CN113921258B - 一种基于半球形电磁耦合器的连接器及线圈优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半球形电磁耦合器的连接器，包括初级侧连接器和次级侧连接器，所述初级侧连接器包括初级侧壳体，所述初级侧壳体内设置有初级电路，初级侧壳体位于连接端设置有半球形初级线圈支撑块，所述初级线圈支撑块上绕制有与初级电路电连接的初级线圈，初级线圈支撑块外侧设置有初级线圈防水罩；所述次级侧连接器包括次级侧壳体，所述次级侧壳体内设置有次级电路，次级侧壳体位于连接端设置有半球形腔体，所述半球形腔体内绕制有与次级电路电连接的次级线圈，半球形腔体内还设置有次级线圈防水罩；本发明还公开了一种线圈优化方法；本发明降低了电能传输中的磁损，并使系统传输更加稳定。

Description

一种基于半球形电磁耦合器的连接器及线圈优化方法

技术领域

本发明涉及湿式连接器技术领域，具体涉及一种基于半球形电磁耦合器的连接器及线圈优化方法。

背景技术

海洋覆盖了地球表面约71％～72％的表面积，是地球上所有生命的起源地。海洋中蕴含着极其丰富的各类资源并可应用于各种行业，比如海洋渔业利用了海洋生物资源，海洋交通运输业利用了海洋水资源，海洋油气业应用了海洋矿产资源，潮汐能发电应用了海洋能资源。随着科学技术的不断发展，各国也不断加强对海洋的探索力度。

不断发展的深海探索活动，都离不开一种非常重要的深海装备——电连接器。其中，水下可插拔电连接器是海洋工程中最常用到的器件之一。其作用主要是为水下各种用电器搭建电能传输的桥梁，并且可以兼具信号传输的功能。水下可插拔电连接器为不同的水下用电器提供了与电源之间的方便快捷的连接方式，应用领域广泛。

尽管水下湿插拔连接器的种类型号很多，但是根据结构或原理的不同，包括：充油的压力平衡湿插拔连接器。这类连接器内部填充油液，油液与外部海水的压力相互平衡，因此此类湿插拔连接器在设计耐压值以下的任何压力中，都可以自由插拔，而不会像软性橡胶湿插拔连接器那样，在压力大的环境中会因为橡胶受压变形，导致无法解除配合。但是充油的压力平衡湿插拔连接器由于内部结构非常复杂，因此造价高昂，售价不菲，且插拔次数非常有限。

非接触式湿插拔连接器。这类连接器是基于非接触电能传输(Contactless PowerTransmission,CLPT)原理，通过将电能-磁能-电能的转换，将信号和能量通过非接触的方式从初级侧传递到次级侧。在使用时，仅需将两端的接头贴近就可以进行能量和信号的传输[13]。由于无需机械连接，从而避免了插针等零件的磨损和老化，大大延长了使用寿命。在操作上，非接触式湿插拔连接器的配合和解除配合操作也非常简单，避免了接触式湿插拔连接器的额外旋转对准的步骤。在结构上，既可以实现充油的压力平衡湿插拔连接器的任意深度自由配合，又无需具有极其复杂的内部结构。

基于电磁感应原理的非接触式电能传输技术，可以很好的避免上述问题。已经有一些机构和公司开发出了基于非接触电能传输技术的连接器。但是目前的产品，有的为特定的场合设计，其他设备无法兼容通用，比如Kojiya,T等人和Tim McGinnis等人分别开发的非接触电能传输系统，仅为特定的水下航行器专门设计。有的虽然已是通用产品，但是传输功率普遍不大，比如Baer,CM等人和MESA公司等开发的非接触连接器产品的传输功率在十几到数百瓦之间。非接触式湿插拔连接器的发展方向，将会着眼于更大的传输功率以及更高的系统效率。但是目前尚未有相关研究公布。

