CN103155059B - 非接触电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

一种非接触感应耦合电能传输系统，所述系统包括多个电能发射线圈和电能接收线圈对以及电能管理模块，电能管理模块用于控制针对发射线圈的电能供应、或通过电能接收模块供应给负载的电能。所述设计尤其适用于风力涡轮机以将电能提供给引擎舱。发射线圈可以采用相同频率同相位来驱动、或者采用被选择的不同频率来驱动以避免发射线圈和电能发射模块之间的相互影响。发射线圈和接收线圈可以采用传统的滑环型配置来布置，其中相邻的线圈对被物理地间隔开以避免与彼此屏蔽的相邻的发射线圈和接收线圈对的交叉耦合。电能发射模块可以利用零电压开关ZVS。开始时如果存在储存的共振能量，则电能发射模块可以跟随储存的共振能量的ZVS频率。开始时如果不存在储存的共振能量，则电能发射模块可以短暂地驱动一个或更多个发射线圈，并且在延迟之后跟随储存的共振能量的ZVS频率。

Description

非接触电能传输系统
技术领域
本发明涉及一种非接触近场感应耦合电能传输系统。
背景技术
在工业应用的范围中，电能通过滑环在相对旋转的部件之间传输，从而诸如将电能提供给风力涡轮机的引擎舱。由于单个滑环的电能处理限制，通常利用多个滑环来提供充足的电流处理量。然而，传统的滑环需要高水平的维护，并且易于故障。
非接触近场感应耦合电能传输系统典型地利用单个发射线圈和接收线圈对，以避免与多个发射线圈和接收线圈对相关的松散耦合和负相互作用。典型地利用尺寸上适于传输所需的电能的单个线圈对。在需要冗余的情况下，所需的冗余通过提供交替的无感耦合链接（诸如通过电刷型滑环）来实现。
提供有效、可靠的电能传输系统或者至少向公众提供有益的选择将是令人期待的，其中所述系统用于在故障情况下提供冗余的分隔开的部件之间传输电能。
发明内容
根据一个示例性实施例，提供了一种非接触近场感应耦合电能传输系统，所述系统包括：
a.多个电能发射线圈；
b.多个电能接收线圈，每个电能接收线圈在使用中与所述电能发射线圈中被选择的电能发射线圈感应耦合；
c.电能发射模块，所述电能发射模块用于给电能发射线圈分配电能；
d.电能接收模块，所述电能接收模块用于将由电能接收线圈接收的电能供应给多个相关联的负载；以及
e.电能管理模块，所述电能管理模块用于控制针对电能发射线圈的电能供应、或者由电能接收模块供应给所述负载的电能，
其中所述电能管理模块基于所述负载的电能需求控制所述电能发射模块给所述电能发射线圈中的被选择的电能发射线圈分配电能。
电能发射模块可以是驱动全部发射线圈的单个电路、或者用于每个通道的分开的电路。发射线圈可以采用相同频率同相位被驱动，或者采用所选择的不同频率被驱动以避免发射线圈与电能发射模块之间的相互作用。电能接收模块可以是单个电路，或者可以包括驱动各个发射线圈的多个接收器电路。电路可以被电隔离或者共享公共地线。
电能管理模块可以控制驱动电路与电能接收器电路之间的电能分配。控制可以基于用户指定的电能分配参数和/或关于发射器侧故障、接收器侧故障、所述负载的电能需求等的感测信息。电能管理模块可以控制电能分配模块，以采用能够将所需的电能供应给接收器模块的最小数目的发射线圈和接收线圈对、以及在故障的情况下采用隔离故障通道。
发射线圈和接收线圈可以布置成传统的滑环型配置，其中相邻的线圈对物理地间隔开，以避免与彼此屏蔽的相邻的发射线圈和接收线圈对交叉耦合。所述屏蔽可以由李兹线（Litz wire）形成。
无线通信链路可以被设置成在发射模块和/或接收模块和/或电能管理模块之间传送信息。
电能发射模块可以利用零电压开关（ZVS）。开始时如果存在储存的共振能量，电能发射模块可以跟随储存的共振能量的ZVS频率。开始时如果不存在储存的共振能量，则电能发射模块可以短暂地驱动一个或更多个发射线圈，并且在延迟之后跟随储存的共振能量的ZVS频率。
附图说明
合并在说明书中并且组成说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与以上给出的本发明的概述、以及以下给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1示出了电能传输系统的示意图。
