浅析水下无线电能传输技术的发展及应用趋势

浅析水下无线电能传输技术的发展及应用趋势

发表时间：2019-06-28T09:41:40.967Z 来源：《中国电气工程学报》2019年第4期作者：赵文圣 

[导读] 摘要：无线电能传输技术是当下研究的热点，是人工智能、电子信息、电气设备等方面重要研发方向，因其使用较比方便，在某些特殊的环境能够发挥更大的作用。而水下无线电能传输根据研究价值，笔者粗浅分析了水下无线电能传输技术的发展及应用趋势。中国矿业大学 221116

摘要：无线电能传输技术是当下研究的热点，是人工智能、电子信息、电气设备等方面重要研发方向，因其使用较比方便，在某些特殊的环境能够发挥更大的作用。而水下无线电能传输根据研究价值，笔者粗浅分析了水下无线电能传输技术的发展及应用趋势。

关键词：无线电能传输技术；水下传输；应用趋势

海洋搜救、水下探测、潜水运动等使用的水下设备，大多使用传统电池供电方式，而水下设备其他供电方式的研究不断进行，无线电传输技术也随着引入水下设备供电系统之中。在未来，谁能首先解决水下无线电能传输问题，谁就能在未来海洋工程中占得先机。

1、无线电能传输技术的发展

19世纪30年代，作为第一发现电磁感应现象的英国科学家法拉第，开创了无线电能传输的新纪元。1890年，克罗地亚科学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出一个大胆的构想：把地球作为导体，在地球与电离层之间建立起低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力[1]，后来特斯拉建成了187英尺的无线电能传输铁塔。20世纪90年代，飞利浦公司研发出了无线充电牙刷，通过内部线圈感应充电器发出的磁场后充电。2007年6月，知名的美国麻省理工学院，校内研究小组利用无线电能传输技术给远处的灯泡供电，成功点亮了灯泡，同时点亮了世界对于无线电能传输技术的新里程碑。随着历史的不断发展，科学的不断进步目前无线电能传输主要有三种方式，即电磁感应式、电磁共振式、电磁波发射式。

水下无线电能传输技术也随着无线电技术的发展而发展，在我国，浙江大学流体传动及控制实验室对于水下电磁耦合、充放电系统、线圈优化等方面都有较大的研究成果，是我国国家重点实验室；西北工业大学对于水下电路结构设计、水下电磁耦合等方面也进行重点研究；国防科技大学也研究了独有的水下无线电能传输系统。

2、水下无线电能传输技术应用发展趋势

随着人类对于海洋的不断开发，水下作业不断增加，同时要求工作要求难度越高、时间越长，因此水下设备要求更高，能解决更多问题，而无线电能传输技术也在向结构多样化、功能集成化等方向发展，同时也存在急需解决的各种问题。

2.1 结构多样化

由于各国工业用电标准不一致，设备多样化，因此无线电能传输也在向着多样化结构发展。以线圈绕组方式分类，可分为单面和双面绕组方式。单面绕组需要宽度达的耦合器，而耦合器的位置在整个无线电能传输系统中有会有很大影响。而且单面绕组式需要设置屏蔽板，用以阻止漏磁通[2]。但由于现代技术的不断发展，对于电子设备的体积也需要不断变小，而此时单面绕组式则体现了其体积小、重量轻、扁平化等特性，适用于未来发展需要。

由于水下作业的特殊情况，设备精度一般较低，使用比较困难，因此选择合适的磁芯对于整个设备的电能传输尤为重要。罐型磁芯的电磁屏蔽性较好，在一定程度上能够很好的抗干扰性，适用于水下作业对于设备的多项要求。

2.2 功能集成化

水下设备功能的实现主要靠能量和信号两个概念，能量为电气系统的正常运行提供保障，信号为整个系统的运行、控制、检测提供了命令。在一个完整的水下无线电能传输系统中，需要有控制指令、检测信号的同时，实现能量的传输，这就需要整套系统集能量传输和信号发送于一体。目前行业内主要有两种不同的设备能量信号传输方式：

（1）独立式。整个系统设置两组线圈，分别进行无线能量传输和信号传输，两个线圈相对独立。但两组线圈无论水平放置，还是垂直放置，都会发生线圈耦合，产生很大的干扰，同时对于能量有很大损失，数据难以正常传输。

（2）高频注入式。信号和能量的无线传输可以通过同一磁路进行，这是高频注入式的最大特点，它将信号和能量的传输集中于一种线圈，通过相同的两极线圈工作。通过高频信号波和低频电能传输波结合，形成一个复合波，经过传输设备进行传输。在此传输过程中，能量损耗能控制在一定范围内，不会影响数据的传输，最终达到信号和能量最大化传输的目的。

2.3 急需解决的问题

（1）电能传输稳定性问题。无线电能传输本身就存在很大的不稳定性，在水下作业要求更高。

（2）传输距离问题。在各种实验中发现，一旦距离增大，就需要同时增大线圈半径，而线圈半径体积不可能无线增大。

（3）生物安全问题。在整个传输系统中，都存在高频电流和磁场，对生物生存环境有很大的负面影响。

3、结语

无线电能传输技术由于其特有的便捷性，特别是针对水下设备能量补给问题，比传统供电方式有很大的优点，虽然还存在的很多问题，但是通过广大研究学者的不断努力，必将逐步解决当下各种技术难点，让水下无线电能传输技术得到更大的发展，拥有更广阔的前景。

参考文献：

[1]王浩.磁耦合谐振无线电能传输系统耦合状态与传输特性研究[D].东北大学,2015.

[2]贺县林,戚连锁,罗宁昭.基于海水环境下ICPT系统电磁耦合器的研究[J].船电技术，2015,35（11）：47-51