本报告介绍了一项题为《An Adaptive-Umbrella-Shaped Coupler With Low Leakage Magnetic Field for Ship Wireless Charging Systems》的原创性研究。该研究由大连海事大学轮机工程学院的王智凯（Zhikai Wang，学生会员，IEEE）、于春来（Chunlai Yu，通讯作者）等学者，联合哈尔滨工业大学及国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院的研究人员共同完成。该论文发表于《IEEE Transactions on Transportation Electrification》期刊，卷11，第6期，出版时间为2025年12月。
本研究属于船舶无线电力传输（Ship Wireless Power Transfer, SWPT）技术领域。随着全球对碳排放的严格控制及电池技术的进步，船舶对岸电供电系统的高功率、高效率需求日益增长。传统的插入式岸电系统依赖于暴露的导体，在潮湿、高盐碱的港口环境中存在安全性差、连接效率低的问题。感应式电力传输（Inductive Power Transfer, IPT）技术因无需物理接触而被视为有效的解决方案。
然而，SWPT系统在实际应用中面临一项严峻挑战：电磁兼容性。船舶上装备有磁罗经等高精度导航仪器，对船载电磁设备的磁场辐射有极为严格的屏蔽要求。常规IPT系统通过优化线圈布局或铁氧体结构来减少漏磁，但在船舶动态应用中效果有限。由于海浪、海风等作用，船舶会持续摇晃，这导致安装在船体上的磁耦合器会产生动态、多方向的错位（Misalignment）现象，该现象会显著加剧漏磁场（Leakage Magnetic Field）的产生，使现有设计难以满足安全标准。
为解决上述问题，目前业界已有的解决方案包括增设系泊系统（Mooring System）或使用机械臂辅助对准，但这些方案或无法消除多自由度错位，或未能解决错位导致的漏磁增加问题。基于此，本研究旨在设计一种新型磁耦合器，能够自主适应船舶摇晃导致的动态多向错位，并在高功率传输下始终保持低漏磁状态。
本研究遵循了一个包含理论建模、参数优化、仿真验证和硬件实验的完整技术路线，具体可分为以下几个步骤：
1. 新型自适应伞状（AUS）磁耦合器的结构设计 研究团队提出并设计了一种名为自适应伞状（Adaptive-Umbrella-Shaped, AUS）磁耦合器的新结构。该耦合器由线圈和三重屏蔽层（Shield Layers I–III）构成。屏蔽层I由位于线圈周围及中心的高磁导率铁氧体（Ferrite）组成，包括磁中心（Magnetic Center, MC）、磁遮挡（Magnetic Shelter, MS）和线圈背衬铁氧体。屏蔽层II和III共同构成了一个“伞形唇”（Umbrella-Shaped Lip）结构。其中，屏蔽层II类似于“伞骨”，由刚性铁氧体薄片以45度角固定而成；屏蔽层III类似于“伞面”，由一种名为纳米晶薄带（Nanocrystalline Flake Ribbon, NFR）的软磁芯材料制成，其背面附着在弹性橡胶上。这种设计使得耦合器在不工作时呈“伞闭合”状态，而工作时则在弹性橡胶的引导下，原副边磁芯相互接触并展开，形成“伞张开”状态，为磁通提供低磁阻路径。当错位发生时，软磁芯会相互挤压变形，从而自适应地维持低漏磁状态。
2. 动态紧耦合结构漏磁场解析模型的建立 为定量分析错位对漏磁的影响，研究人员基于磁路欧姆定律，针对AUS耦合器的独特结构，建立了一个漏磁场解析模型（Leakage Magnetic Field Analytical Model）。首先，将方形AUS耦合器沿对角线划分为四个三角形区域以简化计算，并将错位过程分为两个阶段：第一阶段，原副边软屏蔽层III相互接触，可近似为无弹性的直线导体；第二阶段，软屏蔽层III与对侧刚性屏蔽层II发生物理接触，产生不可忽略的显著变形。研究者对不同阶段的磁通路径（Magnetic Flux Path）进行了几何形状分类（如矩形、扇形、梯形），并推导了磁阻（Magnetic Reluctance, ℜ）的定量计算公式。通过拟合仿真数据，他们得到了漏磁路径长度与关键几何参数间的近似表达式，并最终推导出远端漏磁通密度（b）的计算公式，该公式揭示了漏磁场与结构参数和错位距离的函数关系。
