puede ver en la Figura 4f que el
mayor es el coeficiente de acoplamiento del sistema, mayor es la transmisión correspondiente
eficiencia, lo que también verifica que cuanto mejor sea el grado de acoplamiento inductivo, menos
fuga de flujo magnético entre acopladores y menor pérdida generada.
El análisis anterior muestra que la potencia de salida y la eficiencia de salida pueden alcanzar
valores ideales bajo ciertas condiciones bajo la configuración de la resistencia de carga, resonancia
frecuencia y coeficiente de acoplamiento. Sin embargo, al mismo tiempo, cada parámetro no puede
cumplir con la solución óptima de potencia y eficiencia simultáneamente, y los parámetros
Debe determinarse razonablemente de acuerdo con el índice de rendimiento del sistema. Lo anterior
El análisis ha sentado las bases para el análisis posterior de rendimiento en el agua de mar y
es una base esencial para diseñar el circuito de hardware del sistema.
3.2. Análisis de la capacidad de salida del sistema en agua de mar
En el agua de mar, los parámetros eléctricos del agua de mar como medio de transmisión son bastante
diferentes de los del aire, manifestados específicamente por tener una permitividad relativa mayor
(εr = 81) y mayor conductividad (σ = 4s/m). Durante el proceso de trabajo del sistema, el
El campo magnético alterno de alta frecuencia formado entre las bobinas del acoplador
inducir un campo eléctrico de Eddy en el agua de mar, lo que causará pérdida de corriente de Eddy y reducirá
Eficiencia de transmisión. Por lo tanto, es necesario calcular y analizar la pérdida de energía
generado en el agua de mar.
El modelo equivalente del sistema en el aire se muestra en la Figura 3, y la transmisión
El modelo en el agua de mar puede basarse en el modelo equivalente en el aire y mejorar según
las características del agua de mar. En el ambiente aéreo, la pérdida del sistema proviene de
la impedancia en el circuito que consume energía eléctrica, que se convierte en calor
pérdida. La pérdida de corriente de Eddy en el agua de mar también proviene de la inducción de la energía eléctrica
convertido en calor, por lo que el agua de mar puede considerarse como un circuito con impedancia específica
Características, equivalente al circuito del sistema, como se muestra en la Figura 5.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 9 de 20 El modelo en agua de mar puede basarse en el modelo equivalente en el aire y mejorar las características del agua de mar. En el entorno del aire, la pérdida del sistema de la impedancia en el circuito que consume energía eléctrica, que es la pérdida de converheat. La pérdida de corrientes parásitas en el agua de mar también proviene de la inducción de eleergía convertida en calor, por lo que el agua de mar puede considerarse como un circuito con características específicas, equivalente al circuito del sistema, como se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Modelo de transporte equivalente en el medio ambiente del agua de mar.
Re
, ce
, le
son resistencia equivalente, capacitancia equivalente y equivaductancia, respectivamente, constituyendo la impedancia equivalente z e
de agua de agua de mar. En este momento, los nuevos valores de inductancia '
L1
y '
L 2
de la bobina puede ser equivalente
, L l l l l l p p e s e Figura 5. Modelo de transporte equivalente en el medio ambiente del agua de mar. Re
, ce
, Le son resistencia equivalente, capacitancia equivalente e inductancia equivalente,
respectivamente, constituyendo la impedancia equivalente Ze del agua de mar en el circuito. En esto
tiempo, los nuevos valores de inductancia L
0
1
y yo
0
2
de la bobina puede ser equivalente a
l
0
p = Lp k Le
, l
0
s = Ls k Le (10)
El modelo de transferencia equivalente se puede expresar de la siguiente manera:
Uin =
jωL
0
pag +
1
jωCe
ip + yo
0
pag
RLp + Re
− jωM0
es (11)
jωM0
ip = Usalida +
jωL
0
s +
1
jωCe
es + yo
0
s
(RL + Re) (12)
Para facilitar el análisis, la suma de la resistencia equivalente del agua de mar y la
La resistencia interna de la bobina es equivalente a la nueva resistencia interna de la bobina, y la
La fórmula anterior se puede simplificar de la siguiente manera:
Uin = jω
l
0
pag-
1
ω2Ce
ip + yo
0
PR
0 − jωM0
es (13)
jωM0
ip = Usal + jω
l
0
s-
1
ω2Ce
es + yo
0
sR
0
(14)
En comparación con el modelo de transporte equivalente en el aire, el modelo de transporte equivalente
en agua de mar tiene la misma forma de expresión, pero el tamaño del parámetro ha cambiado. Por lo tanto,
en el proceso de análisis de la transmisión de energía inalámbrica submarina, el análisis del agua de mar
Se pueden agregar características del medio según la teoría de la transmisión de energía inalámbrica.
en el aire.
En el proceso de transmisión de energía submarina, la pérdida de energía generada en el
El circuito y la bobina son los mismos que en el aire, y lo que se agrega es la pérdida por corrientes parásitas.
generado por el campo magnético alterno en el agua de mar. La potencia de salida del sistema.
puede expresarse como la diferencia entre la potencia de salida en el ambiente del aire y
la potencia de pérdida de corrientes parásitas:
Psalida_agua de mar = Pin_total − Pcircuitos − Pbobinas − Peddy = Psalida_aire − Peddy (15)
Refiriéndose a la expresión de la eficiencia de transmisión en un ambiente aéreo, la eficiencia de transmisión en un ambiente de agua de mar se puede expresar de la siguiente manera:
ηagua de mar =
Poutput_air − Peddy
Pin_total
× 100% = ηaire −
Peddy
Pin_total
× 100% (16)
Se puede observar que la eficiencia de transmisión en el agua de mar está determinada por la eficiencia de transmisión en el aire y la pérdida por corrientes parásitas generadas por el agua de mar. en el anterior
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 10 de 20
sección, se analizó la eficiencia de transmisión del sistema de aire y las corrientes parásitas
La pérdida se calculará a continuación.
