斐波拉契双螺旋耦合机构及基于此的无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种斐波拉契双螺旋耦合机构及基于此的无线电能传输系统，其发射机构的两个发射线圈正交分布，接收机构的两个接收线圈正交分布，每个线圈均基于斐波拉契间隔排布成中间疏两边密的扁平螺线管线圈，当发生横向、纵向的水平偏移或旋转偏移时耦合系数仅适度减小，具有较强的抗水平偏移、垂直偏移、抗旋转能力，并且耦合机构在旋转后仍具有较强的抗水平偏移、垂直偏移的能力，整体具有较强的综合抗偏移能力。系统采用专设的单管高频谐振式逆变器，该逆变器MOS管数量仅有一个，系统电流总谐波失真非常小。搭建的实验样机实现了纵横向偏移

【技术实现步骤摘要】
斐波拉契双螺旋耦合机构及基于此的无线电能传输系统


[0001]本专利技术涉及无线电能传输
，尤其涉及一种斐波拉契双螺旋耦合机构及基于斐波拉契双螺旋耦合机构的无线电能传输系统。

技术介绍

[0002]无线电能传输(wireless power transfer，WPT)技术不需要物理接触，使能量通过磁场或电场耦合进行传输的技术。无线电能传输相较于有线传输具有更高的安全性、灵活性以及可靠性，被广泛应用于电动汽车、水下勘探、航空航天以及植入式医疗等领域的供电。
[0003]此外，在大多数无线充电的场合，原副边线圈发生偏移的现象不可避免。且随着偏移距离的增加，线圈之间的耦合系数急剧下降，导致WPT系统输出功率、电压以及效率急剧下降。为保证WPT系统输出效率和电压的稳定，学者分别从系统控制、补偿拓扑设计以及磁耦合机构优化三个方面进行了相应的研究。例如在WPT系统加入额外的DC
‑
DC变换器，或者对逆变器进行移相、变频控制以调整电压电流的幅值和相位，补偿拓扑的设计可以避免系统控制复杂的问题但对系统参数有特定的要求。耦合机构是WPT系统的关键组成部分，不同的耦合机构在发生水平偏移或旋转时会导致耦合系数发生不同的变化。例如圆形线圈具有很强的抗旋转特性，但抗水平偏移特性较弱；而DDQ线圈和扁平螺线管线圈具有在某一方向上的强抗偏移特性。而哈尔滨工业大学提出的等间距的扁平螺线管线圈虽显著提高了线圈的抗横向偏移能力，但在纵向和旋转上的抗偏移能力较差。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供基于斐波拉契双螺旋耦合机构的无线电能传输系统，解决的技术问题在于：如何设计一种在水平方向、垂直方向、旋转上的综合抗偏移能力较强的磁耦合机构，以及如何将该磁耦合机构应用在无线电能传输系统上。
[0005]为解决以上技术问题，本专利技术提供一种斐波拉契双螺旋耦合机构，包括发射机构和接收机构，其关键在于，所述发射机构包括第一发射线圈L
P1
和第二发射线圈L
P2
，所述接收机构包括第一接收线圈L
r1
和第二接收线圈L
r2
；
[0006]所述第一发射线圈L
P1
的绕制方式为：沿着第一方向、基于斐波拉契数列间隔先密后疏再密地螺旋绕制而成扁平块状结构；
[0007]所述第二发射线圈L
P2
的绕制方式为：沿着与所述第一方向正交的第二方向、基于斐波拉契数列间隔先密后疏再密地螺旋绕制在所述第一发射线圈L
P1
上；
[0008]所述第一接收线圈L
r1
的绕制方式为：沿着所述第一方向基于斐波拉契数列间隔先密后疏再密地螺旋绕制而成扁平块状结构；
[0009]所述第二接收线圈L
r2
的绕制方式为：沿着所述第二方向、基于斐波拉契数列间隔先密后疏再密地螺旋绕制在所述第一接收线圈L
r1
上。
[0010]优选的，所述发射机构还包括第一扁平块状磁芯，所述第一发射线圈L
P1
绕制在所
述第一扁平块状磁芯上；
[0011]所述接收机构还包括第二扁平块状磁芯，所述第一接收线圈L
r1
绕制在所述第二扁平块状磁芯上。
[0012]本专利技术还提供一种基于斐波拉契双螺旋耦合机构的无线电能传输系统，其关键在于：该系统的磁耦合机构采用权利要求1或2所述的斐波拉契双螺旋耦合机构。
[0013]优选的，该系统包括发射端；所述发射端包括直流电源V
dc
、并联连接所述直流电源的第一高频逆变器、第二高频逆变器，还包括连接所述第一高频逆变器的所述第一发射线圈L
P1
和连接所述第二高频逆变器的所述第二发射线圈L
P2
；
[0014]所述第一高频逆变器和所述第二高频逆变器均采用单管高频谐振式逆变器，所述单管高频谐振式逆变器包括电感L
f
、电容C
f
、NMOS管Q、电容C
P
，所述电感L
f
、NMOS管Q、电容C
P
顺序串联在所述直流电源V
dc
的正极端和负极端之间，其中所述NMOS管Q的源极连接所述电感L
f
、漏极连接所述电容C
P
、栅极作为控制端用于连接第一PWM信号发生器，所述电容C
f
