一种基于共面双线圈耦合机构的远距离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(WPT)技术领域，具体公开了一种基于共面双线圈耦合机构的远距离无线电能传输系统，设计的共面双线圈耦合机构包括原边共面线圈和副边共面线圈；原边共面线圈包括方形线圈L1和方形线圈L2，方形线圈L2放置在方形线圈L1正中并与之共面；副边共面线圈包括方形线圈L3和方形线圈L4，方形线圈L4放置在方形线圈L3正中并与之共面。该耦合机构在一次侧的同一平面和二次侧的同一平面上各增加了一个无源线圈，可提高无线电能传输系统的传输距离，该耦合机构不占用功率传输空间，并在几百千赫的工作频率范围内实现大功率传输，比双线圈耦合结构具有更强的耦合能力和更低的线圈自感应电压，适用于长距离无线电能传输。输。输。

【技术实现步骤摘要】
一种基于共面双线圈耦合机构的远距离无线电能传输系统


[0001]本专利技术涉及无线电能传输(WPT)
，尤其涉及一种基于共面双线圈耦合机构的远距离无线电能传输系统。

技术介绍

[0002]无线电能传输(WPT)技术利用磁场、电场、激光或其他介质实现非接触式电能传输，具有灵活性、安全性、可靠等优点。特别是磁耦合无线电能传输(MC
‑
WPT)技术是近年来的研究热点。传输距离一直是限制无线电能传输技术的关键问题。目前，能够提高传输距离的方法主要包括增加工作频率、增加中继线圈和优化阻抗。在一些研究中，通过去除补偿网络，使系统以自共振状态运行。在这种情况下，提高了系统的工作频率，减少了补偿网络的功率损耗，从而提高了系统的电能传输能力。在一些研究中，增加了中继线圈，以延长发射级与接收级之间的传输距离，通常用于高压传输线在线监测设备的无线供电。有学者提出了在发射级中使用串联/并联电容器矩阵，其中阻抗可以自动重新配置，跟踪不同距离的最优阻抗匹配点，以提高系统传输效率。然而，在高工作频率下的高功率电能传输受到限制，中继线圈占据了有效的电能传输空间，阻抗优化对传输距离的改善有限。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种基于共面双线圈耦合机构的远距离无线电能传输系统，解决的技术问题在于：如何有效增加无线电能传输系统的传输距离。
[0004]为解决以上技术问题，本专利技术提供一种基于共面双线圈耦合机构的远距离无线电能传输系统，其关键在于，该系统包括共面双线圈耦合机构，所述共面双线圈耦合机构包括原边共面线圈和副边共面线圈；
[0005]所述原边共面线圈包括边长为l1的方形线圈L1和边长为l2的方形线圈L2，所述方形线圈L2放置在所述方形线圈L1正中并与之共面，所述方形线圈L1连接逆变器；
[0006]所述副边共面线圈包括边长为l3的方形线圈L3和边长为l4的方形线圈L4，所述方形线圈L4放置在所述方形线圈L3正中并与之共面，所述方形线圈L4连接整流滤波电路；
[0007]所述原边共面线圈和所述副边共面线圈之间的距离即无线传输距离为d。
[0008]优选的，所述方形线圈L1、所述方形线圈L2、所述方形线圈L3、所述方形线圈L4均采用同一种线绕制成单层线圈。
[0009]优选的，所述共面双线圈耦合机构的参数采用如下步骤设计：
[0010]S1、根据实际需求确定所述方形线圈L1的边长l1和所述方形线圈L3的边长l3；
[0011]S2、确定所述方形线圈L1的绕线宽度a1和所述方形线圈L2的绕线宽度a2均为a且等于一固定值a0，以及所述方形线圈L1与所述方形线圈L2的间隙d1等于一固定值d0；
[0012]S3、确定所述方形线圈L3的绕线宽度a3等于所述方形线圈L4的绕线宽度a4等于未知数b，设所述方形线圈L3与所述方形线圈L4之间的间隙为d2；
[0013]S4、采用已知电源激励所述方形线圈L1，计算所述共面双线圈耦合机构在不同的b
和不同的d2下的等效耦合系数k
eq
，k
eq
通过下式计算：
[0014][0015]L
p_eq
为原边侧等效自感，L
s_eq
为副边侧等效自感，R
L
为负载电阻，M
eq
为等效互感，G
v
为系统的电压增益，M
12
为所述方形线圈L1与所述方形线圈L2之间的互感，M
34
为所述方形线圈L3与所述方形线圈L4之间的互感，ω为系统的工作角频率；
[0016]S5、确定等效耦合系数k
eq
为最大值时的1组以上b、d2值；
[0017]S6、确定b、d2的值为1组以上b、d2值中的任意一组；
[0018]S7、改变a、d1，计算所述共面双线圈耦合机构在不同的a和不同的d1下的等效耦合系数k
eq
；
[0019]S8、确定等效耦合系数k
eq
为最大值时的1组以上a、d1值；
[0020]S9、确定a、d1的值为1组以上a、d1值中的任意一组。
[0021]优选的，l1＝l3。