图2示出了电能传输系统的发射线圈和接收线圈的物理实现。
图3示出了具有与无线通信系统结合的三个电隔离的输出的电能传输系统的示意图。
图4示出了组合式电能传输与无线通信系统的示意图，其中，三个电能通道共享同一地线。
具体实施方式
参见图1，示出了包括电能发射模块1、驱动发射线圈4、5以及6的电能传输系统。在本实施例中，尽管可以采用单个驱动电路，但是电能发射模块1具有分隔的驱动电路7、8以及9。电能接收模块2从分别与线圈4至6感应耦合的线圈10至12中接收电能。在本实施例中，尽管可以采用单个电路，但是电能接收模块2包括分开的接收器电路13至15。电路13至15可以被电隔离以提供良好的隔离，或者可以共享公共地线以便消除电能堆积。
电能管理模块3控制针对发射线圈4至6的电能供应，并且控制由接收线圈10至12接收的针对负载的电能分配。在本实施例中，电能管理模块3包括控制驱动电路7、8以及9的发射器控制电路16；控制接收器电路13至15的接收器控制电路17、以及给连接的负载分配电能的分配电路18。
电能管理模块3可以包括传感器，以监控驱动电路7、8以及9和接收器电路13至15的故障情况。检测信息和控制信息可以通过无线通信链路24来传送，所述无线通信链路24也可以用作其他信息（例如，在风力涡轮机中的刀片位置信息和刀片倾斜控制信号）的通信链路。在驱动电路7至9中存在故障的情况下，故障电路可以被隔离，并且电能被用于其余的驱动电路。同样地在接收器电路中存在故障的情况下，故障电路可以被隔离，并且分配电路可以将电能分配给连接的负载。可以不需要单独的分配电路18，并且故障的接收器电路可以仅仅与提供公共输出供应的其余电路隔离。
电能管理模块3可以储存用户指定的有关电路控制的参数：包括负载属性、优选操作模式等。电能管理模块3也可以包括传感器，以监控电能供应和负载的电能需求，并且控制电能传输系统的操作以尽可能好地满足用户指定的优先次序。尽管示出发射线圈和接收线圈的一对一配对，但是也可以不需要一对一关系，单个发射线圈也可以驱动多个接收线圈。
电能发射模块可以利用零电压开关（ZVS）。开始时如果存在储存的共振能量，则电能发射模块可以跟随储存的共振能量的ZVS频率。开始时如果不存在储存的共振能量，则电能发射模块可以短暂地驱动一个或更多个发射线圈，并且在延迟之后跟随储存的共振能量的ZVS频率。
参见图2，示出了代替风力涡轮机的滑环的电能发射线圈和接收线圈的物理实现。接收线圈10至12被安装在轴19上，并且将电能供应到风力涡轮机的用于节距控制等的引擎舱。发射线圈4至6是固定的，并且与旋转的接收线圈10至12间隔开。将理解的是通过发射线圈4至6产生的磁场可以负相互作用。一种方法是以相同频率同相位驱动所有的发射线圈4至6，使得源于相邻的场的感生电流通常是相长的。另一种方法是以所选择的不同频率来驱动线圈，以避免通道之间的负相互作用。
物理上间隔开的线圈对也可以减小通道之间的负相互作用，但是空间限制可能不允许这样。屏蔽20至23可以被设置在线圈对之间，以减小来自相邻的线圈对的磁场的影响。优选的屏蔽结构由李兹线形成，由于其朝向屏蔽的表面和离开屏蔽的表面起伏，使得感生电流遍及屏蔽被有效地分配，以便减小屏蔽的有效电阻。
参见图3，示出了电能传输系统的一个可能实施例，其具有三个电隔离的电能通道。单个隔离元件25至30保持每个通道之间的隔离。
参见图4，示出了电能传输系统的另一个实施例，其具有非隔离的电能通道。也示出了一种无线通信系统，其能够同时接收诸如RS485、以太网、4-20mA等的不同通信协议，同时在电能管理模块内提供无线通信。
因而提供了一种有效、可靠的电能传输系统，所述系统用于在故障的情况下在提供冗余的相对运动的部件之间传输电能。可以通过利用屏蔽或者通过以被选择避免干扰的频率驱动发射线圈来减小通道之间的负相互作用。也提供了一种实现ZVS操作启动的方法。
尽管已经通过本发明的实施例的描述来说明了本发明，并且已经详细地描述了实施例，但是申请人并不旨在将所附权利要求的范围限定至或以任何方式限制于这种细节。其他的优点和修改对于本领域的技术人员是显而易见的。因此，本发明在其更广泛的方面上，并不限制于具体细节、代表性的装置和方法，以及所示和所描述的说明性的实例。因此，在不脱离发明人的总的发明构思的精神或范围的情况下，可以对这些细节做出修改。

