用于低电位与高电位之间的无线功率传递的系统、以及高压断路器技术方案

本发明专利技术涉及用于无线功率传递的系统(1)，该系统包括功率传递设备(2)，该功率传递设备(2)包括电容器单元(6)和电感器单元(4)，电容器单元(6)和电感器单元(4)串联连接以形成LC谐振电路。电感器单元(4)被设计为形成具有环形形状的包络(5)，该包络形成了具有至少一匝的电感线圈，其在包络外部生成了用于无线功率传递的振荡磁场。每一匝的端部借助于绝缘间隙而彼此电气绝缘，并且通过包络内部的导线而适当地连接。在包络内部配置电容器单元(6)，使得包络包裹电容器单元以及电容器单元与电感器单元之间的导线。

System for wireless power transfer between low potential and high potential, and high voltage circuit breaker

The invention relates to a system (1) for wireless power transmission, which comprises a power transmission device (2), which comprises a capacitor unit (6) and an inductor unit (4), wherein the capacitor unit (6) and the inductor unit (4) are connected in series to form an LC resonant circuit. The inductor unit (4) is designed to form an envelope (5) with a ring shape, which forms an inductance coil with at least one turn, and an oscillating magnetic field for wireless power transmission is generated outside the envelope. The ends of each turn are electrically isolated from each other by means of an insulating gap, and are properly connected by wrapping an internal conductor. A capacitor unit (6) is arranged inside the envelope so that the envelope wraps the capacitor unit and the wires between the capacitor unit and the inductor unit.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于低电位与高电位之间的无线功率传递的系统、以及高压断路器
本专利技术涉及一种用于无线功率传递的系统，该系统包括至少一个功率传递设备，该功率传输设备包括串联连接以形成LC谐振电路的电容器单元和电感器单元。特别地，本专利技术涉及一种适用于在高压环境中功率传递的系统。本专利技术还涉及一种使用这种系统的高压断路器。
技术介绍
在高压系统中，在通常位于离地面一定高度、相对于地面电位很高(高达几百kV)的区域，需要辅助电源的情况并不少见。这是操作各种设备所必需的，其中一些设备涉及基本功能，诸如为断路器供电、为电池充电或维护用于状态监测的通信。例如，致动高压断路器的一种标准方法是利用电机充能弹簧结构(位于地面电位)与绝缘杆一起操作。通常，电机较为庞大，机构较为复杂，并且绝缘杆在一定时间内只传输单个机械脉冲。将电力无线传递到处于高电位的系统的部分、以容易地操作断路器(例如，通过处于高电位的电机或致动器、以及其他设备)将是非常方便的。因此，需要能够无线供电的设备，诸如位于高电位的断路器、传感器和能源存储装置等等。这里的高电位是指相对于地面1kV以上的电压。为了避免闪络，高电位区域通常位于离地面电位一定距离的地方，最高可达几米。电压越高，需要离地的距离越远，例如，在空气中150kV需要1.2m的间隙。因此，问题在于如何在如此大的距离从地面传递功率以便到达要供电的设备。进行这样的功率传递的已知方法原理上是通过使用磁耦合的LC谐振器的磁感应。然而，在高压环境下，尖锐的边缘和金属部件的细节可能发生严重问题，诸如，部分由放电引起的问题，并且最坏的情况是由于尖锐的边缘周围的电场梯度过大而产生电弧。为了将能量带上高电位区域，必须解决该问题。CN205355968公开了一种使用LC谐振电路的、用于在高压环境中的无线功率传输的系统。该功率传输系统包括发射线圈、接收线圈和重复线圈。发射线圈和接收线圈分别设置在高电位和地电位。重复线圈设置在发射线圈与接收线圈之间。重复线圈具有沿着等电位表面的曲线形状，以在发射线圈与接收线圈之间形成平滑的电场分布。该文件中没有提到电容器在系统中的使用。在高压环境下使用电容器的问题是，除非采取适当的屏蔽措施，否则电容器的导电内部结构和连接导线可能有尖锐的边缘，这导致上述电场梯度过大。因此，这种屏蔽措施是任何可接受的设计解决方案的必要组成部分。US2016/284459A1公开了一种空气磁芯装置，其具有由在螺旋形状中包裹的板状结构形成的第一环形，并且包括空气芯。该装置进一步具有第二环形，该第二环形以同心方式包络第一环形。本文件描述了一个实施例，其中该装置用于传递功率。然后，该环形被两个地方的绕组环绕，其中一个绕组将功率传递给环形，并且另一个绕组将该功率接收。由于绕组的存在，该装置不能用于高压环境下不同电位之间的功率传递。此外，由于绕组环绕着环形，不能认为功率传递是无线的，因为发射器和接收器像传统的变压器那样是物理上分离的实体。