目前所涉及的非接触式连接器，区别主要在电磁耦合器，即线圈部分。当前非接触式连接器，采用的线圈多为带磁芯的平面线圈结构。磁芯的使用虽然提高了耦合系数，但是也增加了非接触电能传输中的磁损。另外使得耦合参数对于初级侧和次级侧连接器之间的距离格外敏感，在水下复杂工况下，较小的扰动就会对传输性能造成较大影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于半球形电磁耦合器的连接器，降低了电能传输中的磁损，并使系统传输更加稳定。

一种基于半球形电磁耦合器的连接器，包括初级侧连接器和次级侧连接器，所述初级侧连接器包括初级侧壳体，所述初级侧壳体内设置有初级电路，初级侧壳体位于连接端设置有半球形初级线圈支撑块，所述初级线圈支撑块上绕制有与初级电路电连接的初级线圈，初级线圈支撑块外侧设置有初级线圈防水罩；

所述次级侧连接器包括次级侧壳体，所述次级侧壳体内设置有次级电路，次级侧壳体位于连接端设置有半球形腔体，所述半球形腔体内绕制有与次级电路电连接的次级线圈，半球形腔体内还设置有次级线圈防水罩；

连接时，绕制有初级线圈的初级线圈支撑块伸入到绕制有次级线圈的腔体内完成连接。

本方案中，电磁耦合器采用的是“半球形”线圈，大大提高了耦合系数，并且无磁芯的设计也使系统传输更加稳定，损耗更小，效率更高。

作为优选，所述初级侧壳体外设置有用于对次级侧连接器限位的限位罩。

作为优选，所述初级侧壳体和次级侧壳体内分别设置有初级侧电路散热块和次级侧电路散热块。

作为优选，所述初级侧壳体和次级侧壳体内分别设置有用于相互通信的初级光通信模块和次级光通信模块。

连接器的光通信部分由初级测和次级侧的光通信模块组成，两侧的模块均具有收发功能，因此连接器具有双向数据传输功能。初级侧和次级侧的光通讯模块分别布置在连接器的电磁耦合器周围，当连接器完成对接之后，两侧的光通讯模块的透光窗口也完成了对接。

本发明的另一目的在于提供一种线圈优化方法，包括如下步骤：

(1)初始化变量线圈的最大半径ρ_co、最大高度z_co和每匝线圈间的间距s₀；

(2)优化变量参数；

(3)计算磁感应强度B；

(4)计算电磁耦合器体积V和线圈铜重G；

(5)综合目标函数F＝B^p·V^q.G^t，

其中，p，q，t分别是磁感应强度B、电磁耦合器体积V和线圈铜重G的权重；

(6)计算优化容差，得出最优参数ρ_co、z_co和s₀。

作为优选，步骤(2)包括：

将螺旋线圈简化为由一组不同尺寸的同心圆环，对线圈的半球形轮廓进行线性化处理，建立耦合线圈的磁场理论模型。

作为优选，步骤(3)包括：

计算圆环电流在空间中任意一点P的磁感应强度B

其中，μ是磁导率，a为从坐标原点指向电流元S的向量，R为从电流元S指向点P的向量；

将磁感应强度的表达式从笛卡尔坐标系变换为圆柱坐标系，将电磁耦合器在一点(ρ，z)处产生的磁感应强度分布看做

其中，B_ρ，i，B_z，i分别是半径为a_i的第i匝线圈产生的水平和竖直方向上的磁感应强度分量；

通过在平面特定区域内等间距地取e×f个点存放到一个矩阵中，获得该平面区域内线圈产生的磁感应强度分布B_plane

作为优选，线圈从圆周外围向中心环绕填充线圈区域，直到圆环内部被完全填充。对于螺旋线圈而言，对于给定的外半径，较小的内半径有利于提高磁耦合性能。

本发明的有益效果：

本发明连接器中电磁耦合器采用的是“半球形”线圈，大大提高了耦合系数，并且无磁芯的设计也使系统传输更加稳定，损耗更小，效率更高。通过本发明方法能够获得最合适的电磁耦合器形状。