并联在所述NMOS管Q的源极和漏极之间，所述第一发射线圈L
P1
或所述第二发射线圈L
P2
并联在所述电容C
P
的两端，所述直流电源V
dc
的负极端接地。
[0015]优选的，将所述NMOS管Q的位置与所述电容C
p
的位置对调，以及所述第一发射线圈L
P1
或所述第二发射线圈L
P2
的位置与所述电容C
f
的位置对调。
[0016]优选的，所述电感L
f
与所述电容C
f
之间的输入谐振角频率ω
f
满足：
[0017]ω
f
＝λω0[0018]λ∈[1.3,1.5]为调节系数，ω0为所述NMOS管Q的开关角频率。
[0019]优选的，该系统包括接收端；所述接收端包括所述第一接收线圈L
r1
、所述第二接收线圈L
r2
，还包括串联连接所述第一接收线圈L
r1
的电容C
r1
，串联连接所述第二接收线圈L
r2
的电容C
r2
，以及连接所述电容C
r1
的第一整流滤波电路，连接所述电容C
r2
的第二整流滤波电路，并联连接串联的所述第一整流滤波电路的滤波电容C
L1
和所述第二整流滤波电路的滤波电容C
L2
的负载电路。
[0020]优选的，该系统的谐振角频率ω
n
等于所述NMOS管Q的开关角频率ω0。
[0021]优选的，所述负载电路包括NMOS管Q3、二极管D5、电感L0、电容C0、负载电阻R
L
、电阻R1、电阻R2、计算模块和驱动电路，串联的滤波电容C
L1
和滤波电容C
L2
整体看作滤波电容C
L
，所述NMOS管Q3的漏极连接所述滤波电容C
L
的一端，所述NMOS管Q3的源极连接所述二极管D5的负极端，所述二极管D5的正极端连接所述滤波电容C
L
的另一端，所述电感L0与所述电容C0串联后连接在所述二极管D5的两端，所述负载电阻R
L
连接在所述电容C0的两端，所述电阻R1与所述电阻R2串联后连接在所述电容C0的两端，所述计算模块用于采集所述电阻R1或电阻R2的电压并根据该本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.斐波拉契双螺旋耦合机构，包括发射机构和接收机构，其特征在于，所述发射机构包括第一发射线圈L
P1
和第二发射线圈L
P2
，所述接收机构包括第一接收线圈L
r1
和第二接收线圈L
r2
；所述第一发射线圈L
P1
的绕制方式为：沿着第一方向、基于斐波拉契数列间隔先密后疏再密地螺旋绕制而成扁平块状结构；所述第二发射线圈L
P2
的绕制方式为：沿着与所述第一方向正交的第二方向、基于斐波拉契数列间隔先密后疏再密地螺旋绕制在所述第一发射线圈L
P1
上；所述第一接收线圈L
r1
的绕制方式为：沿着所述第一方向基于斐波拉契数列间隔先密后疏再密地螺旋绕制而成扁平块状结构；所述第二接收线圈L
r2
的绕制方式为：沿着所述第二方向、基于斐波拉契数列间隔先密后疏再密地螺旋绕制在所述第一接收线圈L
r1
上。2.根据权利要求1所述的斐波拉契双螺旋耦合机构，其特征在于：所述发射机构还包括第一扁平块状磁芯，所述第一发射线圈L
P1
绕制在所述第一扁平块状磁芯上；所述接收机构还包括第二扁平块状磁芯，所述第一接收线圈L
r1
绕制在所述第二扁平块状磁芯上。3.基于斐波拉契双螺旋耦合机构的无线电能传输系统，其特征在于：该系统的磁耦合机构采用权利要求1或2所述的斐波拉契双螺旋耦合机构。4.根据权利要求3所述的基于斐波拉契双螺旋耦合机构的无线电能传输系统，其特征在于：该系统包括发射端；所述发射端包括直流电源V
dc
、并联连接所述直流电源的第一高频逆变器、第二高频逆变器，还包括连接所述第一高频逆变器的所述第一发射线圈L
P1
和连接所述第二高频逆变器的所述第二发射线圈L
P2
；所述第一高频逆变器和所述第二高频逆变器均采用单管高频谐振式逆变器，所述单管高频谐振式逆变器包括电感L
f
、电容C
f
、NMOS管Q、电容C
P
，所述电感L
f
、NMOS管Q、电容C
P
顺序串联在所述直流电源V
dc
的正极端和负极端之间，其中所述NMOS管Q的源极连接所述电感L
f
、漏极连接所述电容C
P
、栅极作为控制端用于连接第一PWM信号发生器，所述电容C
f
并联在所述NMOS管Q的源极和漏极之间，所述第一发射线圈L
P1
或所述第二发射线圈L
P2
并联在所述电容C
P
的两端，所述直流电源V
dc
的负极端接地。5.根据权利要求4所述的基于斐波拉契双螺旋耦合机构的无线电能传输系统，其特征在于：将所述NMOS管Q的位置与所述电容C
p
的位置对调，以及所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨奕，王雩语，张文鑫，谢诗云，张路，曹萱，张信，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：