CN108448738A - 一种三相感应式无线电能传输系统的电磁耦合机构 - Google Patents

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Abstract

一种三相感应式无线电能传输系统的电磁耦合机构，属于电磁耦合机构。包括原边能量发射部分与副边能量拾取部分，原边能量发射部分和副边能量拾取部分相对设置且相互平行；原边能量发射部分和副边能量拾取部分均为四层结构，具体为磁芯层、A相线圈层、B相线圈层与C相线圈层，磁芯层是由结构尺寸相同的一组铁氧体条组成的网格结构，A相线圈层与B相线圈层均是由两个结构尺寸相同的矩形线圈组成，而且A相线圈层与B相线圈层正交叠放，C相线圈层是一个矩形线圈且放置在A相线圈层与B相线圈层的正上方。优点：该电磁耦合机构能够使三相感应式无线电能传输系统中的A相、B相、C相之间无交叉耦合，大大简化了整个系统的设计。

Description

一种三相感应式无线电能传输系统的电磁耦合机构
技术领域
本发明涉及一种电磁耦合机构，特别是一种三相感应式无线电能传输系统的电磁耦合机构。
背景技术
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，简称WPT)最早诞生于十九世纪的美国，其是一种借助空间无形软介质(如磁场、电场、激光、微波等)，实现电能由源设备传递至受电设备的全新电能接入模式。该技术实现供受电设备之间电气隔离，因此从根本上杜绝了传统有线供电模式带来的器件磨损、接触不良、接触火花等问题，是一种洁净、安全、灵活的新型供电模式，被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。
目前对感应耦合电能传输技术(Inductive Coupled Power Transfer,ICPT)的研究主要集中在单相ICPT系统，然而对于应用在大功率无线供电的场合单相ICPT系统存在传输功率较小、输出纹波较大等不足，相比于单相ICPT系统，三相ICPT系统具有传输功率大、三相整流输入、输出纹波小的优势，然而，由于三相ICPT系统磁路机构复杂、系统阶数高、多线圈交叉耦合等问题，仍存在大量的技术难题需要解决。因此三相ICPT技术仍处于缓慢的理论研究阶段。
目前国内外学者针对三相ICPT系统也进行了一定的研究，但是由于三相ICPT系统中原边发射端与副边拾取端各包括三个线圈，使得整个系统中存在15种耦合系数，其中有效耦合系数为3种，而其余12种交叉耦合系数的存在使得整个系统阶数增高，从而大大增加了三相感应式无线电能传输系统建模分析的难度。在文章“A three-phase bi-directional IPT system for contactless charging of electric vehicles”中为简化分析其所提出的三相ICPT系统，并没有考虑系统中存在的交叉耦合系数的存在，但是在该文章中并未给出与此相对应的电磁耦合机构模型；文章“Aligned three-thase inductivecoupled structure applied to contactless charging paddle system for electricvehicles”提出一种三相ICPT系统的电磁耦合机构，但是该电磁耦合机构中15中耦合系数均存在，包括有效耦合系数与交叉耦合系数，使得系统的建模分析工作量大大增加，同时由于交叉耦合系数的存在，使得电磁耦合机构的三相之间存在耦合关系，因此造成该电磁耦合机构在设计时较为复杂。
发明内容
本发明的目的是要克服现有技术中的不足处，提供一种三相感应式无线电能传输系统的电磁耦合机构，解决现有三相感应式无线电能传输系统建模分析难度大的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：三相感应式无线电能传输系统的电磁耦合机构，包括原边能量发射部分与副边能量拾取部分，原边能量发射部分和副边能量拾取部分相对设置且相互平行；原边能量发射部分和副边能量拾取部分均为四层结构，具体为磁芯层、A相线圈层、B相线圈层与C相线圈层，磁芯层是由结构尺寸相同的一组铁氧体条组成的网格结构，A相线圈层与B相线圈层均是由两个结构尺寸相同的矩形线圈组成，而且A相线圈层与B相线圈层正交叠放，C相线圈层是一个矩形线圈且放置在A相线圈层与B相线圈层的正上方。