Cuando la estación base carga de forma inalámbrica equipos submarinos, la energía inalámbrica
El sistema de transferencia está instalado en un dispositivo de acoplamiento cilíndrico sellado, y la brecha de agua de mar
entre los dos acopladores tiene una forma cercana a la de un cilindro [15]. La brecha de agua de mar entre
El acoplador magnético es equivalente al área cilíndrica que se muestra en la Figura 6, los centros de
las dos bobinas circulares con una distancia de separación h están en el mismo eje y las corrientes que fluyen
a través de la bobina transmisora y la bobina receptora son Ip e Is
, respectivamente. Bajo esto
En el modelo, el campo magnético Hz generado en el agua de mar satisface la ecuación de campo de las corrientes parásitas:
jωμHz =
∂
2Hz
∂x
2
=k
2Hz (17)
sinh o
zav
B
B kr
rk
Sea n el número de vueltas de la bobina y Bo
¿Pueden ser vectores de intensidad de inducción magnética generados por las corrientes de dos bobinas?
1 2 21 2 1, ,
2 2 o
nyo nyo
B B B B B
r r
De acuerdo con las Fórmulas (18)–(20) para simular la corriente parásita del acoplador magnético, sea el radio de la bobina r cm 5 y el nuFigura 6. Diagrama esquemático de pérdida por corrientes parásitas.
La Figura 7a muestra la variación en la pérdida por corrientes parásitas en el agua de mar con la frecuencia del sistema bajo diferentes corrientes de transmisión en el transmisor y el receptor son iguales ( 1 2 I I A 5 ). La pérdida de corriente se correlaciona positivamente con la distancia de transmisión y cuanto mayor es la distancia de transmisión, mayor es la potencia, a medida que aumenta la frecuencia del sistema, la pérdida por corrientes parásitas en las distancias de transmisión. Cuando la frecuencia del sistema excede la pérdida actual causada por todas las distancias de transmisión aumentará expFigura 6. Diagrama esquemático de pérdida por corrientes parásitas.
La pérdida de potencia generada por la corriente parásita en el área del cilindro entre los dos
Las bobinas se pueden aproximar mediante la fórmula (18):
Peddy ≈
2ω2
|Bzav|
2πhr4σ
3
(18)
Entre ellos, ω es la frecuencia angular de funcionamiento del sistema; h es la transmisión
distancia entre las dos bobinas; r es el radio de la bobina; Bzav es el valor medio de la
inducción magnética a lo largo de la sección, que se puede expresar mediante la Fórmula (19):
Bzav =
Bo
rk sinh kr (19)
Sea n el número de vueltas de la bobina y Bo se puede estimar sumando
vectores de intensidad de inducción magnética generados por las corrientes I1 e I2 que fluyen en el
dos bobinas:
B1 =
µnI1
2r
, B2 =
µnI2
2r
, Bo =
q
B
2
1 + B
2
2
(20)
De acuerdo con las Fórmulas (18) a (20) para simular la pérdida de corrientes parásitas entre las bobinas de
el acoplador magnético, sea el radio de la bobina r = 5 cm y el número de vueltas n = 15.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 11 de 20
La Figura 7a muestra la variación en la pérdida por corrientes parásitas generada por el acoplador en
agua de mar con la frecuencia del sistema bajo diferentes distancias de transmisión cuando la bobina
las corrientes en el transmisor y el receptor son iguales (I1 = I2 = 5A). Se puede observar que el
corrientes de Foucault ss está correlacionado positivamente con la distancia de transmisión entre los dos
bobinas, y cuanto mayor sea la distancia de transmisión, mayor será la pérdida de potencia. En el
Al mismo tiempo, a medida que aumenta la frecuencia del sistema, la pérdida por corrientes parásitas aumenta rápidamente en
diferentes distancias de transmisión. Cuando la frecuencia del sistema excede aproximadamente 100 kHz, el
La pérdida por corrientes parásitas causada por todas las distancias de transmisión aumentará exponencialmente.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, x PARA REVISIÓN POR PARES 12 de 21
(a) (b)
Figura 7. Tendencias de la variación de la pérdida por corrientes parásitas con los parámetros del sistema: (a) pérdida por corrientes parásitas versus
frecuencia para diferentes distancias de transmisión; (b) pérdida por corrientes parásitas versus frecuencia para diferentes
corrientes de bobina.
La Figura 7b muestra que la pérdida por corrientes parásitas cambia con la frecuencia del sistema cuando
la distancia de transmisión entre las bobinas del acoplador es fija ( h 5 mm ) y la corriente de la bobina ( 1 2 I I I ) cambia. Se puede observar que la pérdida por corrientes parásitas está correlacionada positivamente.
con la magnitud de la corriente que fluye en la bobina; cuanto mayor es la corriente, mayor
mayor será la intensidad del campo eléctrico excitado y mayor será la pérdida de potencia. cuando la corriente
en la bobina I A 5, la pérdida por corrientes parásitas será mayor que antes cuando la frecuencia del sistema exceda los 150 kHz, y la pérdida de potencia máxima no excederá los 30 W cuando la
La frecuencia del sistema está dentro de los 200 kHz. Cuando la corriente de la bobina I A 5, la pérdida por corrientes parásitas
se duplica cuando la frecuencia del sistema está cerca de 100 kHz. Cuando la corriente de la bobina I A 15,
la curva de pérdida de potencia correspondiente es significativamente mayor que las otras curvas. Cuando
la frecuencia del sistema es de 150 kHz, el valor teórico de la pérdida por corrientes parásitas alcanza aproximadamente
80 vatios.
El análisis anterior muestra que la distancia entre el acoplador y el operador
La corriente de la bobina tendrá un mayor impacto en la pérdida por corrientes parásitas. En el funcionamiento real del sistema, para reducir la pérdida de energía causada por corrientes parásitas, el exceso
Se debe evitar el espaciado del acoplador. En el análisis de la inductancia mutua de acopladores.
mencionado anteriormente, un espaciado excesivamente alto reducirá la inductancia mutua entre
acopladores. Por otro lado, una corriente de bobina más alta generará una corriente alterna más fuerte.
campo magnético, lo que resulta en una mayor capacidad de transmisión. Sin embargo, al mismo tiempo,
También generará una mayor pérdida por corrientes parásitas, por lo que este parámetro debe establecerse de manera razonable.