附图说明

图1为连接器的结构示意图；

图2为连接器的剖视图；

图3为连接器系统信电传输示意图；

图4为半球形电磁耦合器初级线圈示意图；

图5(a)为半球形耦合线圈实际模型，(b)为等效线圈模型；

图6(a)为半球形耦合线圈真实模型剖视图，(b)为“割圆术”等效线圈模型剖视图；

图7为圆环电流在空间任意一点磁场产生示意图；

图8为初级线圈和次级线圈示意图；

图9为参数优化流程图；

图10(a)对应初始值时的线圈、(b)对应优化值时的线圈、(c)(d)分别对应s₀为优化值时，ρ_co,z_co分别为最小值和最大值时的线圈；

图11(a)对应初始值时耦合器磁感应强度分布图，(b)对应优化值时耦合器磁感应强度分布图，(c)对应平面时耦合器磁感应强度分布图，(d)对应最大时耦合器磁感应强度分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

非接触传输系统通常会在线圈中加入铁氧体磁芯来改善耦合效果和屏蔽效果。然而，铁氧体磁芯并不是必不可少的，虽然它可以增加耦合线圈的自感和互感，减少磁通量的泄漏。但是铁氧体磁芯也同样带来了磁损，并且增加了非接触式湿插拔连接器的重量和成本。同时，包含磁芯材料或者具有非简单几何形状的线圈，由于几乎不能进行理论分析计算，只能采用有限元软件进行分析，所以不利于对线圈参数进行数学优化。因此本文中提出的电磁耦合器采用无磁芯设计。

如图1和2所示，一种基于半球形电磁耦合器的连接器，包括初级侧连接器1和次级侧连接器2。

其中，初级侧连接器1包括初级侧壳体11，初级侧壳体11背离连接端设置有初级侧端盖111，初级侧端盖111上设置有初级侧水密接头112，初级侧壳体11内设置有初级电路12，初级侧壳体11位于连接端设置有半球形初级线圈支撑块13，初级线圈支撑块13上绕制有与初级电路12电连接的初级线圈14，初级线圈支撑块13外侧设置有初级线圈防水罩15，用于对初级线圈14进行封闭。

次级侧连接器2包括次级侧壳体21，次级侧壳体21背离连接端设置有次级端盖211，次级端盖211上设置有次级侧水密接头212，次级侧壳体21内设置有次级电路22，次级侧壳体21位于连接端设置有半球形腔体23，半球形腔体23内绕制有与次级电路22电连接的次级线圈24，半球形腔体23内还设置有次级线圈防水罩25，用于对次级线圈24进行封闭。

本实施例中，初级线圈14和次级线圈24均采用litz线，从而减少线圈中高频交流电所产生的趋肤效应，提高系统传输效率。

本实施例中，初级侧壳体11和次级侧壳体21内分别设置有用于散热的初级侧电路散热块16和次级侧电路散热块26。

本实施例中，初级侧壳体11和次级侧壳体21内分别设置有用于相互通信的初级光通信模块17和次级光通信模块27。图3为本发明连接器信电传输示意图。

本实施例中，初级侧壳体11外设置有用于对次级侧连接器2限位的限位罩18；具体地，初级侧壳体11上设置有初级侧连接板19，限位罩18固定在初级侧连接板19上，限位罩18具体呈喇叭状。

一种线圈优化方法，图4展示了线圈的各项参数。线圈由沿着半球形轮廓缠绕的的导线构成。线圈的匝数是n，每匝之间都有相同的间距s₀，此外，线圈的最大半径为ρ_co，最大高度为z_co。

图4中的半球形电磁耦合器的初级线圈的真实耦合线圈的结构如图5(a)所示，建立它的真实磁场理论模型十分困难。为了使模型便于计算，可以将螺旋线圈简化为由一组不同尺寸的同心圆环,如图5(b)所示。