技术实现思路
本专利技术的目的是至少部分地克服上述问题，并提供一种适合于在高压环境下的无线功率传递的系统。该目的通过权利要求1所定义的用于无线功率传递的系统来实现。该系统包括功率传递设备，该功率传递设备包括串联连接的电容器单元和电感器单元，以形成适用于无线功率传递的LC谐振电路。根据本专利技术，电感器单元被设计为形成具有环形形状的包络，该包络形成了具有至少一匝的电感器线圈，并且每一匝的端部借助于绝缘间隙而彼此电气绝缘。在包络内部配置电容器单元，使得包络包裹电容器单元以及电容器单元与电感器单元之间的导线。形成具有至少一匝的线圈的包络生成了用于无线功率传递的振荡磁场。本专利技术通过将电感器单元设计成平滑的环形、更具体地说是环形体，并将电容器单元置于该环形体内部，解决了由于尖锐的边缘引起的电场梯度过大的问题。因此，实现了具有环形外形的LC谐振器。该环形具有平滑的表面并且没有尖锐的边缘，因此将电场梯度过大的问题最小化。LC谐振器的环形将确保LC谐振器周围的电场分布平滑，这意味着最小的电应力。电容器单元由具有环形形状的包络包围。因此，具有环形形状的包络形成了电容器单元周围的屏蔽，并且由此防止了电容器处的电场梯度过大，并且由此防止了电容器损坏。本专利技术的想法是将环形几何应用到功率传递设备，以使得在高压环境中的平滑电场力和电应力。高压环境可以是AC或DC。根据本专利技术，该系统能够实现位于不同电位处的设备之间可靠的功率传递。电位差可以相当大，即从1kV直到几百kV。电感器的环形形状还确保了电感器中的电流分布良好，以避免电感器中的热点，该热点否则会造成过大的损耗并且可能对电感器造成损坏。包络包裹电容器单元以及电容器单元与电感器单元之间的导线，由此向系统提供电感，并且同时将系统内部与高强度磁场屏蔽。此外，这将由于外部高电场带来的应力最小化。电感器单元与电容器单元串联连接。由于电感器单元具有环形形状，所以由于电流通过LC谐振电路而产生的磁场将会穿过该环形的中间孔，并且在该环形的外部周围。根据本专利技术的实施例，绝缘间隙从包络的内部周缘向外部周缘径向地延伸，使得形成了至少一个电感器匝，该至少一个电感器匝从绝缘间隙的一侧延伸到绝缘间隙的另一侧。绝缘间隙是在环形形状包络周围以径向方向延伸的沟或槽，以提供每匝端部之间的电气绝缘，使得匝没有被短路。由于绝缘间隙，包络形成了具有至少一匝的电感器线圈，并且每匝的端部借助于绝缘间隙而彼此电气绝缘。环形包络因此提供LC谐振器中的电感，并且其可以由串联连接的一个、两个或多个电感器匝组成。根据本专利技术的实施例，绝缘间隙填充有绝缘材料，以提供电感器单元的端部之间的电气绝缘并且提供机械稳定性。根据本专利技术的实施例，电感器单元包括串联连接的多个电感器匝，以形成电感器绕组。例如，这是通过将包络分成多个部分而实现的，该多个部分从绝缘间隙的一侧延伸到绝缘间隙的另一侧，并且在包络内部的部分之间添加了合适的导线连接。然后，包络的每个部分形成了完整电感器绕组的一个电感器匝，并且各匝通过绝缘间隙而彼此电气绝缘。多于一个匝导致了更高的电感器电压，并且因此需要更低的电容值。匝数的选择是一个优化问题，取决于电容器可用的特性，诸如能量密度、额定电压、损耗和价格。包络并且因此导体由导电材料制成，诸如铝或铜。导电材料有两个用途。第一，导电材料在LC谐振器电路中形成一匝或多匝电感器。第二，导电材料可以将电容器单元电气屏蔽和磁屏蔽，并且因此保护电容器免受外部高电压应力和环形外部由谐振器自身产生的强磁场的影响。根据本专利技术的实施例，包络由铜制成。铜既是良好的电导体又是良好的热导体。包络的环形形状显示了相对较大的表面，并且因为铜具有高的导热性，所以包络最优地耗散了由电容器和连接导线在内部生成的热量。该实施例因此实现了设备的有效冷却。根据本专利技术的实施例，包络具有对称轴线，并且该包络跨对称轴线被分成了第一和第二半包络，第一和第二半包络中的每一个半包络被设计为形成电感器的一匝，在下文称为电感器匝。电感器匝串联连接。在本实施例中，包络由两个区段组成，即上半部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于无线功率传递的系统(1；1’)，所述系统(1；1’)包括功率传递设备(2；2’；2”；2”’)，所述功率传递设备包括电容器单元(6；6a)和电感器单元(4)，所述电容器单元(6；6a)和所述电感器单元(4)串联连接以形成LC谐振电路，其特征在于，所述电感器单元(4)被设计为形成具有环形形状的包络(5；5’；5”；5”’)，所述包络形成具有至少一匝的电感器线圈，并且每匝的端部借助于绝缘间隙而彼此电气绝缘，并且所述电容器单元(6；6a)被布置在所述包络的内部，使得所述包络包裹所述电容器单元以及所述电容器单元与所述电感器单元之间的导线。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170407 EP 17165430.41.一种用于无线功率传递的系统(1；1’)，所述系统(1；1’)包括功率传递设备(2；2’；2”；2”’)，所述功率传递设备包括电容器单元(6；6a)和电感器单元(4)，所述电容器单元(6；6a)和所述电感器单元(4)串联连接以形成LC谐振电路，其特征在于，所述电感器单元(4)被设计为形成具有环形形状的包络(5；5’；5”；5”’)，所述包络形成具有至少一匝的电感器线圈，并且每匝的端部借助于绝缘间隙而彼此电气绝缘，并且所述电容器单元(6；6a)被布置在所述包络的内部，使得所述包络包裹所述电容器单元以及所述电容器单元与所述电感器单元之间的导线。


