CN108649711A - 一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，包括供电磁芯和供电线圈，供电磁芯包括多个原边磁芯和多个副边磁芯，多个原边磁芯和多个副边磁芯均是骨架型磁芯结构，供电线圈包括原边线圈和副边线圈，原边线圈和副边线圈均由多个8字型小线圈串接而成，每个原边磁芯和每个副边磁芯上均绕制一个8字型小线圈，原边线圈和副边线圈之间存在气隙距离；多个原边磁芯围成的骨架型结构与固定端连接，多个副边磁芯围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，形成固定供电设备为旋转设备供电模式，相反设置则形成旋转供电设备为固定设备供电模式。本发明可拆卸安装的非接触，安全可靠且可360°旋转实现电能稳定的无线传输。

Description

一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其是涉及一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置。

背景技术

无线电能传输技术由于摆脱了传统有线电力传输对导线等电导体的依赖，避免了传统的导线直接接触供电方式带来各种问题，如摩擦、老化、接触电阻、火花等问题，满足了特殊用电场合的实际需要，是电能传输的一种全新形式，具有非接触、安全可靠的特点，适用于一些特殊背景应用的场合。

旋转设备无法直接使用电缆方式进行电能传输，因为其旋转工作时电缆会发生缠绕，进而破坏供电电缆，导致供电中断。目前旋转设备主要依靠导电滑环进行电能传输，而滑环采用电刷接触方式供电，因此长时间工作，接触表面磨损严重，接触电阻变大，产生局部过热现象，从而导致接触不良或接触脱离，极大降低了旋转设备供电的可靠性，减少滑环的使用寿命，严重可能导致重大事故发生，而且更换滑环，需消耗较大的成本。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，可拆卸安装的非接触，安全可靠且可360°旋转实现电能稳定的无线传输。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，包括供电磁芯和供电线圈，所述的供电磁芯均为C型磁芯，所述的供电磁芯包括多个原边磁芯和多个副边磁芯，多个所述的原边磁芯和多个所述的副边磁芯均是按照圆周阵列围成的骨架型磁芯结构，骨架型磁芯结构的每处的原边磁芯和副边磁芯位置均按照开口端相对方式布置，所述的供电线圈包括原边线圈和副边线圈，所述的原边线圈和副边线圈均由多个8字型小线圈串接而成，每个所述原边磁芯和每个所述副边磁芯上均绕制一个8字型小线圈，绕制在相对的原边磁芯和副边磁芯上的8字型线圈的位置相对应，所述的原边线圈和副边线圈之间存在气隙距离；

多个所述原边磁芯围成的骨架型磁芯结构与固定端连接，多个所述副边磁芯围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，形成固定供电设备为旋转设备供电模式；

多个所述原边磁芯围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，多个所述副边磁芯围成的骨架型磁芯结构与固定端连接，形成旋转供电设备为固定设备供电模式。

进一步的，多个所述原边磁芯和多个所述副边磁芯及相应线圈均通过一磁芯骨架定位。

进一步的，所述磁芯骨架为中空圆柱状，且在中空圆柱的外表面设有供电磁芯嵌入槽和供电线圈绕制槽。

进一步的，所述原边线圈和副边线圈之间的气隙距离为0.1mm-1m。

进一步的，所有所述8字型线圈均通过胶水固定在相应的磁芯上。

进一步的，所述原边磁芯的圆周阵列的数目为N₁，所述副边磁芯的圆周阵列的数目为N₂，且N₁≥3，N₂≥3。

相对于现有技术，本发明所述的一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置具有以下优势：

本发明所述的一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，采用双极型结构，磁路沿对C磁芯形成闭合回路，因此旋转轴所感应出的涡流损耗较小，且此种结构，可以根据实际需求随意调整磁芯数量，方便安装和拆卸，此种结构可适用于任何形状的旋转轴，而不仅仅局限于圆轴；同时，此种耦合装置，原副边可交互使用，即原边可作为副边使用，副边可作为原边使用，既可以适用于旋转设备的无线供电，又可以作为旋转供电装置为固定装置无线供电，此种装置避免了传统滑环供电方式所存在的接触磨损严重，可靠性差，成本高等问题，具有非接触，安全可靠的特点，具有更加广泛的应用前景，适用于风力发电机、卫星、雷达、石油钻井、直升机旋翼等多个需要给旋转用电设备供电的场合和太阳能电池帆板对空间飞行器主体蓄电池进行供电的情况。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置实现固定供电设备为旋转设备供电模式的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置实现旋转供电设备为固定设备供电模式的结构示意图；

