一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构技术方案

本发明专利技术公开一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，包括集成在发射端的单极性线圈L

【技术实现步骤摘要】
一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构
本专利技术涉及移动设备感应电能传输
，具体为一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构。
技术介绍
自从1840年法拉第发现电磁感应现象以来，感应电能传输技术就一直被人们所关注和研究。在给移动设备(如电力机车，地铁机车，轻轨列车)进行供电时，这种技术可以克服传统的由导线直接接触供电方式的诸如接触火花、不安全裸露、生产和维护成本高、在化工领域易产生爆炸事故等缺点。感应电能传输技术具有巨大的发展潜力。一般的感应电能传输系统由两部分组成，第一部分是一次侧能量发射系统，它包含直流电源、高频逆变器、谐振器、发射线圈等装置，第二部分是二次侧能量接收系统，它包含负载、整流器、谐振器、接收线圈等装置。它的工作过程为：直流电源输入的直流电经过高频逆变器变为高频交流电，发射线圈的高频交流电通过发射线圈和接收线圈之间的电磁耦合在接收线圈上感应出同频交流电，同频交流电通过整流器变为直流电供给负载，完成能量的非接触式传输。近年来，随着插电式混合动力车和电动汽车的大力发展，感应电能传输系统以其方便、环保、可靠、安全、使用周期长等优点替代有线电能传输系统，成为了新的发展趋势。目前绝大多数研究者关注感应电能传输的电路拓扑结构，系统效率，控制方法和磁场耦合设计等方面的研究，只有很少研究者关注其大功率传输方面的研究。然而，大功率的感应电能传输系统在公共交通中的需求越来越大，系统所要提供的功率达到上百千瓦甚至更大。为了增大感应电能传输系统的功率等级有三种主要的方法，第一种方法是通过在发射端并联多个高频逆变器增大发射功率容量，第二种方法是通过增加发射线圈和接收线圈之间的互感提高传输功率，第三种方法是采用多个发射线圈和一个接收线圈的方式提高发射功率。第一种方法由于存在半导体承受应力要求高和易产生循环电流的问题，其可靠性和安全性较低。第二种方法由于受到线圈尺寸限制和大尺寸、大电感线圈容易产生谐振高压的问题往往并不可行。第三种方法存在需要增加额外的电容来抵消多个发射线圈之间的互感和一个接收端难以满足用户电能需求的缺点。因此，设计一个空间紧凑和对半导体承受应力要求低的大功率感应电能传输系统具有巨大的市场前景。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种能够有效缩小线圈空间，提高系统传输功率容量的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，以解决传统的感应电能传输系统中的热耗散快、组件限制、短时间过载的问题。技术方案如下：一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，包括集成在发射端的单极性线圈Lt1和双极性线圈Lt2，以及与之相隔一段距离集成在接收端的单极性线圈Lr1和双极性线圈Lr2；双极性线圈Lt2和Lr2均包括面积相等极性相反且对称的两个部分，单极性线圈Lt1紧贴于双极性线圈Lt2，单极性线圈Lr1紧贴于双极性线圈Lr2；且上述四个线圈相互平行，各线圈中心点连线所在的直线垂直于线圈平面，各线圈的对称轴相互平行。进一步的，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为双极性线圈Lt2、单极性线圈Lt1、双极性线圈Lr2、单极性线圈Lr1。更进一步的，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为单极性线圈Lt1、双极性线圈Lt2、双极性线圈Lr2、单极性线圈Lr1。更进一步的，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为单极性线圈Lt1、双极性线圈Lt2、单极性线圈Lr1、双极性线圈Lr2。更进一步的，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为双极性线圈Lt2、单极性线圈Lt1、单极性线圈Lr1、双极性线圈Lr2。更进一步的，还包括输入端均并联在直流源Udc上的高频逆变器H1和高频逆变器H2；高频逆变器H1的上输出端连接到初级电感Lft1的上端，初级电感Lft1的下端分别连接到初级电容Cft1和初级补偿电容Ct1的上端，初级补偿电容Ct1的下端连接到单极性线圈Lt1的上端，单极性线圈Lt1的下端分别连接到初级电容Cft1的下端和高频逆变器H1的下输出端；单极性线圈Lr1的上端连接到次级补偿电容Cr1的上端，次级补偿电容Cr1的下端分别连接到次级电容Cfr1的上端和次级电感Lfr1的上端，次级电感Lfr1的下端连接到整流器K1的上输入端，整流器K1的下输入端分别连接到单极性线圈Lr1的下端和次级电容Cfr1的下端，整流器K1的正输出端分别连接到整流器电容Cd1的正极和负载电阻RL的右端，整流器K1的负输出端分别连接到整流器电容Cd1的负极和负载电阻RL的左端；高频逆变器H2的上输出端连接到初级电感Lft2的上端，初级电感Lft2的下端分别连接到初级电容Cft2和初级补偿电容Ct2的上端，初级补偿电容Ct2的下端连接到双极性线圈Lt2的上端，双极性线圈Lt2的下端分别连接到初级电容Cft2的下端和高频逆变器H2的下输出端；双极性线圈Lr2的上端连接到次级补偿电容Cr2的上端，次级补偿电容Cr2的下端分别连接到次级电容Cfr2的上端和次级电感Lfr2的上端，次级电感Lfr2的下端连接到整流器K2的上输入端，整流器K2的下输入端分别连接到双极性线圈Lr2的下端和次级电容Cfr2的下端，整流器K2的正输出端分别连接到整流器电容Cd2的正极和负载电阻RL的右端，整流器K2的负输出端分别连接到整流器电容Cd2的负极和负载电阻RL的左端。更进一步的，电路中各电容和电感的属性满足以下约束关系：其中，为ω系统工作角频率，为初级电感Lft1的电感值，为初级电容Cft1的电容值，为初级电感Lft2的电感值，为初级电容Cft2的电容值；为次级电感Lfr1的电感值，为次级电容Cfr1的电容值，为次级电感Lfr2的电感值，为次级电容Cfr2的电容值；为初级补偿电容Ct1和单极性线圈Lt1等效的初级合成电感LT1的电感值，且式中，为单极性线圈Lt1的电感值，为初级补偿电容Ct1的电容值；为初级补偿电容Ct2和双极性线圈Lt2等效的初级合成电感LT2的电感值，且式中，为双极性线圈Lt2的电感值，为级补偿电容Ct2的电容值；为次级补偿电容Cr1和单极性线圈Lr1等效的次级合成电感LR1的电感值，且式中，为单极性线圈Lr1的电感值，为次级补偿电容Cr1的电容值；为次级补偿电容Cr2和双极性线圈Lr2等效的次级合成电感LR2的电感值，且式中，为双极性线圈Lr2的电感值，为次级补偿电容Cr2的电容值。本专利技术的有益效果是：本专利技术中双向线圈和单级线圈相互解耦，使线圈更紧凑，缩小了线圈空间，减小了半导体承受应力要求，提高了传输功率，解决了传统的感应电能传输系统中的热耗散快、组件限制、短时间过载的问题；将双向线圈和单级线圈集成在发射端和接收端，每个线圈都装配一个并联在同一个直流电源上的逆变器或者并联在同一个负载上的整流器，电路结构采用感应电能传输中的双边LCC补偿结构，有效提高了系统传输功率容量。附图说明图1为本专利技术双极性线圈的结构示意图。图2为本专利技术单极性线圈的结构示意图。图3a为本专利技术四个线圈第一种空间结构的示意图。图3b为本专利技术四个线圈第二种空间结构的示意图。图3c为本专利技术四个线圈第三种空间结构的示意图。图3d为本专利技术四个线圈第四种空间结构的示意图。图4为本专利技术实施例的电路原理图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，包括集成在发射端的单极性线圈L