Combinado con el método de cálculo de la eficiencia de transmisión en el aire y el
Método de cálculo de la pérdida por corrientes parásitas, la eficiencia de transmisión bajo diferentes
Las frecuencias de resonancia y los valores de resistencia de carga en el agua de mar se calculan como referencia para seleccionar los parámetros óptimos. Los resultados del cálculo de la eficiencia de transmisión en agua de mar se muestran en la Figura 8.
Figura 7. Tendencias de la variación de la pérdida por corrientes parásitas con los parámetros del sistema: (a) pérdida por corrientes parásitas versus
frecuencia para diferentes distancias de transmisión; (b) pérdida por corrientes parásitas versus frecuencia para diferentes
corrientes de bobina.
La Figura 7b muestra que la pérdida por corrientes parásitas cambia con la frecuencia del sistema cuando
la distancia de transmisión entre las bobinas del acoplador es fija (h = 5 mm) y la corriente de la bobina
(I1 = I2 = I) cambia. Se puede observar que la pérdida por corrientes parásitas está correlacionada positivamente.
con la magnitud de la corriente que fluye en la bobina; cuanto mayor sea la corriente, mayor
mayor será la intensidad del campo eléctrico excitado y mayor será la pérdida de potencia. cuando la corriente
en la bobina I ≤ 5A, la pérdida de corriente parásita será mayor que antes cuando el sistema
La frecuencia supera los 150 kHz y la pérdida máxima de potencia no excederá los 30 W cuando el
La frecuencia del sistema está dentro de los 200 kHz. Cuando la corriente de la bobina I > 5A, la pérdida por corrientes parásitas
se duplica cuando la frecuencia del sistema está cerca de 100 kHz. Cuando la corriente de la bobina I = 15A, el
La curva de pérdida de potencia correspondiente es significativamente mayor que las otras curvas. Cuando el
La frecuencia del sistema es de 150 kHz, el valor teórico de la pérdida por corrientes parásitas alcanza aproximadamente 80 W.
El análisis anterior muestra que la distancia entre el acoplador y el operador
La corriente de la bobina tendrá un mayor impacto en la pérdida por corrientes parásitas. En la operación real
del sistema, para reducir la pérdida de energía causada por corrientes parásitas, acoplador excesivo
Se debe evitar el espaciamiento. En el análisis de la inductancia mutua de los acopladores mencionados.
Como se indicó anteriormente, un espaciado excesivamente alto reducirá la inductancia mutua entre los acopladores. En
por otro lado, una corriente de bobina más alta generará un campo magnético alterno más fuerte,
lo que resulta en una mayor capacidad de transmisión. Sin embargo, al mismo tiempo, también generará
una mayor pérdida por corrientes parásitas, por lo que este parámetro debe establecerse de manera razonable. Combinado con el
método de cálculo de la eficiencia de transmisión en el aire y el método de cálculo de
la pérdida por corrientes parásitas, la eficiencia de transmisión bajo diferentes frecuencias de resonancia y
Los valores de resistencia de carga en el agua de mar se calculan como referencia para seleccionar el óptimo.
parámetros. el calculo Los resultados de la eficiencia de transmisión en agua de mar se muestran en
Figura 8.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 12 de 20 Combinado con el método de cálculo de la eficiencia de transmisión en el aire y el método de cálculo de la pérdida por corrientes parásitas, la eficiencia de transmisión bajo frecuencias de resonancia y valores de resistencia de carga en el agua de mar se calcula como factor para seleccionar los parámetros óptimos. . Los resultados del cálculo de la transmisividad en agua de mar se muestran en la Figura 8.
Figura 8.
Figura 8. Eficiencia de transmisión versus frecuencia para diferentes cargas en agua de mar.
Eficiencia de transmisión versus frecuencia para diferentes cargas en agua de mar.
En términos generales, la eficiencia de transmisión del sistema en agua de mar aumentará
con la frecuencia de resonancia y luego disminuir lentamente. La disminución de la eficiencia se debe principalmente
debido a la acción conjunta de la pérdida de potencia del circuito y la pérdida por corrientes parásitas del agua de mar a altas frecuencias. Bajo diferentes cargas, los puntos de frecuencia resonante para que el sistema logre un nivel óptimo
La eficiencia de transmisión es diferente. Se puede ver en la Figura 8 que cuando el resonante
La frecuencia está entre 80 kHz y 120 kHz, la eficiencia de transmisión bajo cada carga
alcanza el valor máximo. Según el nivel de potencia de salida y el circuito de hardware.
experiencia de diseño, este artículo elige 85 kHz como la frecuencia de resonancia del sistema,
lo que puede lograr una mayor eficiencia de transmisión bajo diferentes cargas.
4. Diseño y optimización de la estructura del acoplador magnético
Las bobinas acopladoras para la transmisión de energía inalámbrica se pueden dividir en bobinas planas y
Bobinas de solenoide coaxiales. La distribución del campo magnético de la bobina plana está concentrada,
el área relativa entre las bobinas es relativamente grande, la capacidad de transmisión es fuerte,
y el espesor de la estructura de la bobina es delgado, lo que puede miniaturizarse mediante diseño [16].
El campo magnético interno de la bobina del solenoide coaxial es fuerte, el campo magnético externo
es débil, la distancia de transmisión es corta, el coeficiente de acoplamiento es relativamente alto y
Se permite la rotación relativa entre las dos bobinas. Es adecuado para la energía inalámbrica.
Sistema de transmisión donde el transmisor y el receptor generan una rotación relativa. El
La aplicación en este documento requiere una mayor capacidad de transmisión y distancia. No es asi
Es necesario considerar el problema de la rotación entre dispositivos, por lo que la solución de bobina plana es
seleccionado. Además, se seleccionan 200 hilos de alambre Litz con un diámetro de 2 mm como material
alambre de bobina para bobinado. No se ve afectado significativamente por el efecto de la piel y la proximidad.
efecto, y la capacidad de flujo actual alcanza 7,85 A; La tensión soportada es de 4000 V. Puede
utilizarse de forma segura según los requisitos del sistema de este documento.