图3为感应式电路图；

图4为串-串谐振拓扑(S-S型)图；

图5为串-并谐振拓扑(S-P型)图；

图6为并-串谐振拓扑(P-S型)图；

图7为并-并谐振拓扑(P-P型)图；

图8为LCL-串谐振拓扑(LCL-S型)图；

图9为LCL-并谐振拓扑(LCL-P型)图；

图10为串-LCL谐振拓扑(S-LCL型)图；

图11为并-LCL谐振拓扑(P-LCL型)图；

图12为LCC-串谐振拓扑(LCC-S型)图；

图13为LCC-并谐振拓扑(LCC-P型)图；

图14为串-LCC谐振拓扑(S-LCC型)图；

图15为并-LCL谐振拓扑(P-LCC型)图；

图16为LCL-LCL谐振拓扑(LCL-LCL型)图；

图17为LCC-LCC谐振拓扑(LCC-LCC型)图；

图18为单原边谐振型电路图；

图19为单副边谐振型电路图；

图20为电路拓扑结构与耦合装置推导关系图。

附图标记说明：

1-原边磁芯，2-副边磁芯，3-原边线圈，4-副边线圈。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，包括供电磁芯和供电线圈，所述的供电磁芯均为C型磁芯，所述的供电磁芯包括多个原边磁芯1和多个副边磁芯2，多个所述的原边磁芯1和多个所述的副边磁芯2均是按照圆周阵列围成的骨架型磁芯结构，骨架型磁芯结构的每处的原边磁芯和副边磁芯位置均按照开口端相对方式布置，所述的供电线圈包括原边线圈3和副边线圈4，所述的原边线圈3和副边线圈4均由多个8字型小线圈串接而成，每个所述原边磁芯1和每个所述副边磁芯2上均绕制一个8字型小线圈，绕制在相对的原边磁芯1和副边磁芯2上的8字型线圈的位置相对应，所述的原边线圈和副边线圈之间存在气隙距离；

多个所述原边磁芯1围成的骨架型磁芯结构设置在多个所述副边磁芯2围成的骨架型磁芯结构外部，多个所述原边磁芯1围成的骨架型磁芯结构与固定端连接，多个所述副边磁芯2围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，形成固定供电设备为旋转设备供电模式，例如本发明可以用于风机变桨系统的无线供电，可以替代原有滑环，经由耦合装置，将电能以非接触的方式送给风机的变桨系统。此时耦合装置原边线圈接逆变源输出，作为能量供给端，副边线圈接风机变桨系统，作为能量副边。多个原边磁芯1和多个副边磁芯2及相应线圈均通过一磁芯骨架定位，且内部的磁芯骨架与旋转端(例如风机主轴)连接，外部的磁芯骨架与固定端(例如底座或外壳)连接。

如图2所示，多个所述原边磁芯1围成的骨架型磁芯结构设置在多个所述副边磁芯2围成的骨架型磁芯结构内部，多个所述原边磁芯1围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，多个所述副边磁芯2围成的骨架型磁芯结构与固定端连接，形成旋转供电设备为固定设备供电模式，例如应用于卫星等空间飞行器。考虑到太阳能电池帆板对空间飞行器主体蓄电池进行供电时，太阳能电池帆板和空间飞行器主体存在相对转动，因此可以采用本发明所设计耦合装置。其中太阳能电池帆板为电能发射端，接耦合装置原边线圈3，内侧线圈作为原边线圈3，可以在空间进行360度旋转。然后通过耦合装置将电能传输到副边线圈4，外部线圈作为副边线圈4，副边线圈4与空间飞行器主体蓄电池相连，从而实现电能的供给，此模式下的多个原边磁芯1和多个副边磁芯2及相应线圈均通过一磁芯骨架定位，且内部的磁芯骨架与旋转端(例如太阳能电池帆板)连接，外部的磁芯骨架与固定端(例如空间飞行器)连接。太阳能电池帆板和空间飞行器主体存在相对转动。

磁芯骨架为中空圆柱状，且在中空圆柱的外表面设有供电磁芯嵌入槽和供电线圈绕制槽。

原边线圈3和副边线圈4之间的气隙距离为0.1mm-1m，两个线圈之间的距离称为气隙距离，可根据实际需求进行调整，气隙距离越小，耦合系数越大，具体可根据需求选定。

所述8字型线圈均通过胶水固定在相应的磁芯上。也可通过磁芯骨架将供电磁芯和供电线圈定位。

所述原边磁芯1的圆周阵列的数目为N₁，所述副边磁芯2的圆周阵列的数目为N₂，且N₁≥3，N₂≥3。如图1和图2所示，原边磁芯1和副边磁芯2各以9块分别围成骨架型磁芯结构。也可以其他数量以及磁芯的尺寸，具体根据需求而定。

本发明工作过程可大体描述如下：首先给原边线圈3通电，通电后原边线圈3产生的磁场环路通过原边磁芯1和副边磁芯2形成的C磁芯闭合回路，此时若原边线圈3的电流发生变化，就可以在副边线圈4中产生感应电压，从而实现了将能量、信号等耦合到副边线圈4。