3. AUS磁耦合器的多目标优化 为使耦合器在实现高耦合系数（Coupling Coefficient, k）的同时保持低漏磁，研究人员利用3D有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）仿真软件Ansys Maxwell，对AUS耦合器的各项参数进行了多目标优化。 * 屏蔽层I优化： 在限定耦合器体积和重量的前提下，通过参数扫描分析了屏蔽层I的铁氧体芯厚度（t_fe）、宽度（w_ms）以及外延伸长度（d_ol）对漏磁场密度（b_m-280）、耦合系数（k）和磁芯最大磁通密度（b_ferrite）的影响。权衡磁芯损耗、磁饱和裕量等因素后，确定了最优尺寸，例如t_fe为10毫米，w_ms为50毫米。 * 线圈优化： 针对10 kW输出功率和85 kHz谐振频率目标，系统使用S-S型谐振网络。通过仿真研究了线圈匝数（n1）和层数（n2）对互感和漏磁的影响，最终确定为7匝、3层。随后对线圈宽度（w_cu）进行了优化，平衡了耦合系数与漏磁，选定为40毫米。 * 伞形唇参数设计： 基于之前建立的解析模型，并结合仿真数据，确定了屏蔽层II中铁氧体薄片的厚度（t’_ms）为5毫米。
4. 10 kW实船SWPT实验平台的搭建与验证 为验证AUS耦合器的实际性能，研究人员搭建了一台10千瓦功率等级的SWPT系统原型机。该系统包含一个由碳化硅（SiC）MOSFET构成的全桥逆变器、S-S型谐振网络和整流电路。实验使用泰克（Tektronix）示波器、是德科技（Keysight）电流探头和高压差分探头进行波形观测，并使用艾德克斯（ITECH）功率分析仪测量系统效率。实验测试了在船舶晃动模拟条件下，耦合器在最佳对准状态以及各种多向错位状态下的表现，并利用场强探头（Foresight FST-100X）沿预设观测线测量漏磁场。
研究结果证实了AUS耦合器设计的优越性及解析模型的有效性。
1. 性能与效率： 实验样机在耦合器对准状态下，成功传输了10.4 kW的功率，系统的直流-直流（DC-DC）整体效率达到了96.15%。系统总损耗为417瓦，其中耦合器损耗占比48.64%，发射端逆变器和接收端整流器的效率均超过99%。在无主动冷却的条件下，耦合器连续工作10分钟后，温度保持在42℃以下，表现出良好的热管理特性。
2. 漏磁场屏蔽效果： * 对准状态下： 与具有最低漏磁场的平面非接触变压器（Flat Contactless Transformer, FCT）参考对象相比，AUS耦合器的漏磁场降低了78.6%。在距离接收线圈中心700毫米处，磁场强度满足中国GB 8702标准的公众暴露限值（0.14 µT）。 * 动态错位状态下： 在模拟船舶摇晃所导致的动态多向错位范围内（x轴向最大0.01 m, y轴向最大0.01 m），AUS耦合器在最恶劣错位场景下，距线圈中心28厘米处的漏磁场仍能控制在4.77 µT（均方根值）以下。这一数值远低于ICNIRP规定的27 µT（均方根值）的公众安全限值以及15 µT的心脏起搏器安全限值。 * 自适应特性验证： 实验数据表明，当发生多方向平移错位甚至旋转错位时，AUS耦合器的漏磁场并未如传统结构那样显著增加，反而在某些情况下有进一步降低的趋势，完全符合“随着错位增加能自主维持低漏磁状态”的设计目标。当传输间距因异物干扰而增加到5毫米时，通过引入一定程度的错位（如2.5毫米x轴、4毫米y轴偏移加10度旋转），漏磁场能回到接近最优对准的状态。
本研究成功设计、优化并验证了一种用于船舶无线充电系统的新型自适应伞状（AUS）磁耦合器。其核心科学价值在于，首次提出并实现了一种能够将多向动态错位这一不利因素转化为降低漏磁有利条件的磁耦合结构，并为此建立了精确的解析模型。该模型简化了设计仿真过程，降低了时间成本。其重大的应用价值在于，AUS耦合器从根本上解决了限制SWPT技术在实船上应用的关键瓶颈——因船舶晃动导致的高漏磁场问题。该方案无需复杂的主动控制系统，通过纯机械结构自适应，即可在10 kW级功率传输下，确保距耦合器极近距离处的电磁辐射安全，轻松满足ICNIRP等国际和国内严苛的电磁安全标准，展现出极高的工程应用前景。