El diseño del núcleo magnético está relacionado con muchos factores, como la calidad del equipo.
estructura de acoplamiento, el volumen del mecanismo de acoplamiento y los requisitos de potencia de transmisión. Este documento adopta una estructura de núcleo magnético tipo recipiente para escenarios de aplicaciones submarinas, que puede facilitar el acoplamiento y la fijación bajo el agua del acoplamiento.
mecanismo. Esta estructura tiene buenas características de blindaje electromagnético, puede reducir
Fuga de flujo magnético y mejora el coeficiente de acoplamiento entre bobinas. el magnético
El material del núcleo adopta ferrita de manganeso y zinc PC95, que tiene las características de alta
permeabilidad magnética, alta resistividad y baja pérdida por histéresis. Un diagrama de estructura 3D
del núcleo magnético se muestra en la Figura 9a. Establecer el modelo 3D del núcleo del acoplador.
y bobina en el software de elementos finitos como se muestra en la Figura 9b y analiza el rendimiento
del acoplador. Seleccione el campo de corrientes parásitas como tipo de solucionador, ferrita como material del núcleo,
cobre como material de la bobina, vacío como material de la región periférica y condición del globo
como condición de frontera. Para simular el efecto real producido por el Litz
línea, el tipo de bobinado es trenzado y se agrega una excitación por vuelta de 125 amperios a la
bobina transmisora. La cuadrícula adopta una subdivisión autoadaptativa y se selecciona la longitud de la cuadrícula
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 13 de 20
como de longitud media. La vista frontal y la vista superior de la inducción magnética del acoplador.
se muestran en la Figura 10a,b, respectivamente.
Según los resultados de la simulación, se puede observar que, debido a la estructura cerrada del
Núcleo de olla, el campo magnético espacial se distribuye principalmente dentro del acoplador y se concentra
en el eje central del devanado de la bobina en el transmisor y el receptor. Por lo tanto, la
El campo magnético no causará interferencias electromagnéticas en equipos externos. Cuando el
Dos núcleos magnéticos están completamente alineados y el espacio de aire es pequeño, la fuga de espacio magnético
el flujo es mínimo y el acoplador tiene una alta capacidad de transmisión. En el caso de ingresar un
excitación significativa, el núcleo magnético no alcanza la saturación magnética, que cumple
los requisitos de transmisión de potencia de este documento.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, x PARA REVISIÓN POR PARES (a) (b)
Cifra 9. Modelos de núcleos acopladores: (a) diagrama de modelo 3D de núcleo magnético; (b) diagrama 3D del acoplador.
(a) (b)
Figura 10. Resultados de la simulación de elementos finitos: (a) vista frontal de la distribución de inducción magnética del acoplador; (b) vista superior de la distribución de intensidad de inducción magnética del acoplador.
Según los resultados de la simulación, se puede ver que, debido al núcleo de estructura cerrada, el campo magnético espacial se distribuye principalmente dentro del acoplador centrado en el eje central del devanado de la bobina en el transmisor y el receptor, por lo tanto, el campo magnético no causa interferencias electromagnéticas a equipos externos. Cuando los dos núcleos magnéticos están completamente alineados y el espacio de aire es pequeño, el flujo magnético de dispersión es mínimo y el acoplador tiene una alta capacidad de transmisión. Al introducir una excitación significativa, el núcleo magnético no alcanza la saturación magnética que cumple con los requisitos de transmisión de energía de este documento.
Cuando cambian las posiciones relativas de los dos extremos del acoplador, la inductancia acoplada y el coeficiente de acoplamiento cambiarán. Las Figuras 11a-c muestran cómo funciona el idtdliffiithiththilitditd. Figura 9. Modelos de núcleos acopladores: (a) diagrama del modelo 3D del núcleo magnético; (b) diagrama del modelo 3D del acoplador.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, x PARA REVISIÓN POR PARES 14 de 21
(a) (b)
Figura 9. Modelos de núcleos acopladores: (a) diagrama de modelo 3D de núcleo magnético; (b) modelo 3D del acoplador
diagrama.
(a) (b)
Figura 10. Resultados de la simulación de elementos finitos: (a) vista frontal de la intensidad de inducción magnética del acoplador
distribución; (b) vista superior de la distribución de intensidad de inducción magnética del acoplador.
Según los resultados de la simulación, se puede ver que, debido a la estructura cerrada de
En el núcleo del pote, el campo magnético espacial se distribuye principalmente dentro del acoplador y se concentra en el eje central del devanado de la bobina en el transmisor y el receptor. Por lo tanto, el campo magnético no provocará interferencias electromagnéticas en equipos externos.
Cuando los dos núcleos magnéticos están completamente alineados y el entrehierro es pequeño, el flujo magnético de fuga espacial es mínimo y el acoplador tiene una alta capacidad de transmisión. En el caso
de introducir una excitación significativa, el núcleo magnético no alcanza la saturación magnética,
que cumple con los requisitos de transmisión de potencia de este documento.
Cuando las posiciones relativas de los dos extremos del acoplador cambian, la inductancia mutua y el coeficiente de acoplamiento del acoplador cambiarán. Las figuras 11a-c muestran cómo la mutua
La inductancia y el coeficiente de acoplamiento cambian con la distancia y el ángulo de desalineación.
cuando el acoplador está desalineado lateral, vertical y angularmente. Ambos muestran una monótona tendencia a la baja. El acoplador tiene una alta tolerancia a la desalineación lateral. Cuando
Se produce una pequeña distancia de desalineación lateral, el coeficiente de acoplamiento y la inductancia mutua no cambiarán en un rango extenso, pero es más sensible a la vertical y
desalineación angular. Un pequeño rango de desalineación causará una caída significativa en la
coeficiente de acoplamiento e inductancia mutua Figura 10. Resultados de la simulación de elementos finitos: (a) vista frontal de la intensidad de inducción magnética del acoplador
distribución; (b) vista superior de la distribución de intensidad de inducción magnética del acoplador.