优选的，所述磁芯层的铁氧体条纵横交叉排列，形成中心对称结构，网格均匀分布，磁芯层、A相线圈层、B相线圈层与C相线圈层中心对齐放置。
优选的，原边能量发射部分和副边能量拾取部分的结构尺寸相同，A相线圈层与B相线圈层的结构尺寸相同，而C相线圈层是一个矩形线圈。
有益效果，由于采用了上述方案，三相感应式无线电能传输系统的电磁耦合机构，该电磁耦合机构可以消除三相ICPT系统中存在的交叉耦合系数，使其只存在有效耦合系数，可以把三相ICPT系统简化为单相ICPT系统，从而可以大大简化三相ICPT系统的建模分析。对于两个线圈，如果其之间存在耦合互感，从本质上来讲是两个线圈之间存在耦合磁通。本发明提出的电磁耦合机构，从其磁通分布来讲使得三相感应式无线电能传输系统中，只存在A相原边线圈与A相副边线圈的有效耦合系数、B相原边线圈与B相副边线圈的有效耦合系数、C相原边线圈与C相副边线圈的有效耦合系数此3种有效耦合系数，其他12个交叉耦合系数均不存在，相比于现有的三相电磁耦合机构，可以大大降低系统设计的复杂程度，并同时可以增加三相感应式无线电能传输系统的传输功率与传输效率。解决了现有三相感应式无线电能传输系统建模分析难度大的问题，达到了本发明的目的。
优点：该电磁耦合机构能够使三相感应式无线电能传输系统中的A相、B相、C相之间无交叉耦合，大大简化了整个系统的设计，并同时增加了三相感应式无线电能传输系统的传输功率与传输效率。
附图说明
图1为本发明三相感应式无线电能传输系统主电路拓扑结构示意图。
图2为本发明实施例1的结构示意图。
图3(a)为本发明实施例1中原边能量发射部分的A相绕线方式。
图3(b)为本发明实施例1中原边能量发射部分的B相绕线方式。
图3(c)为本发明实施例1中原边能量发射部分的C相绕线方式。
图4(a)为本发明实施例1中所述的电磁耦合机构的铁氧体磁芯层结构示意图。
图4(b)为本发明图4(a)磁芯层铁氧体结构75％体积的铁氧体磁芯层结构示意图。
图5(a)为本发明实施例1中电磁耦合机构中关键参数的示意图。
图5(b)为本发明实施例1中电磁耦合机构的侧视图。
具体实施方式
本发明的电磁耦合机构，包括原边能量发射部分与副边能量拾取部分，原边能量发射部分和副边能量拾取部分相对设置且相互平行；原边能量发射部分和副边能量拾取部分均为四层结构，具体为磁芯层、A相线圈层、B相线圈层与C相线圈层，磁芯层是由结构尺寸相同的一组铁氧体条组成的网格结构，A相线圈层与B相线圈层均是由两个结构尺寸相同的矩形线圈组成，而且A相线圈层与B相线圈层正交叠放，C相线圈层是一个矩形线圈且放置在A相线圈层与B相线圈层的正上方。
优选的，所述磁芯层的铁氧体条纵横交叉排列，形成中心对称结构，网格均匀分布，磁芯层、A相线圈层、B相线圈层与C相线圈层中心对齐放置。
优选的，原边能量发射部分和副边能量拾取部分的结构尺寸相同，A相线圈层与B相线圈层的结构尺寸相同，而C相线圈层是一个矩形线圈。
下面结合附图中的实施例对本发明作更进一步的说明：
如图1所示为三相感应式无线电能传输系统主电路拓扑，如图2所示为实施例1的结构图，包括：原边能量发射部分和副边能量拾取部分：其中，原边能量发射部分包括原边磁芯层101、A相原边能量发射线圈102、B相原边能量发射线圈103与C相原边能量发射线圈104，C相原边能量发射线圈104放置在B相原边能量发射线圈103上方，B相原边能量发射线圈103放置在A相原边能量发射线圈102的上方；副边能量拾取部分包括副边磁芯层201、A相副边能量拾取线圈202、B相副边能量拾取线圈203与C相副边能量拾取线圈204，C相副边能量拾取线圈204放置在B相副边能量拾取线圈203上方，B相副边能量拾取线圈203放置在A相副边能量拾取线圈202的上方。