图6(a)展示了真实螺旋线圈等效后的同心圆模型的剖视图，利兹线沿着半球形轮廓绕制。接下来需要建立耦合线圈的磁场理论模型，并且要针对不同形状参数的耦合线圈进行优化。不过，真实的半球形轮廓由圆弧组成，不利于实现所提出的建立磁场理论模型的方法以及耦合线圈形状优化方法，因此，需要对线圈的半球形轮廓进行线性化处理。

此处使用类似“割圆术”的方式，对半球形线圈进行线性化处理，如图1所示。点D为线段AB的中点，点E为线段BC的中点，连接DE，取点G为线段DE的中点，再分别将点G与线段AD的中点F和线段CE的中点H连接。由线段AF，线段FG，线段GH，线段HC组成的轮廓，就是半球形线圈的等效轮廓。当按照上述“割圆术”进行线性化时，分割的次级越多，多段直线组成的轮廓就越接近真实的半球形轮廓。在本文中，考虑到后面建立磁场理论模型以及优化程序的简洁，只进行到如图6(b)所示程度的线性化处理。

为了对电磁耦合器进行进一步分析，需要建立半球形电磁耦合器的磁场模型。圆环电流在空间中任意一点

产生的磁场如图7所示。

根据Biot-Savart Law，圆形导线内流过大小为I的电流时，P点的磁感应强度为

其中，μ是磁导率，a为从坐标原点指向电流元S的向量，R为从电流元S指向点P的向量。由于圆电流是中心对称的，因此点P处的磁感应强度大小与其方位角

无关。为了简便计算，此处取

根据几何关系可得

r＝rsinθe_x+rcosθe_z

其中，e_x，e_y，e_z分别是X，Y，Z方向上的单位向量。由上述方程式可得

根据上式可以得到X，Y，Z三个方向上的磁感应强度分量为

由于B_y的表达式中，积分项等于0，因此B_y＝0。令

可得

其中，K，E分别是第一和第二类完全椭圆积分，并且有

将磁感应强度的表达式从笛卡尔坐标系(Cartesian coordinate system)变换为圆柱坐标系(Cylindrical coordinate system)，有ρ＝rsinθ，z＝rcosθ，取

可得

可以得到电磁耦合器在一点(ρ，z)处产生的磁感应强度分布可以近似地看做

其中，B_ρ，i，B_z，i分别是半径为a_i的第i匝线圈产生的水平和竖直方向上的磁感应强度分量。同时，可以通过在平面特定区域内等间距地取e×f个采样点，存放到一个矩阵中。就可以获得该平面区域内线圈产生的磁感应强度分布。

电磁耦合器是整个非接触电能传输系统的关键部分。电磁耦合器的次级线圈的形状与初级线圈相同，罩在初级线圈外围，如图8所示。由于非接触式湿插拔连接器的应用场合是在水下，需要经过严密的防水和耐压保护。因此电磁耦合器初级线圈和次级线圈之间，会各隔着一层防水耐压的封装零件，初级线圈和次级线圈之间会因封装零件的存在而具有间距为s₁的距离。

半球形线圈可以根据不同的线圈匝数n，每匝之间的间距s₀，最大半径ρ_co，最大高度z_co，产生强磁场。为了设计一个合适的半球形电磁耦合器，需要对上述参数进行优化设计，来实现不同目标权衡之下的最优参数。因此必须定义优化设计的目标函数、约束条件、预定义参数和系统方程。

对于非接触式湿插拔连接器来说，可以基于多个目标进行评估。第一个目标是通过最大化磁感应强度B，来提高能量传输能力。第二个目标是通过最小化的半球形耦合器体积V，来减少封装零件的加工难度。第三个目标是通过最小化线圈所消耗铜重G，来降低非接触式湿插拔连接器的成本。因此，优化目标函数可以定义为

F＝B^p·V^q·G^t

其中，p，q，t分别是三个优化目标的权重。

前文已经通过分析获得了电磁耦合器在指定区域平面内产生的磁感应强度的分布矩阵B_plane，还需要获得初级线圈在次级线圈对应位置所产生的磁感应强度B。即初级线圈外侧，与初级线圈距离为s₁处的磁感应强度。从B_plane取出若干个对应位置采样点的数值，再取平均值，即可得到描述电磁耦合器的磁感应强度指标