Cuando las posiciones relativas de los dos extremos del acoplador cambian, el acoplador
La inductancia mutua y el coeficiente de acoplamiento cambiarán. Las figuras 11a-c muestran cómo
La inductancia mutua y el coeficiente de acoplamiento cambian con la distancia de desalineación y
ángulo cuando el acoplador está desalineado lateral, vertical y angularmente. Ambos muestran una
monótona tendencia a la baja. El acoplador tiene una alta tolerancia a la desalineación lateral.
Cuando ocurre una pequeña distancia de desalineación lateral, el coeficiente de acoplamiento y el mutuo
La inductancia no cambiará en un rango extenso, pero es más sensible a las variaciones verticales y
desalineación angular. Un pequeño rango de desalineación causará una caída significativa en la
coeficiente de acoplamiento e inductancia mutua.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 14 de 20 x PARA REVISIÓN POR PARES 15 de 21
(a)
(b)
(C)
Figura 11. Efectos de la desalineación en diferentes direcciones sobre el coeficiente de acoplamiento y la inductancia mutua: (a) coeficiente de acoplamiento y la inductancia mutua versus la distancia de desalineación lateral; (b) coeficiente de acoplamiento e inductancia mutua versus distancia de desalineación vertical; (c) coeficiente de acoplamiento e inductancia mutua versus ángulo de desalineación.
5. Verificación experimental
Según el plan de diseño de este artículo, el prototipo y la plataforma experimental
obtenidos después de la fabricación se muestran en la Figura 12. En aplicaciones subacuáticas reales, el
La placa de circuito debe instalarse en una cámara cilíndrica resistente a la presión de aleación de titanio. Para facilitar la instalación y ahorrar espacio, la placa de circuito está diseñada como un
placa circular de 15 cm de diámetro, y a su alrededor se reservan orificios pasantes para su fijación.
Los parámetros de diseño del sistema se muestran en la Tabla 2.
Figura 11. Efectos de la desalineación en diferentes direcciones sobre el coeficiente de acoplamiento y la inductancia mutua: (a) coeficiente de acoplamiento a nd inductancia mutua versus distancia de desalineación lateral;
(b) coeficiente de acoplamiento e inductancia mutua versus distancia de desalineación vertical; (c) acoplamiento
coeficiente e inductancia mutua versus ángulo de desalineación.
5. Verificación experimental
Según el plan de diseño de este artículo, el prototipo y la plataforma experimental
obtenidos después de la fabricación se muestran en la Figura 12. En aplicaciones subacuáticas reales, el
La placa de circuito debe instalarse en una cámara cilíndrica resistente a la presión de aleación de titanio.
Para facilitar la instalación y ahorrar espacio, la placa de circuito está diseñada como una circular
placa con un diámetro de 15 cm, y a su alrededor se reservan orificios pasantes para su fijación. El
Los parámetros de diseño del sistema se muestran en la Tabla 2.
J. Mar. Ciencias. Ing. J. Mar. Ciencias. Ing. 2023 2023,,1111, 1699 , x PARA REVISIÓN POR PARES 1615 de 20 de 21
Figura 12. Los esquemas siguen la misma formación.
Tabla 2. Parámetros del sistema.
Descripción Parámetro Valor
Tensión CC de entrada / U V d 24
Autoinductancia de la bobina transmisora / L H p 34,26
Autoinductancia de la bobina receptora / L H s 34,29
Resistencia interna de la bobina transmisora / RLp 0,1
Resistencia interna de la bobina receptora / RL 0,1
Condensador de compensación en serie de la bobina transmisora / C F p 0,1
Condensador de compensación en serie de la bobina receptora / C F s 0,1
Vueltas de la bobina n 15
Radio de la bobina r/ mm 24,8
Distancia entre las bobinas h/ mm 1
Frecuencia de resonancia 0
f/khz 85
En el diseño del prototipo, el transmisor utiliza el chip controlador IRS2008 y MOSFET de alta velocidad para formar un inversor y un circuito controlador, y la señal de control es enviada por el
Microcontrolador STM32F103. El receptor utiliza un chip de rectificación síncrona.
IR1161LPBF y MOSFET para formar un circuito de rectificación síncrono, que reemplaza el
Circuito de rectificación de diodo tradicional y reduce la pérdida de energía causada por el voltaje.
caer sobre el diodo. La tensión CC de entrada se fija en 24 V, la carga electrónica ITECH IT8211
está configurado en modo CR y la carga está fijada en 20 ohmios. El osciloscopio Keysight DSOX4024A
Se utiliza para capturar las formas de onda de voltaje en los interruptores y acopladores en el transmisor.
y receptor. La forma de onda de la señal de salida de dos circuitos de accionamiento de un inversor de medio puente
El circuito se muestra en la Figura 13a. Se puede observar que las señales en la misma mitad del inversor
Los circuitos son opuestos entre sí, y se deja un cierto tiempo muerto para evitar
conducción de los tubos del interruptor superior e inferior y daños por cortocircuito al circuito.
Las formas de onda del voltaje puerta-fuente VGS y el voltaje drenaje-fuente VDS del
El tubo del interruptor de alimentación del circuito inversor se muestra en la Figura 13b. Entre ellos, canal
Uno de los osciloscopios es la forma de onda del tubo de conmutación VGS, y el canal dos es el
Forma de onda del tubo interruptor VDS. Se puede ver que, antes de que el voltaje puerta-fuente del
El tubo del interruptor VGS alcanza el umbral de encendido, el voltaje drenaje-fuente VDS cae a 0.
V, que indica que el tubo del interruptor funciona en el estado de conmutación suave ZVS; el
Figura 12. Los esquemas siguen el mismo formato.
Tabla 2. Parámetros del sistema.