2.根据权利要求1所述的系统，其中所述绝缘间隙(8；8a-b)从所述包络的内部周缘(11a)径向地延伸到外部周缘(11b)，使得形成具有至少一个电感器匝(L、L1、L2、L3、L4)的电感器，所述至少一个电感器匝(L、L1、L2、L3、L4)从所述绝缘间隙的一侧延伸到所述绝缘间隙的另一侧。


3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述包络(5；5’；5”；5”’)被分为多个部分，所述多个部分从所述绝缘间隙的一侧延伸到所述绝缘间隙的另一侧，并且每个部分被设计为形成电感器匝(L；L1、L2、L3、L4)。


4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述包络(5”)具有对称轴线(S1)并且所述包络跨所述对称轴线被分为第一半包络(5a)和第二半包络(5b)，所述第一半包络和所述第二半包络中的每个半包络被设计为形成至少一个电感器匝(L1、L2)，并且所述电感器匝串联连接。


5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第一半包络(5a)具有第一绝缘间隙(8a)，所述第一绝缘间隙(8a)从所述第一半包络的内部周缘径向地延伸到所述第一半包络的外部周缘，并且所述第二半包络(5b)具有第二绝缘间隙(8b)，所述第二绝缘间隙(8b)从所述第二半包络的内部周缘径向地延伸到所述第二半包络的外部周缘，并且所述功率传递设备(2；2’；2”；2”’)包括连接在所述第一半包络与所述第二半包络之间的至少一个导线(34)。


6.根据权利要求5所述的系统，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·萨利纳斯，D·鲍尔曼，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH