CN105429315A - 应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置 - Google Patents

Abstract

应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，属于磁耦合谐振式无线电能传输技术领域。解决了现有的移动运输设备的电力供给安全可靠性低、维护成本高、供电效率低的问题。每相接收线圈包括m个矩形线圈，n相接收线圈位于铁氧体磁芯的下表面；m×n个线圈依次沿实际运动方向平铺排列，后一个接收线圈的前端压在前一个接收线圈的后端，且重叠区域等宽，相邻两个接收线圈的间距D为与双极型供电轨道中的相邻两个磁极中心间距d的1/n；每个矩形线圈沿实际运动方向的长度L不超过双极型供电轨道中的相邻两个磁极中心间距d；每相接收线圈中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接。它适用于电动汽车的无线供电。

Description

应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置

技术领域

本发明属于磁耦合谐振式无线电能传输技术领域。

背景技术

随着低碳环保、绿色节能意识的增强，越来越多的移动运输设备采用电能作为其动力来源，常见的供电方式有滑动接触式、电缆拖链式和电池供电式三种。其中，滑动接触方式安全可靠性低，维护成本高，电缆拖链式对移动距离有严格限制，使用环境非常有限。在对设备的灵活性要求较高的场合，通常是用电池供电的方式。而电池供电方式存在两种缺点，一种是存在电池的体积、重量、价格、材料、安全、充电速度、寿命等多方面问题，还有电池的生产过程属于高污染、耗费资源、破坏生态环境的过程，这些缺点给电动汽车的产业化带来困难。另一种是地面上的充电基础设施问题，一方面表现在由于充电时间长，需要大量的充电或换电设施，这些设施需要占用大量的地面面积，同时需要频繁维护，另一方面表现在设备需要频繁的停下充电，较低了设备的运行效率。而利用无线电能传输技术刚好能够解决这些问题。

移动运输设备无线供电系统可以使设备在工作中可以实时供电或者为电池补充电能。该技术不仅可以大幅度甚至无限制的提高设备的续航时间，而且设备上需携带的动力电池的数量也可以大幅度降低，甚至可以完全不需要电池，地面上将不再有充电站、换电站。所有供电设施均在地面以下。设备不要再存在充电问题，电能问题均由地面下的供电网络自动解决。而在实现对移动运输设备无线供电中，无线电能传输结构对系统的性能及建设成本起到极其重要的作用，这些性能包括供电效率、最大传输能力、空气间隔、侧移能力、耐久度、电磁辐射强度、对环境影响程度等等多个方面。如何通过对供电轨道铁氧体磁芯结构以及电能接收装置的结构进行合理的设计，从而改善上述性能，是本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有的移动运输设备的电力供给安全可靠性低、维护成本高、供电效率低等问题。现提供一种应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，该重叠线圈多相接收装置配合双极型供电轨道实现无线电能传输。

应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，该重叠线圈多相接收装置配合双极型供电轨道实现无线电能传输；

它包括n相接收线圈和铁氧体磁芯4，每相接收线圈包括m个矩形线圈，其中n为大于等于2的整数，m为大于等于1的整数；n相接收线圈均位于铁氧体磁芯4的下表面；

m×n个线圈依次沿实际运动方向平铺排列，后一个接收线圈的前端压在前一个接收线圈的后端，且重叠区域等宽，相邻两个接收线圈的间距D为与双极型供电轨道中的相邻两个磁极中心间距d的1/n；

每个矩形线圈沿实际运动方向的长度L不超过双极型供电轨道中的相邻两个磁极中心间距d；

从一侧算起，第1个接收线圈、第n+1个接收线圈、第2n+1个接收线圈、……、及第(m-1)×n+1个接收线圈组成第1相接收线圈1，第1相接收线圈1中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接；

第2个接收线圈、第n+2个接收线圈、第2n+2个接收线圈、……、及第(m-1)×n+2个接收线圈组成第2相接收线圈2；第2相接收线圈2中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接；

……；

第n个接收线圈、第2n个接收线圈、……、及第m×n个接收线圈组成第n相接收线圈；第n相接收线圈中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接。

铁氧体磁芯4为平板型铁氧体磁芯，平板型铁氧体磁芯完全覆盖n相接收线圈的内边缘围成的区域。

铁氧体磁芯4为条状铁氧体磁芯，条状铁氧体磁芯沿平行于实际运动方向排列，最外侧的两个条状铁氧体磁芯之间的距离完全覆盖n相接收线圈的内边缘围成的区域。

接收线圈采用LITZ线或者多股绝缘漆包线绕制。

应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，重叠线圈多相接收装置与双极型供电轨道配合使用，完成无线供电；双极型供电轨道包括供电线缆、磁极和铁氧体磁芯，磁极位于铁氧体磁芯上，供电线缆缠绕在磁极上，且相邻磁极上的磁场方向相反；发射线圈与原边补偿电容串联，利用高频逆变电源进行供电；

它还包括副边补偿电容1、副边补偿电容2、……、副边补偿电容n和n个整流桥；n＝n；

第1相接收线圈1与副边补偿电容1串联，副边补偿电容1连接第1个整流桥；

第2相接收线圈2与副边补偿电容2串联，副边补偿电容2连接第2个整流桥；

……；

第n相接收线圈与副边补偿电容n串联，副边补偿电容n连接第n个整流桥；

n个整流桥并联后作为应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置的输出端。

本发明的有益效果为：本发明中的多相接收线圈利用线圈重叠的方式，是在传统接收的基础上发展而来的，既继承了传统接收装置的优点，同时又克服传统接收装置沿轨道移动时存在功率接收不连续、平均接收功率低等特点。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

1、接收装置沿供电轨道移动时，不存在功率零点，能够实现电能的连续传输；

2、接收装置沿轨道移动时传输功率波动范围小，具有更大的平均传输功率；

3、每相接收线圈分时工作，因而不用考虑每相接收线圈间的互感的影响，提高了系统的鲁棒性和易实现性；

4、接收装置采用平面型结构，结构轻薄，占用空间小；

5、接收线圈尺寸设计自由度大，通过优化，接收装置与发射端能够具有更高的耦合程度。

本发明适用于电动汽车的无线供电。

附图说明

图1为二相二线圈接收装置线圈结构示意图；

图2为图1的底视图；

图3为平板型铁氧体磁芯完全覆盖线圈的二相二线圈接收装置结构示意图；

图4为图3的底视图；

图5为平板型铁氧体磁芯完全覆盖线圈的二相四线圈接收装置结构示意图；

图6为图5的底视图；

图7为三相三线圈接收装置线圈结构示意图；

图8为图7的底视图；

图9为平板磁芯完全覆盖线圈的三相六线圈接收装置结构示意图；

图10为图9的底视图；

图11为平板型铁氧体磁芯仅覆盖线圈中间空余位置的二相四线圈接收装置结构示意图；

图12为条状铁氧体磁芯仅覆盖线圈中间空余位置的二相四线圈接收装置结构示意图；

图13为平板型铁氧体磁芯完全覆盖线圈的二相四线圈接收装置与一种双极型供电轨道配合工作时的空间位置示意图；

图14为图13的侧视图；

图15为所发明接收装置对应的系统整体结构示意图；

图16为两个接收线圈之间异名端串联的结构示意图；

图17为两个接收线圈之间同名端串联的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1至图17具体说明本实施方式，本实施方式所述的应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，该重叠线圈多相接收装置配合双极型供电轨道实现无线电能传输；

它包括n相接收线圈和铁氧体磁芯4，每相接收线圈包括m个矩形线圈，其中n为大于等于2的整数，m为大于等于1的整数；n相接收线圈均位于铁氧体磁芯4的下表面；

m×n个线圈依次沿实际运动方向平铺排列，后一个接收线圈的前端压在前一个接收线圈的后端，且重叠区域等宽，相邻两个接收线圈的间距D为与双极型供电轨道中的相邻两个磁极中心间距d的1/n；

每个矩形线圈沿实际运动方向的长度L不超过双极型供电轨道中的相邻两个磁极中心间距d；

从一侧算起，第1个接收线圈、第n+1个接收线圈、第2n+1个接收线圈、……、及第(m-1)×n+1个接收线圈组成第1相接收线圈1，第1相接收线圈1中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接；

第2个接收线圈、第n+2个接收线圈、第2n+2个接收线圈、……、及第(m-1)×n+2个接收线圈组成第2相接收线圈2；第2相接收线圈2中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接；

……；

第n个接收线圈、第2n个接收线圈、……、及第m×n个接收线圈组成第n相接收线圈；第n相接收线圈中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接。

本实施方式中，图1至图6中，接收线圈均为二相接收线圈，即n＝2，包括第1相接收线圈1和第2相接收线圈2；

图7至图10中，接收线圈线圈均为三相接收线圈，即n＝3，包括第1相接收线圈1、第2相接收线圈2和第3相接收线圈3；

图1至图4与图7、图8中，每相接收线圈中均含有1个矩形线圈，即m＝1；

图5、图6、图9和图10中，每相接收线圈中均含有2个矩形线圈，即m＝2。

每个矩形线圈沿实际运动方向的长度L不超过双极型供电轨道中的相邻两个磁极中心间距d；每个矩形线圈垂直于实际运动方向的长度根据实际尺寸限制及侧移能力的要求确定。

本实施方式中，重叠线圈多相接收装置中的每相接收线圈中，相邻两个接收线圈按异名端依次串接，亦即每相接收线圈存在电流时，从线圈一侧观察，相邻的两个接收线圈中的电流方向(顺时针或逆时针)相反。

按照图16和图17中的记载的内容，设具有互感为M、电感分别为L₁和L₂的两个接收线圈，若将两个接收线圈的异名端相连，即作正向串联(串联顺接)时，其等值电感L＝L₁+L₂+2M；若将两个接收线圈的同名端相连，即作反相串联(串联反接)时，等值电感L＝L₁+L₂-2M。

第1相接收线圈1中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接，还可表述为第1个接收线圈、第n+1个接收线圈、第2n+1个接收线圈、……、及第(m-1)×n+1个接收线圈依次作正向串联。

第2相接收线圈2中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接，还可表述为第2个接收线圈、第n+2个接收线圈、第2n+2个接收线圈、……、及第(m-1)×n+2个接收线圈依次作正向串联。

……；

第n相接收线圈中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接，还可表述为第n个接收线圈、第2n个接收线圈、……、及第m×n个接收线圈依次作正向串联。

具体实施方式二、参照图3、图5、图9、图11、具体说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置的进一步说明，本实施方式中，铁氧体磁芯4为平板型铁氧体磁芯，平板型铁氧体磁芯完全覆盖n相接收线圈的内边缘围成的区域。

这样能够使得接收线圈具有足够的自感，同时保证接收线圈与供电轨道中的发射线圈具有较高的耦合程度。

具体实施方式三、参照图12具体说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置的进一步说明，本实施方式中，铁氧体磁芯4为条状铁氧体磁芯，条状铁氧体磁芯沿平行于实际运动方向排列，最外侧的两个条状铁氧体磁芯之间的距离完全覆盖n相接收线圈的内边缘围成的区域。

相比一整块平板型铁氧体磁芯，条状铁氧体磁芯会略微的降低接收装置的电能接收性能，但却能够减小接收装置的重量，同时降低接收装置的成本。

具体实施方式四、本实施方式是对实施方式一所述的应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置的进一步说明，本实施方式中，接收线圈采用LITZ线或者多股绝缘漆包线绕制。

本实施方式中，LITZ线为利兹线或李兹线。各相接收线圈均采用LITZ线或者多股绝缘漆包线绕制以减小线圈内阻，提高传输效率。

具体实施方式五、参照图13、图14和图15具体说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置的进一步说明，本实施方式中，

重叠线圈多相接收装置与双极型供电轨道配合使用，完成无线供电；双极型供电轨道包括供电线缆、磁极和铁氧体磁芯，磁极位于铁氧体磁芯上，供电线缆缠绕在磁极上，且相邻磁极上的磁场方向相反；发射线圈与原边补偿电容串联，利用高频逆变电源进行供电；