【技术特征摘要】
1.一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，包括集成在发射端的单极性线圈Lt1和双极性线圈Lt2，以及与之相隔一段距离集成在接收端的单极性线圈Lr1和双极性线圈Lr2；双极性线圈Lt2和Lr2均包括面积相等极性相反且对称的两个部分，单极性线圈Lt1紧贴于双极性线圈Lt2，单极性线圈Lr1紧贴于双极性线圈Lr2；且上述四个线圈相互平行，各线圈中心点连线所在的直线垂直于线圈平面，各线圈的对称轴相互平行。2.根据权利要求1所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为双极性线圈Lt2、单极性线圈Lt1、双极性线圈Lr2、单极性线圈Lr1。3.根据权利要求1所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为单极性线圈Lt1、双极性线圈Lt2、双极性线圈Lr2、单极性线圈Lr1。4.根据权利要求1所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为单极性线圈Lt1、双极性线圈Lt2、单极性线圈Lr1、双极性线圈Lr2。5.根据权利要求1所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，所述四个线圈在空间结构上，自上而下的排列顺序为双极性线圈Lt2、单极性线圈Lt1、单极性线圈Lr1、双极性线圈Lr2。6.根据权利要求1所述的大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于，还包括输入端均并联在直流源Udc上的高频逆变器H1和高频逆变器H2；高频逆变器H1的上输出端连接到初级电感Lft1的上端，初级电感Lft1的下端分别连接到初级电容Cft1和初级补偿电容Ct1的上端，初级补偿电容Ct1的下端连接到单极性线圈Lt1的上端，单极性线圈Lt1的下端分别连接到初级电容Cft1的下端和高频逆变器H1的下输出端；单极性线圈Lr1的上端连接到次级补偿电容Cr1的上端，次级补偿电容Cr1的下端分别连接到次级电容Cfr1的上端和次级电感Lfr1的上端，次级电感Lfr1的下端连接到整流器K1的上输入端，整流器K1的下输入端分别连接到单极性线圈Lr1的下端和次级电容Cfr1的下端，整流器K1的正输出端分别连接到整流器电容Cd1的正极和负载电阻RL的右端，整流器K1的负输出端分别连接到整流器电容Cd1的负极和负载电阻RL的左端；高频逆变器H2的上输出端连接到初级电感Lft2的上端，初级电感Lft2的下端分别连接到初级电容Cft2和初级补偿电容Ct2的上端，初级补偿电容Ct2的下端连接到双极性线圈Lt2的上端，双极性线圈Lt2的下端分别连接到初级电容Cft2的下端和高频逆变器H2的下输出端；双极性线圈Lr2的上端连接到次级补偿电容Cr2的上端，次级补偿电容Cr2的下端分别连接到次级电容Cfr2的上端和次级电感Lfr2的上端，次级电感Lf...

【专利技术属性】
技术研发人员：何正友，李勇，许乔迪，麦瑞坤，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51