本发明所设计的耦合装置不仅适用于感应式无线供电，还可适用于任何一种磁耦合谐振式无线供电，并且适用于任何一种谐振电路拓扑，比如说串-串谐振拓扑(S-S型)，串-并谐振拓扑(S-P型)，并-串谐振拓扑(P-S型)，并-并谐振拓扑(P-P型)，LCL-串谐振拓扑(LCL-S型)，LCL-并谐振拓扑(LCL-P型)，串-LCL谐振拓扑(S-LCL型)，并-LCL谐振拓扑(P-LCL型)，LCC-串谐振拓扑(LCC-S型)，LCC-并谐振拓扑(LCC-P型)，串-LCC谐振拓扑(S-LCC型)，并-LCL谐振拓扑(P-LCC型),LCL-LCL谐振拓扑(LCL-LCL型)，LCC-LCC谐振拓扑(LCC-LCC型)，同样本发明所设计的耦合装置还适用于单边谐振的拓扑结构，具体电路拓扑如图3-图19所示。

上述电路拓扑中，U_S为系统等效逆变源；R_S为逆变源等效内阻；R₁，R₂，R₃，R₄分别为对应拓扑中电感的内阻值，R_L为系统负载；C₀，C₁，C₂，C₃分别为对应的谐振补偿电容器。

本发明所设计耦合装置满足互感计算模型M为耦合装置互感；k为耦合系数，计算公式L1，L2分别为原、副边线圈线圈电感量。

通常利用耦合装置的耦合系数k和原副边线圈的品质因数Q1和Q2作为参数变量，来对无线供电系统的输出功率、效率进行优化分析。系统效率的变化规律一般为：线圈的品质因数Q1，Q2越高，k越大，效率越高。系统的效率或者输出功率公式可通过拓扑推导得到，然后可根据理论分析结果，对耦合装置进行优化设计，具体的关系框图如图20所示。其中原、副边线圈的品质因数分别记作为：其中，ω为系统工作角频率，ω＝2πf，f为系统频率。

相关参数为：

耦合装置参数变化范围：

此种耦合装置的气隙距离变化范围为：0.1mm-1m；

耦合系数k变化范围：0.001-0.99；

可适用系统工作频率范围：50Hz-20MHz；

线圈自感L1，L2变化范围:1μH-5mH。

适用负载范围：0.1Ω-1000Ω。

品质因数Q参数范围：1-50000。

此耦合装置适配性高，应用广泛。

此种耦合机构采用双极型结构，即C型磁芯的两端分别作为不同的磁极，然后原副边之间实现磁场的闭合。此种结构最大的优点是不同于嵌套形式的线圈，并未采用嵌套线圈，而是多个小线圈串接，因此针对某些旋转设备位置特殊，无法将耦合装置嵌套安装于旋转轴的情况，此种结构，可通过组装方式安装在旋转轴四周，仅需将各线圈串接即可，具有安装、拆卸方便的特点。同时此种结构磁场不受旋转轴材质所影响，具有更小的涡流损耗，可适应更多的应用环境。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，其特征在于：包括供电磁芯和供电线圈，所述的供电磁芯均为C型磁芯，所述的供电磁芯包括多个原边磁芯(1)和多个副边磁芯(2)，多个所述的原边磁芯(1)和多个所述的副边磁芯(2)均是按照圆周阵列围成的骨架型磁芯结构，骨架型磁芯结构的每处的原边磁芯(1)和副边磁芯(2)位置均按照开口端相对方式布置，所述的供电线圈包括原边线圈(3)和副边线圈(4)，所述的原边线圈(3)和副边线圈(4)均由多个8字型小线圈串接而成，每个所述原边磁芯(1)和每个所述副边磁芯(2)上均绕制一个8字型小线圈，绕制在相对的原边磁芯(1)和副边磁芯(2)上的8字型线圈的位置相对应，所述的原边线圈(3)和副边线圈(4)之间存在气隙距离；

多个所述原边磁芯(1)围成的骨架型磁芯结构与固定端连接，多个所述副边磁芯(2)围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，形成固定供电设备为旋转设备供电模式；

多个所述原边磁芯(1)围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，多个所述副边磁芯(2)围成的骨架型磁芯结构与固定端连接，形成旋转供电设备为固定设备供电模式。

2.根据权利要求1所述的一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，其特征在于：多个所述原边磁芯(1)和多个所述副边磁芯(2)及相应线圈均通过一磁芯骨架定位。

3.根据权利要求2所述的一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，其特征在于：所述磁芯骨架为中空圆柱状，且在中空圆柱的外表面设有供电磁芯嵌入槽和供电线圈绕制槽。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，其特征在于：所述原边线圈(3)和副边线圈(4)之间的气隙距离为0.1mm-1m。

5.根据权利要求1所述的一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，其特征在于：所有所述8字型线圈均通过胶水固定在相应的磁芯上。

6.根据权利要求4所述的一种用于旋转设备无线电能传输的双极型耦合装置，其特征在于：所述原边磁芯(1)的圆周阵列的数目为N₁，所述副边磁芯(2)的圆周阵列的数目为N₂，且N₁≥3，N₂≥3。