水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)由陸上無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)衍生而來(lái)，二者在傳輸原理與系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)上是一致的，但由于海水介質(zhì)及水下設(shè)備的特殊性質(zhì)，使得水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)面臨著諸多特有的問(wèn)題。

1 磁耦合諧振下的海水電渦流損耗計(jì)算

當(dāng)諧振頻率變高時(shí)，渦流損耗會(huì)急劇增大。在海洋環(huán)境中進(jìn)行磁耦合諧振式電能傳輸方式時(shí)，交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)又會(huì)在海水中產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，由于海水具有較大的電導(dǎo)率，其產(chǎn)生的電渦流損耗較大，會(huì)降低海水中電能傳輸效率，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

國(guó)內(nèi)外的研究大部分只是提到在海水中進(jìn)行非接觸式電能傳輸時(shí)，存在電渦流損耗，但大都沒(méi)有理論推導(dǎo)，也沒(méi)有具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式，文獻(xiàn)[39]中假定線(xiàn)圈間隙磁場(chǎng)為均勻分布，得到了間隙渦流損耗的近似表達(dá)式，該表達(dá)式可用于渦流損耗的定性分析，但無(wú)法精確計(jì)算渦流損耗，難以對(duì)系統(tǒng)效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行理論指導(dǎo)，因此，需要對(duì)電渦流損耗進(jìn)行精確定量分析，研究其產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，為提升水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)男侍峁├碚摶A(chǔ)。

2 水下電磁兼容與電磁隱身問(wèn)題

水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)向機(jī)電設(shè)備供電時(shí)，將產(chǎn)生高頻強(qiáng)電磁干擾，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)和空間傳導(dǎo)向四周發(fā)射，將干擾水下機(jī)電設(shè)備中的各類(lèi)電氣與電子設(shè)備，影響功能正常發(fā)揮，甚至造成設(shè)備損傷，高強(qiáng)度電磁輻射還將威脅人員、電磁武器的安全。因此對(duì)水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，需要開(kāi)展針對(duì)性的水下電磁兼容設(shè)計(jì)，采取抑制措施來(lái)減小電磁傳導(dǎo)干擾源和電磁輻射干擾源。

反過(guò)來(lái)，電氣與電子設(shè)備工作產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)對(duì)水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)造成干擾，二者頻率越接近，干擾將越嚴(yán)重，無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率就越低。關(guān)于水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題，文獻(xiàn)[40]中采用的罐形磁心可降低線(xiàn)圈工作時(shí)對(duì)外界產(chǎn)生的磁干擾，但對(duì)于受電設(shè)備本身無(wú)法形成有效防護(hù)?？偠灾?，目前國(guó)內(nèi)外研究成果較少，還沒(méi)有明確的研究結(jié)論和設(shè)計(jì)方法，值得廣大研究人員進(jìn)行深入研究。

水下軍用裝備的電磁隱身性能是發(fā)揮戰(zhàn)術(shù)性能和確保自身安全的關(guān)鍵性能之一。作為水下軍用裝備的電源，水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的電磁隱身性能極其重要，要減少向外輻射電磁波，還要盡量吸收敵方的雷達(dá)探測(cè)電磁波，做到“電磁隱身”。一直以來(lái)水下裝備的電磁隱身設(shè)計(jì)都是世界各軍事強(qiáng)國(guó)的研究重點(diǎn)，出于保密要求，公開(kāi)的技術(shù)資料幾乎沒(méi)有。

一方面要盡可能減少電磁干擾，降低向系統(tǒng)外輻射電磁波的強(qiáng)度，另一方面可借鑒先進(jìn)材料技術(shù)，將超材料引入水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足水下電磁隱身的復(fù)合型吸波材料，從而降低水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的雷達(dá)散射面積，提高其生存防御能力和總體作戰(zhàn)性能。

3 多環(huán)境變量擾動(dòng)引起系統(tǒng)性能下降

水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)不僅受海水導(dǎo)電性的影響，還會(huì)因?yàn)楹Ｋ畨毫?、溫度、鹽度、海流速度和附著微生物的影響，改變系統(tǒng)周?chē)拇怕?，引起系統(tǒng)參數(shù)和性能的改變。目前環(huán)境變量擾動(dòng)的研究多側(cè)重于單個(gè)變量，如耦合角度問(wèn)題、水平偏移變化、溫度、鹽度等，而對(duì)多環(huán)境變量擾動(dòng)的研究非常少且不深入。

可在單個(gè)變量研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展多環(huán)境變量擾動(dòng)的綜合仿真，建立基于有限元的電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和流體場(chǎng)多場(chǎng)耦合仿真模型，模擬動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境，得到多環(huán)境變量擾動(dòng)下的系統(tǒng)性能變化規(guī)律。

4 傳輸距離與耦合器體積的矛盾

水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的工作機(jī)理決定了其傳輸距離，加之水下復(fù)雜的工作環(huán)境及其帶來(lái)的損耗進(jìn)一步限制了傳輸距離的擴(kuò)大。對(duì)于感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式，其傳輸距離通常在mm級(jí)，一次線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)防水抗壓封裝后，其間隙距離會(huì)進(jìn)一步縮小。當(dāng)要求較大的傳輸距離時(shí)，必須以增加線(xiàn)圈半徑作為代價(jià)，水下設(shè)備的設(shè)計(jì)一般都較為緊湊，一味增加線(xiàn)圈半徑會(huì)占用水下設(shè)備中寶貴的空間。

如何在不影響設(shè)備體積的情況下進(jìn)一步提高水下無(wú)線(xiàn)傳輸距離，是水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的一大難點(diǎn)。文獻(xiàn)[42]提出的諧振中繼技術(shù)在不改變傳輸線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的情況下，通過(guò)在線(xiàn)圈間隙添加輔助線(xiàn)圈有效提升了傳輸距離，該方式對(duì)結(jié)構(gòu)安裝及使用要求較為苛刻，但為解決這一難題提供了一個(gè)新的思路。

（摘編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用研究綜述”，作者為吳旭升、孫盼等。）水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用研究綜述