Descripción Parámetro Valor
Tensión CC de entrada Ud/V 24
Autoinductancia de la bobina transmisora Lp/μH 34,26
Autoinductancia de la bobina receptora Ls/μH 34,29
Resistencia interna de la bobina transmisora RLp/Ω 0,1
Resistencia interna de la bobina receptora RLs/Ω 0,1
Condensador de compensación en serie de la bobina transmisora Cp/μF 0,1
Condensador de compensación en serie de la bobina receptora Cs/μF 0,1
Vueltas de la bobina n 15
Radio de la bobina r/mm 24,8
Distancia entre las bobinas h/mm 1
Frecuencia de resonancia f0/kHz 85
En el diseño del prototipo, el transmisor utiliza el chip controlador IRS2008 y MOSFET de alta velocidad para formar un inversor y un circuito controlador, y la señal de control es enviada por el
Microcontrolador STM32F103. El receptor utiliza un chip de rectificación síncrona IR1161LPBF
y MOSFET para formar un circuito de rectificación síncrono, que reemplaza el tradicional
Circuito de rectificación de diodos y reduce la pérdida de energía causada por la caída de voltaje en el
diodo. El voltaje de entrada CC se fija en 24 V, la carga electrónica ITECH IT8211 está configurada en
Modo CR y la carga se fija en 20 ohmios. Se utiliza el osciloscopio Keysight DSOX4024A
para capturar las formas de onda de voltaje en los interruptores y acopladores en el transmisor y
receptor. La forma de onda de la señal de salida de dos circuitos de accionamiento de un inversor de medio puente
El circuito se muestra en la Figura 13a. Se puede observar que las señales en la misma mitad del inversor
Los circuitos son opuestos entre sí, y se deja un cierto tiempo muerto para evitar
conducción de los tubos del interruptor superior e inferior y daños por cortocircuito al circuito.
Las formas de onda del voltaje puerta-fuente VGS y el voltaje drenaje-fuente VDS de la fuente de alimentación.
El tubo del interruptor del circuito inversor se muestra en la Figura 13b. Entre ellos, el canal uno de
el osciloscopio es la forma de onda del tubo interruptor VGS, y el canal dos es la forma de onda
del tubo de conmutación VDS. Se puede observar que, antes de la puerta-sou voltaje alto del interruptor
El tubo VGS alcanza el umbral de encendido, el voltaje drenaje-fuente VDS cae a 0 V, lo que
indica que el tubo del interruptor funciona en el estado de conmutación suave ZVS; la pérdida de conmutación
es leve, lo que es beneficioso para mejorar la eficiencia de trabajo del convertidor. El
Forma de onda de voltaje de la bobina transmisora y forma de onda de voltaje de la bobina receptora.
se muestran en la Figura 13c,d. Se puede observar que ambas son ondas cuadradas AC estables. La bobina en
el receptor induce energía para formar un voltaje estable y el sistema funciona normalmente.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 16 de 20 la pérdida de conmutación es leve, lo que es beneficioso para mejorar la eficiencia de trabajo del
convertidor. La forma de onda de voltaje de la bobina transmisora y la forma de onda de voltaje del
La bobina receptora se muestra en la Figura 13c,d. Se puede observar que ambos son cuadrados AC estables.
ondas. La bobina en el receptor induce energía para formar un voltaje estable y el sistema
Funciona normalmente.
(a) (b)
(cd)
Figura 13. Diagrama de forma de onda del transmisor y receptor: (a) forma de onda de salida del circuito excitador; (b) formas de onda VGS y VDS del tubo de conmutación; (c) transmitir la forma de onda de voltaje de la bobina; (d)
Forma de onda de voltaje de la bobina receptora.
La capacidad de transmisión del sistema se prueba en un entorno aéreo. El valor teórico del rendimiento bajo los parámetros del sistema anteriores se puede obtener de la
método de cálculo en la Sección 3. La resistencia de la carga de acceso es de 20 ohmios; los resultados de la comparación de la medición experimental y los valores teóricos de la potencia de salida del sistema
y la eficiencia de transmisión a diferentes frecuencias operativas se muestran en la Figura 14a,b.
Los resultados experimentales son básicamente cercanos a los valores teóricos, y las tendencias de la
las curvas son consistentes, lo que verifica la exactitud del modelo teórico. La salida
La potencia y la eficiencia de transmisión aumentan primero y luego disminuyen con la frecuencia de operación, alcanzando el valor más alto cerca de la frecuencia de resonancia del sistema. La potencia de transmisión alcanza los 60 W alrededor de 85 kHz y la eficiencia de transmisión alcanza el 85%.
Figura 13. Diagrama de forma de onda del transmisor y receptor: (a) forma de onda de salida del variador
circuito; (b) formas de onda VGS y VDS del tubo de conmutación; (c) transmitir la forma de onda de voltaje de la bobina;
(d) recibir la forma de onda de voltaje de la bobina.
La capacidad de transmisión del sistema se prueba en un entorno aéreo. El valor teórico del rendimiento bajo los parámetros del sistema anteriores se puede obtener de
el método de cálculo de la Sección 3. La resistencia de la carga de acceso es de 20 ohmios; la comparación
resultados de la medición experimental y valores teóricos de la potencia de salida del sistema
y la eficiencia de transmisión a diferentes frecuencias operativas se muestran en la Figura 14a,b.
Los resultados experimentales son básicamente cercanos a los valores teóricos, y las tendencias de la
las curvas son consistentes, lo que verifica la exactitud del modelo teórico. La salida
La potencia y la eficiencia de transmisión aumentan primero y luego disminuyen con la frecuencia de operación, alcanzando el valor más alto cerca de la frecuencia de resonancia del sistema. La transmisión
la potencia alcanza los 60 W alrededor de 85 kHz y la eficiencia de transmisión alcanza el 85%.
Bajo la condición de que la frecuencia de funcionamiento sea igual a la resonancia del sistema.
frecuencia de 85 kHz, los resultados de la comparación de la medición experimental y los valores teóricos de la potencia de salida del sistema y la eficiencia de transmisión bajo diferentes cargas
Los valores de resistencia se muestran en la Figura 14c,d. Se puede observar que los resultados experimentales son
básicamente cerca de los valores teóricos, y la tendencia del cambio es consistente. La salida
La potencia del sistema aumenta con la resistencia de la carga, mientras que la tendencia cambiante de la
La eficiencia de transmisión es opuesta. Los dos no pueden ser óptimos simultáneamente, lo que alinea
con los resultados del análisis teórico anterior. La razón de la diferencia entre la realidad
La potencia de salida y el valor teórico bajo una carga grande pueden ser el error de medición.
por un lado, y el aumento de la pérdida del dispositivo a alta temperatura, por otro.
mano puede causar que la potencia de salida real disminuya. En aplicaciones prácticas, el óptimo
El valor de carga se puede seleccionar de acuerdo con la demanda de energía, y el valor de carga se puede
reducido para mejorar la eficiencia de transmisión del sistema para satisfacer la demanda de energía del sistema.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 17 de 20 J. Mar. Sci. Ing. 2023, 11, x PARA REVISIÓN POR PARES 18 de 21
(a) (b)
(cd)
Figura 14. Resultados experimentales en aire: (a) potencia de salida correspondiente a diferentes frecuencias de operación en un ambiente aéreo; b) eficiencia de transmisión correspondiente a diferentes frecuencias operativas en el entorno aéreo; (c) potencia de salida correspondiente a diferentes cargas en el ambiente aéreo;
(d) eficiencia de transmisión correspondiente a diferentes cargas en el ambiente aéreo.