原边发射端与副边拾取端中A、B、C相的线圈的缠绕方式分别如图3(a)、3(b)、3(c)所示，A相原边能量发射线圈与B相原边能量发射线圈均是由两个矩形线圈组成且A相原边能量发射线圈与B相原边能量发射线圈正交叠放，C相原边能量发射线圈为单一的矩形线圈；A相副边能量拾取线圈与B相副边能量拾取线圈也均是由两个矩形线圈组成且A相副边能量拾取线圈与B相副边能量拾取线圈正交叠放，C相副边能量拾取线圈也为单一的矩形线圈，原副边线圈均是由利兹线绕制而成。
三相感应式无线电能传输系统中电磁耦合机构的磁芯层的结构有两种形式如图4表示，图4(a)所示的磁芯层铁氧体结构，铁氧体块的尺寸为720×720×30mm，原副边所用的铁氧体的体积是31104cm3，A相有效耦合系数k是0.33、B相有效耦合系数k是0.33、C相有效耦合系数k是0.24；图4(b)所示的磁芯层铁氧体结构，铁氧体条尺寸为720×30×30mm，原副边所用的铁氧体的体积是23328cm3，A相有效耦合系数k是0.32、B相有效耦合系数k是0.32、C相有效耦合系数k是0.24。图4(b)的磁芯层铁氧体结构所用的体积是图4(a)所示的磁芯层铁氧体结构的75％，而且耦合系数也相差不大，所以选择图4(b)作为本发明的磁路耦合机构的铁氧体磁芯层结构。
实施例1中的三相感应式无线电能传输系统电磁耦合机构的原边能量发射部分与副边能量拾取部分的结构相同，绕线方式也相同。以原边能量发射部分为例，其关键的结构参数如图5所示：由原边磁芯101与A相原边能量发射线圈102、B相原边能量发射线圈103及C相原边能量发射线圈组成，整体结构呈中心对称。A相原边能量发射线圈102与B相原边能量发射线圈103正交叠放，C相原边线圈层104是一个矩形线圈且放置在A相原边线圈层102与B相原边线圈层103的正上方，整个原边发射部分呈中心对齐结构。原边磁芯层101和副边磁芯层201均是由铁氧体条纵横交叉均匀排列组成，原边磁芯层101和副边磁芯层201整体呈中心对称。组成原边磁芯层101和副边磁芯层201的铁氧体条的长度分别与原边线圈和副边线圈的内轮廓长度相等。
表1反映的是实施例1中原副边线圈之间的耦合系数，共有15个耦合系数值，通过表1的各项数据可以看出在实施例1中的三相感应式无线电能传输系统电磁耦合机构中，A相有效耦合系数k是0.324、B相有效耦合系数k是0.325、C相有效耦合系数k是0.235，交叉耦合系数与有效耦合系数相比均至少相差2个数量级以上，可以忽略不计。因此本发明的电磁耦合机构能消除三相感应式无线电能传输系统中交叉耦合的影响。
表1

Claims (3)

1.一种三相感应式无线电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于：它包括原边能量发射部分与副边能量拾取部分，所述原边能量发射部分和副边能量拾取部分相对设置且相互平行；原边能量发射部分和副边能量拾取部分均为四层结构，具体为磁芯层、A相线圈层、B相线圈层与C相线圈层，磁芯层是由结构尺寸相同的一组铁氧体条组成的网格结构，A相线圈层与B相线圈层均是由两个结构尺寸相同的矩形线圈组成，而且A相线圈层与B相线圈层正交叠放，C相线圈层为一个矩形线圈，且放置在A相线圈层与B相线圈层的正上方。
2.根据权利要求1所述的三相感应式无线电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于：所述磁芯层的铁氧体条纵横交叉排列，形成中心对称结构，网格均匀分布，磁芯层、A相线圈层、B相线圈层与C相线圈层中心对齐放置。
3.根据权利要求1所述的三相感应式无线电能传输系统的电磁耦合机构，其特征在于：所述原边能量发射部分和副边能量拾取部分的结构尺寸相同，A相线圈层与B相线圈层的结构尺寸相同，而C相线圈层是一个矩形线圈。
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