它还包括副边补偿电容1、副边补偿电容2、……、副边补偿电容n和n个整流桥；n＝n；

第1相接收线圈1与副边补偿电容1串联，副边补偿电容1连接第1个整流桥；

第2相接收线圈2与副边补偿电容2串联，副边补偿电容2连接第2个整流桥；

……；

第n相接收线圈与副边补偿电容n串联，副边补偿电容n连接第n个整流桥；

n个整流桥并联后作为应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置的输出端。

参照图13和图14，应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，作为接收装置配合双极型发射导轨(发射端)进行电能的无线传输，双极型发射导轨中相邻磁极上磁场方向相反，重叠线圈多相接收装置与双极型供电轨道配合工作时，交变的电流通过供电线缆在相邻的磁极上产生实时相反的交变的磁场，发射端与接收装置通过磁场耦合作用即能实现电能的无线传输；图14中的箭头方向表示磁力线方向。

参照图15，n相接收线圈各自配接补偿电容(又称谐振补偿电容)，之后各自接整流桥，n个整流桥并联连接后作为接收装置输出，给负载供电，接收装置在双极型供电轨道上方正常工作时，任意时刻与发射线圈(供电线缆)耦合系数最大的一相接收线圈中存在电流，其他相处于被截止状态。

Claims (5)

1.应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，该重叠线圈多相接收装置配合双极型供电轨道实现无线电能传输；其特征在于，

它包括n相接收线圈和铁氧体磁芯(4)，每相接收线圈包括m个矩形线圈，其中n为大于等于2的整数，m为大于等于1的整数；n相接收线圈均位于铁氧体磁芯(4)的下表面；

m×n个线圈依次沿实际运动方向平铺排列，后一个接收线圈的前端压在前一个接收线圈的后端，且重叠区域等宽，相邻两个接收线圈的间距D为与双极型供电轨道中的相邻两个磁极中心间距d的1/n；

每个矩形线圈沿实际运动方向的长度L不超过双极型供电轨道中的相邻两个磁极中心间距d；

从一侧算起，第1个接收线圈、第n+1个接收线圈、第2n+1个接收线圈、……、及第(m-1)×n+1个接收线圈组成第1相接收线圈(1)，第1相接收线圈(1)中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接；

第2个接收线圈、第n+2个接收线圈、第2n+2个接收线圈、……、及第(m-1)×n+2个接收线圈组成第2相接收线圈(2)；第2相接收线圈(2)中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接；

……；

第n个接收线圈、第2n个接收线圈、……、及第m×n个接收线圈组成第n相接收线圈；第n相接收线圈中的相邻两个接收线圈按异名端依次串接。

2.根据权利要求1所述的应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，其特征在于，铁氧体磁芯(4)为平板型铁氧体磁芯，平板型铁氧体磁芯完全覆盖n相接收线圈的内边缘围成的区域。

3.根据权利要求1所述的应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，其特征在于，铁氧体磁芯(4)为条状铁氧体磁芯，条状铁氧体磁芯沿平行于实际运动方向排列，最外侧的两个条状铁氧体磁芯之间的距离完全覆盖n相接收线圈的内边缘围成的区域。

4.根据权利要求1所述的应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，其特征在于，接收线圈采用LITZ线或者多股绝缘漆包线绕制。

5.根据权利要求1所述的应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置，重叠线圈多相接收装置与双极型供电轨道配合使用，完成无线供电；双极型供电轨道包括供电线缆、磁极和铁氧体磁芯，磁极位于铁氧体磁芯上，供电线缆缠绕在磁极上，且相邻磁极上的磁场方向相反；发射线圈与原边补偿电容串联，利用高频逆变电源进行供电；

其特征在于，它还包括副边补偿电容1、副边补偿电容2、……、副边补偿电容n和n个整流桥；n＝n；

第1相接收线圈(1)与副边补偿电容1串联，副边补偿电容1连接第1个整流桥；

第2相接收线圈(2)与副边补偿电容2串联，副边补偿电容2连接第2个整流桥；

……；

第n相接收线圈与副边补偿电容n串联，副边补偿电容n连接第n个整流桥；

n个整流桥并联后作为应用于移动运输设备无线供电的重叠线圈多相接收装置的输出端。