其中，n′为取出采样点的个数，A为B_plane中，次级线圈位置处的点。

从图2中可以看出，初级和次级侧线圈的尼龙罩，是厚度较小的半球形薄壳结构，因此，线圈的最大半径ρ_co和最大高度z_co越大，即半球形耦合器的体积越大，增加了尼龙罩的加工难度。耦合器的体积可以近似地表示为

V＝V_AFG+V_GH+V_HC

其中，V_AFG，V_GH，V_HC分别为图1中，折线AFG，线段GH，线段HC绕OZ轴旋转一周围成的体积。

对于螺旋线圈而言，对于给定的外半径，较小的内半径有利于提高磁耦合性能。所以半球形线圈采用的绕线方式，是从圆周外围向中心环绕填充线圈区域，直到圆环内部被完全填充。另外，本申请所设计的方案只考虑了单层线圈，因为它们厚度更低的同时，也降低了线圈本身的寄生电容。因此，基于以上设计考虑，当线圈的最大半径ρ_co，最大高度z_co以及每匝之间的间距s₀确定之后，线圈的匝数n和每匝线圈的半径和位置分布也就确定了

其中，l_AF，l_FG，l_GH，l_HC分别是图1中，线段AF，线段FG，线段GH，线段HC的长度。可以得到设计的电磁耦合器线圈所消耗的铜重

其中，ρ_coil为Litz线的线密度，r_i为第i匝线圈的半径。

为了进一步确定理想的解决方案范围，需要确定优化问题的约束条件，定义每个变量的边界。比如更大的最大半径ρ_co可以包围更多的磁通量，但是也会造成更大的体积和更多铜重。s₀过大会导致线圈匝数减小，磁感应强度降低。过小会增加寄生电容，加重了邻近效应的损耗。因此ρ_co，z_co，s₀的取值范围应该符合一个合理的范围

前文已经建立了各优化目标的数学模型。接下来需要使用数学方法得到电磁耦合器的最佳形状设计参数。本文中的数学优化问题具有多个优化参数，每种参数的改变都会对优化目标函数产生复杂的影响。因此该问题需要在数学软件中解决。本文中使用Matlab中的Optimization Toolbox模块执行有约束非线性优化(NLP)模型。在NLP模型所使用的算法中，使得每次迭代都满足边界约束。优化中的迭代次数取决于求解器的容差(constrainttolerance)，容差是一个阈值，超过阈值时将终止求解器的迭代。容差的选取依赖于设计者的经验和应用的实际情况，如果选择过小，则有可能会导致优化不收敛。在本文的优化模型中，输入和输出的优化参数为ρ_co,z_co,s₀。

由图9所示，由于磁感应强度应该最大化，而优化中是取F的最小值，因此B的权重指数取负。另外优化目标中的B,V,G的变化率不同，为了权衡变化率的差异，它们的权重指数也应做相应的调整。因此，优化目标函数F中的各参数的权重考虑为C_pqt＝{-2,0.6,1}。当优化过程的容差条件被满足时，优化停止，表明找到了最优参数。在表1中，分别列出了各优化参数的实际限制和优化结果。从不同的优化初值开始执行优化程序，可以得到相同的优化结果。

表1

为了更直观地对比几组参数的区别，分别制作了初始值时的线圈、优化值时的线圈、s₀为优化值时，ρ_co,z_co分别为为最小值和最大值时的线圈如图10所示，并测量了线圈的电感和内阻，如表2所示。

表2

图11对比了四种碗形线圈的磁感应强度分布图，分布图由前文所提出的磁场理论模型计算得到。通过磁感应强度图和线圈参数表可以看出，相较于初始值，优化后线圈的最大高度z_co有所增加，而最大半径ρ_co每匝之间的间距s₀都有不同程度的下降。虽然尺寸上的变化一定程度上增加了耦合器的体积和线圈质量，但是磁感应强度和自感却显著高于优化前的水平。