Bajo la condición de que la frecuencia de funcionamiento sea igual a la resonancia del sistema.
frecuencia de 85 kHz, los resultados de comparación de la medida experimental Valores teóricos y de potencia de salida del sistema y eficiencia de transmisión bajo diferentes cargas.
Los valores de resistencia se muestran en la Figura 14c,d. Se puede observar que los resultados experimentales
están básicamente cerca de los valores teóricos y la tendencia de cambio es consistente. La potencia de salida del sistema aumenta con la resistencia de carga, mientras que la tendencia cambiante de
la eficiencia de transmisión es opuesta. Los dos no pueden ser óptimos simultáneamente, lo que
se alinea con los resultados del análisis teórico anterior. La razón de la diferencia entre
La potencia de salida real y el valor teórico bajo una carga grande pueden ser el error de medición, por un lado, y el aumento en la pérdida del dispositivo a alta temperatura.
por otro lado, puede hacer que la potencia de salida real disminuya. En aplicaciones prácticas, el valor de carga óptimo se puede seleccionar según la demanda de energía y la carga.
El valor se puede reducir para mejorar la eficiencia de transmisión del sistema para cumplir con el sistema.
la demanda de energía.
El serpentín acoplador se colocó en una solución de cloruro de sodio al 3,5% para el experimento simulado.
experimento de transmisión ambiental del agua de mar. Se muestra el entorno experimental.
en la Figura 15. La resistencia de carga de acceso al sistema es de 20 ohmios. Cambiar el sistema operativo
frecuencia. Mida y calcule la curva de comparación de potencia de salida entre el agua de mar y el aire, como se muestra en la Figura 16a, y la comparación de eficiencia de transmisión.
La curva entre el agua de mar y el aire se muestra en la Figura 16b; la curva de pérdida por corrientes parásitas
se muestra en la Figura 16c. Se puede observar que cuando la frecuencia es inferior a 100 kHz, la
La potencia de salida y la eficiencia de transmisión del sistema en el agua de mar están muy cerca de
los que están en el aire, y la pérdida por corrientes parásitas es de un nivel muy bajo. Cuando la frecuencia supera los 100 kHz, la diferencia entre la potencia de salida y la eficiencia de transmisión medidas en el agua de mar y los resultados experimentales en el aire comienza a aumentar gradualmente.
con el aumento de la frecuencia, y el valor de la pérdida por corrientes parásitas aumenta rápidamente.
Figura 14. Resultados experimentales en aire: (a) potencia de salida correspondiente a diferentes condiciones operativas
frecuencias en el ambiente aéreo; (b) eficiencia de transmisión correspondiente a diferentes operaciones
frecuencias en el ambiente aéreo; (c) potencia de salida correspondiente a diferentes cargas en el ambiente aéreo;
(d) eficiencia de transmisión correspondiente a diferentes cargas en el ambiente aéreo.
El serpentín acoplador se colocó en una solución de cloruro de sodio al 3,5% para el experimento simulado.
experimento de transmisión ambiental del agua de mar. Se muestra el entorno experimental.
en la Figura 15. La resistencia de carga de acceso al sistema es de 20 ohmios. Cambiar el sistema operativo
frecuencia. Mida y calcule la curva de comparación de potencia de salida entre el agua de mar.
y el aire, como se muestra en la Figura 16a, y la curva de comparación de eficiencia de transmisión
entre el agua de mar y el aire se muestra en la Figura 16b; Se muestra la curva de pérdida por corrientes parásitas.
en la Figura 16c. Se puede ver que cuando la frecuencia es inferior a 100 kHz, la salida
La potencia y la eficiencia de transmisión del sistema en el agua de mar son muy cercanas a las
en el aire y la pérdida por corrientes parásitas es de un nivel muy bajo. Cuando la frecuencia excede
100 kHz, la diferencia entre la potencia de salida y la eficiencia de transmisión medida en
el agua de mar y los resultados experimentales en el aire comienzan a aumentar gradualmente con el
La frecuencia aumenta y el valor de la pérdida por corrientes parásitas aumenta rápidamente.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, x PARA REVISIÓN POR PARES 19 de 21
Figura 15. Experimento simulado en un entorno de agua de mar.
Figura 15. Experimento simulado en un entorno de agua de mar.
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 18 de 20 Figura 15. Experimento simulado de entorno de agua de mar.
(a) (b)
(C)
Figura 16. Resultados experimentales en agua de mar: (a) potencia de salida correspondiente a diferentes operaciones
frecuencias en ambiente de agua de mar; b) eficiencia de transmisión correspondiente a diferentes frecuencias operativas en un entorno de agua de mar; (c) pérdida por corrientes parásitas correspondientes a diferentes operaciones
frecuencias en el ambiente del agua de mar.
Resumiendo los resultados experimentales en la Figura 16, se puede concluir que, para el
En este documento, la pérdida por corrientes parásitas aumenta significativamente cuando la frecuencia supera los 100 kHz. El valor de la pérdida por corrientes parásitas es muy pequeño cerca de la resonancia del sistema.
frecuencia de 85kHz. La influencia del agua de mar en el rendimiento de transmisión del sistema es insignificante. La eficiencia de transmisión alcanza alrededor del 83%, lo que demuestra que la
La configuración de parámetros en este documento es razonable y aún puede mantener una alta transmisión.