[0022]优选的，在确定了所述共面双线圈耦合机构的参数后，无线传输距离d通过如下步骤设计：
[0023]U1、计算d取不同值时、系统工作频率f取不同值时系统电压增益G
v
，并绘制对应的关系图；
[0024]U2、确定无线传输距离d为：随着d的增加、f的增加，G
v
的峰值点数从2个变为1个且从最小点变为最大点的d值。
[0025]优选的，系统的工作频率f确定为：随着d的增加、f的增加，G
v
的峰值点数从2个变为1个且从最小点变为最大点的f值。
[0026]优选的，该系统还包括与所述方形线圈L1串联的补偿电容C1，与所述方形线圈L2串联的补偿电容C2，与所述方形线圈L3串联的补偿电容C3，与所述方形线圈L4串联的补偿电容C4。
[0027]优选的，C1、C2、C3、C4的参数满足：
[0028][0029]其中ω0是电路的谐振角频率，f0是ω0对应的频率。
[0030]优选的，L1＝L4，L2＝L3，C1＝C4，C2＝C3。
[0031]本专利技术提供的一种基于共面双线圈耦合机构的远距离无线电能传输系统，设计了一种共面双线圈耦合机构，该耦合机构在一次侧的同一平面和二次侧的同一平面上各增加了一个无源线圈，可提高无线电能传输系统的传输距离，该耦合机构不占用功率传输空间，并在几百千赫的工作频率范围内实现大功率传输，比双线圈耦合结构具有更强的耦合能力和更低的线圈自感应电压，适用于长距离无线电能传输。
附图说明
[0032]图1是本专利技术实施例提供的共面双线圈耦合机构的三维结构图；
[0033]图2是本专利技术实施例提供的基于共面双线圈耦合机构的远距离无线电能传输系统的电路拓扑图；
[0034]图3是本专利技术实施例提供的图2所示电路的简化示意图；
[0035]图4是本专利技术实施例提供的不同传输距离下电压增益与工作频率的关系图(R
eq
＝30Ω)；
[0036]图5本专利技术实施例提供的不同负载下电压增益与工作频率的关系图(d＝50cm)；
[0037]图6本专利技术实施例提供的不同传输距离下系统输出电流与负载的关系图；
[0038]图7本专利技术实施例提供的共面双线圈耦合器与双线圈耦合器的等效互感对比图；
[0039]图8本专利技术实施例提供的共面双线圈耦合器与双线圈耦合器的等效耦合系数对比图；
[0040]图9本专利技术实施例提供的共面双线圈耦合器与双线圈耦合器的感应电压对比图；
[0041]图10本专利技术实施例提供的逆变器电压和电流仿真波形图；
[0042]图11本专利技术实施例提供的线圈电流仿真波形图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于共面双线圈耦合机构的远距离无线电能传输系统，其特征在于，该系统包括共面双线圈耦合机构，所述共面双线圈耦合机构包括原边共面线圈和副边共面线圈；所述原边共面线圈包括边长为l1的方形线圈L1和边长为l2的方形线圈L2，所述方形线圈L2放置在所述方形线圈L1正中并与之共面，所述方形线圈L1连接逆变器；所述副边共面线圈包括边长为l3的方形线圈L3和边长为l4的方形线圈L4，所述方形线圈L4放置在所述方形线圈L3正中并与之共面，所述方形线圈L4连接整流滤波电路；所述原边共面线圈和所述副边共面线圈之间的距离即无线传输距离为d。2.根据权利要求1所述的一种基于共面双线圈耦合机构的远距离无线电能传输系统，其特征在于，所述方形线圈L1、所述方形线圈L2、所述方形线圈L3、所述方形线圈L4均采用同一种线绕制成单层线圈。3.根据权利要求2所述的一种基于共面双线圈耦合机构的远距离无线电能传输系统，其特征在于，所述共面双线圈耦合机构的参数采用如下步骤设计：S1、根据实际需求确定所述方形线圈L1的边长l1和所述方形线圈L3的边长l3；S2、确定所述方形线圈L1的绕线宽度a1和所述方形线圈L2的绕线宽度a2均为a且等于一固定值a0，以及所述方形线圈L1与所述方形线圈L2的间隙d1等于一固定值d0；S3、确定所述方形线圈L3的绕线宽度a3等于所述方形线圈L4的绕线宽度a4等于未知数b，设所述方形线圈L3与所述方形线圈L4之间的间隙为d2；S4、采用已知电源激励所述方形线圈L1，计算所述共面双线圈耦合机构在不同的b和不同的d2下的等效耦合系数k
eq
，k
eq
通过下式计算：L
p_eq
为原边侧等效自感，L
s_eq
为副边侧等效自感，R
L
为负载电阻，M
eq
为等效互感，G
v
为系统的电压增益，M
12
为所述方形线圈L1与所述方形线圈L2之间的互感，M
34
为所...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢涵宇，丰宇宸，费迎军，邓棚亓，范元双，刘哲，侯嘉赫，简鸿博，李翔宇，马骏，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：