而图11(c)和图11(d)则分别达到了最小体积和最大磁感应强度及自感的两个极端。这体现了优化过程中对不同目标的权衡，这由各参数的权重指数C_pqt决定，也可去根据不同的工况和要求去调整权重指数C_pqt，来获得最适合的电磁耦合器形状。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于半球形电磁耦合器的连接器，包括初级侧连接器和次级侧连接器，其特征在于，所述初级侧连接器包括初级侧壳体，所述初级侧壳体内设置有初级电路，初级侧壳体位于连接端设置有半球形初级线圈支撑块，所述初级线圈支撑块上绕制有与初级电路电连接的初级线圈，初级线圈支撑块外侧设置有初级线圈防水罩；

所述次级侧连接器包括次级侧壳体，所述次级侧壳体内设置有次级电路，次级侧壳体位于连接端设置有半球形腔体，所述半球形腔体内绕制有与次级电路电连接的次级线圈，半球形腔体内还设置有次级线圈防水罩；

连接时，绕制有初级线圈的初级线圈支撑块伸入到绕制有次级线圈的腔体内完成连接；

所述初级线圈和次级线圈均呈半球形螺旋状。

2.根据权利要求1所述的基于半球形电磁耦合器的连接器，其特征在于，所述初级侧壳体外设置有用于对次级侧连接器限位的限位罩。

3.根据权利要求1所述的基于半球形电磁耦合器的连接器，其特征在于，所述初级侧壳体和次级侧壳体内分别设置有初级侧电路散热块和次级侧电路散热块。

4.根据权利要求1所述的基于半球形电磁耦合器的连接器，其特征在于，所述初级侧壳体和次级侧壳体内分别设置有用于相互通信的初级光通信模块和次级光通信模块。

5.一种半球形螺旋线圈优化方法，其特征在于，所述方法用于对权利要求1-4任一所述的线圈进行优化，包括如下步骤：

(1)初始化变量线圈的最大半径ρ_co、最大高度z_co和每匝线圈间的间距s₀；

(2)优化变量参数，确定ρ_co、z_co、s₀的合理取值范围；

(3)计算磁感应强度B；

(4)将电磁耦合器体积V近似为两圆台与一圆柱之和进行计算，线圈铜重G通过多匝线圈铜重之和进行计算；

(5)综合目标函数为以三个优化目标为底数的幂的乘积，综合目标函数F＝B^p·V^q·G^t，

其中，p,q,t分别是磁感应强度B、电磁耦合器体积V和线圈铜重G的权重；

(6)对综合目标函数执行有约束非线性优化模型，计算优化容差，得出最优参数ρ_co、z_co和s₀。

6.根据权利要求5所述的半球形螺旋线圈优化方法，其特征在于，步骤(2)包括：

将螺旋线圈简化为由一组不同尺寸的同心圆环，对线圈的半球形轮廓进行线性化处理，建立耦合线圈的磁场理论模型。

7.根据权利要求6所述的半球形螺旋线圈优化方法，其特征在于，步骤(3)包括：

计算圆环电流在空间中任意一点P的磁感应强度B

其中，μ是磁导率，a为从坐标原点指向电流元S的向量，R为从电流元S指向点P的向量；

将磁感应强度的表达式从笛卡尔坐标系变换为圆柱坐标系，将电磁耦合器在一点(ρ,z)处产生的磁感应强度分布看做

其中，B_ρ,i,B_z,i分别是半径为a_i的第i匝线圈产生的水平和竖直方向上的磁感应强度分量；

通过在平面特定区域内等间距地取e×f个点存放到一个矩阵中，获得该平面区域内线圈产生的磁感应强度分布B_plane

8.根据权利要求5所述的半球形螺旋线圈优化方法，其特征在于，线圈从圆周外围向中心环绕填充线圈区域，直到圆环内部被完全填充。

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