Eficiencia en el agua de mar. La Tabla 3 muestra los resultados de comparación entre las propuestas
y algunos sistemas anteriores de transferencia de energía inalámbrica submarina. Puesto que hay
Dado que en la literatura existente existen pocos estudios sobre sistemas de potencia pequeños y medianos (menos de 100 W), se seleccionan sistemas con niveles de potencia más altos para comparar. La transmisión
Figura 16. Resultados experimentales en agua de mar: (a) potencia de salida co rresponding a diferentes operaciones
frecuencias en ambiente de agua de mar; (b) eficiencia de transmisión correspondiente a diferentes operaciones
frecuencias en ambiente de agua de mar; (c) pérdida por corrientes parásitas correspondientes a diferentes operaciones
frecuencias en el ambiente del agua de mar.
Resumiendo los resultados experimentales en la Figura 16, se puede concluir que, para el
sistema en este documento, la pérdida por corrientes parásitas aumenta significativamente cuando la frecuencia
supera los 100 kHz. El valor de la pérdida por corrientes parásitas es muy pequeño cerca de la frecuencia de resonancia del sistema de 85 kHz. La influencia del agua de mar en la transmisión del sistema
el rendimiento es insignificante. La eficiencia de transmisión alcanza aproximadamente el 83%, lo que demuestra que
La configuración de parámetros en este documento es razonable y aún puede mantener una alta transmisión.
Eficiencia en el agua de mar. La Tabla 3 muestra los resultados de comparación entre las propuestas
y algunos sistemas anteriores de transferencia de energía inalámbrica submarina. ya que son pocos
estudios sobre sistemas de potencia pequeños y medianos (menos de 100 W) en la literatura existente,
Para comparar se seleccionan sistemas con mayores niveles de potencia. La eficiencia de transmisión
del sistema en este documento tiene ciertas ventajas en sistemas de energía pequeños y medianos.
Tabla 3. Comparación con sistemas de transferencia de energía inalámbricos submarinos anteriores.
Referencia [9] [5] [13] Este documento
acoplador magnético
estructura
Devanado coaxial lineal
transformador
Mejorado en forma de arco
Núcleo EE Barril cilíndrico Núcleo magnético tipo pote
Nivel de potencia 240 W Desconocido 100 W 57 W
Eficiencia 70% 82% 67% 83%
6. Conclusiones y perspectivas
Este artículo propone un sistema inalámbrico de transferencia de energía adecuado para trabajos bajo el agua.
ambiente. La estructura del circuito del sistema basado en la red de compensación tipo SS.
ha sido diseñado, y los resultados del análisis de modelado de circuitos muestran que puede realizar constante
salida de corriente sin interferencia de carga y que tiene cierta tolerancia a la dislocación. El
Se han analizado las características operativas del sistema, y la influencia de la
J. Mar. Ciencias. Ing. 2023, 11, 1699 19 de 20
Frecuencia de resonancia, resistencia de carga y coeficiente de acoplamiento en la capacidad de salida del sistema.
en el aire ha sido estudiado. El modelo de transmisión del sistema y el modelo de pérdida por corrientes parásitas.
en agua de mar; La pérdida por corrientes parásitas generada por la transmisión en agua de mar.
se calcula de acuerdo con la ecuación de campo de las corrientes parásitas y el método de cálculo de
La eficiencia de transmisión en agua de mar se determina en combinación con la transmisión.
Fórmula de eficiencia en el aire. Los resultados del cálculo muestran que cuando la corriente de la bobina es menor
mayor o igual a 5 A, la pérdida de corriente parásita es leve cuando la frecuencia de operación está dentro
150 kHz, y la pérdida por corrientes parásitas aumentará significativamente cuando la frecuencia exceda
150 kilociclos. Se ha diseñado un acoplador adecuado para la carga de equipos submarinos, y el
Los resultados de la simulación de elementos finitos muestran que tiene una cierta capacidad de transmisión y buena
capacidad de blindaje electromagnético. Se desarrolló un prototipo de acuerdo al diseño.
plan, y los resultados experimentales verificaron la viabilidad y corrección de la teoría
plan. En el entorno aéreo, la potencia de transmisión alcanzó los 60 W a aproximadamente 85 kHz,
y la eficiencia de transmisión alcanzó el 85%. En el entorno de agua de mar simulado, el
La potencia de salida alcanza aproximadamente 57 W a la misma frecuencia de funcionamiento, y la transmisión
la eficiencia alcanza el 83%. En trabajos futuros, el embalaje de la transmisión de energía inalámbrica.
se diseñará el sistema. El embalaje del sistema debe completar la alineación del
bobina antes de la transmisión de potencia, la liberación y salida después de la transmisión de potencia, etc.
Durante el proceso de diseño, el sellado, la resistencia a la presión, la resistencia a la corrosión y otros
Se estudiarán aspectos El sistema empaquetado se puede utilizar en operaciones submarinas reales.
con estaciones base, vehículos submarinos y otros equipos.
Contribuciones del autor: Conceptualización, S.Z. y TL; metodología, TL; investigación, TL;
visualización, TL; redacción: preparación del borrador original, T.L.; redacción: revisión y edición, S.Z.;
supervisión, SZ; administración de proyectos, S.Z.; adquisición de financiación, S.Z. Todos los autores han leído y
estuvo de acuerdo con la versión publicada del manuscrito.
Financiamiento: Esta investigación fue financiada por el Laboratorio Estatal Clave de Oceanografía Tropical, Sur de China.
Instituto Marino de Oceanología, Academia China de Ciencias (Proyecto N° LTO 2207); Ciencias Naturales
Fundación de China (Nº 51809255): Investigación sobre la estrategia de seguimiento de los remolinos fríos del océano
con AUV.
Declaración de la Junta de Revisión Institucional: No aplicable.
Declaración de Consentimiento Informado: No aplicable.
Declaración de disponibilidad de datos: todos los datos presentados en este estudio están incluidos en este artículo.
Agradecimientos: Los autores desean agradecer a los revisores por su cuidadoso trabajo.
Conflictos de intereses: Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
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