Claims (25)

1.一种非接触近场感应耦合电能传输系统，包括：
a.多个电能发射线圈；
b.多个电能接收线圈，每个所述电能接收线圈在使用中与所述电能发射线圈中的被选择的电能发射线圈电感耦合，以形成多个电能发射线圈与电能接收线圈对；
c.电能发射模块，所述电能发射模块用于给所述电能发射线圈分配电能；
d.电能接收模块，所述电能接收模块用于将由所述电能接收线圈接收的电能供应给一个或更多个相关联的负载；以及
e.电能管理模块，所述电能管理模块用于控制针对所述电能发射线圈的电能供应，以及控制由所述电能接收模块供应给所述负载的电能，
其中，所述电能发射线圈和电能接收线圈相对彼此旋转，并且所述电能管理模块基于一个或更多个负载的电能需求控制所述电能发射模块给所述电能发射线圈中的被选择的电能发射线圈分配电能。
2.如权利要求1所述的电能传输系统，其中，所述电能发射模块是驱动所有电能发射线圈的单个电路。
3.如权利要求2所述的电能传输系统，其中，所述电能发射线圈被以相同频率同相位驱动。
4.如权利要求2所述的电能传输系统，其中，所述电能发射线圈以所选择的不同频率被驱动，以避免电能发射线圈与所述电能发射模块之间的干扰。
5.如权利要求1所述的电能传输系统，其中，所述电能发射模块包括驱动各个电能发射线圈的多个驱动电路。
6.如权利要1或权利要求5所述的电能传输系统，其中，所述电能接收模块包括从各个电能接收线圈接收电能的多个接收器电路。
7.如权利要求6所述的电能传输系统，其中，相邻的线圈对被物理地间隔开，以避免交叉耦合。
8.如权利要求6所述的电能传输系统，其中，所述电路被电隔离。
9.如权利要求6所述的电能传输系统，其中，所述电路共享公共的地线。
10.如权利要求6所述的电能传输系统，其中，所述电能管理模块控制驱动电路之间的电能分配。
11.如权利要求6所述的电能传输系统，其中，所述电能管理模块控制接收器电路之间的电能分配。
12.如权利要求1至5中任意之一所述的电能传输系统，其中，所述电能管理模块基于用户指定的电能分配来控制所述电能发射模块或电能接收模块。
13.如权利要求1至5中任意之一所述的电能传输系统，包括传感器模块，所述传感器模块用于检测所述系统的操作，并且将检测信息提供给所述电能管理模块。
14.如权利要求13所述的电能传输系统，其中，所述传感器模块检测发射器侧的故障，使得所述电能管理模块基于发射器侧的故障情况信息控制所述电能发射模块给发射线圈分配电能。
15.如权利要求13所述的电能传输系统，其中，所述传感器模块检测接收器侧的故障，使得所述电能管理模块基于接收器侧的故障情况信息控制所述电能接收模块给负载分配电能。
16.如权利要求13所述的电能传输系统，其中，所述传感器模块检测所述负载的所述电能需求。
17.如权利要求1至5中任意之一所述的电能传输系统，其中，所述电能管理模块控制所述电能分配模块以采用能够将所需的电能供应到所述接收模块的最小数目的电能发射线圈和电能接收线圈对。
18.如权利要求1至5中任意之一所述的电能传输系统，其中，相邻的电能发射线圈和电能接收线圈对被磁屏蔽。
19.如权利要求18所述的电能传输系统，其中，所述屏蔽由李兹线形成。
20.如权利要求1至5中任意之一所述的电能传输系统，其中，所述电能发射线圈是固定的而所述电能接收线圈相对所述电能发射线圈旋转。
21.如权利要求1至5中任意之一所述的电能传输系统，包括无线通信链路，所述无线通信链路用于在发射模块和/或接收模块和/或电能管理模块之间传递信息。
22.如权利要求1至5中任意之一所述的电能传输系统，其中，所述电能发射模块利用零电压开关ZVS。
23.如权利要求22所述的电能传输系统，其中，开始时如果存在储存的共振能量，则所述电能发射模块跟随储存的共振能量的ZVS频率。
24.如权利要求22所述的电能传输系统，其中，开始时如果不存在储存的共振能量，则所述电能发射模块短暂地驱动一个或更多个发射线圈，并且在延迟之后跟随储存的共振能量的ZVS频率。
25.一种风力涡轮机，包括前述权利要求中任意之一所述的电能传输系统。
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