CN111049279A - 一种旋转式无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式无线电能传输系统，涉及负载和工频交流电源，包括依次连接的整流滤波电路、原边高频逆变电路、原边补偿电路、旋转式耦合线圈、副边补偿电路、副边整流电路；所述整流滤波电路的输入端和工频交流电源的两端相连，所述副边整流电路的输出端与负载的输入端相连；所述旋转式耦合线圈包括原边耦合装置、副边耦合装置，所述原边耦合装置与副边耦合装置通过轴承相对转动且不接触。本发明的优势在于：避免了接触式汇流环之间的接触磨损，降低成本；本发明信号稳定，工作可靠，使用周期长，不受尘土、污物等各种环境因素的影响，这就大大降低了无线传电部分的成本。

Description

一种旋转式无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体地涉及一种旋转式无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输又称无线电力传输，非接触电能传输，是通过发射电路将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，在通过接收电路将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。根据能量传输过程中中继能量形式的不同，无线电能传输可分为:磁(场)耦合式、电(场)耦合式、电磁辐射式(如太阳辐射)、机械波耦合式(超声)。其中，磁耦合式是目前研究最为火热的一种无线电能传输方式，也就是将高频电源加载到发射线圈，使发射线圈在电源激励下产生高频磁场，接收线圈在此高频磁场作用下，耦合产生电流，实现无线电能传输。

感应式电能传输系统是一种利用电磁感应理论来实现的无线电能传输技术，在航空航天，医疗电路械、水下机电路人、消费电子和交通运输等领域有着广泛的应用场景。目前，所有雷达设备均需要一个转台让雷达天线旋转以顺利进行信号探测和接收，而转台之上的发射和接受信号的设备是需要供电的，所以雷达的转台中必须有一个类似电动机电刷的装置—汇流环，一般采用昂贵的金属材料经过特殊设计制成，其必须工作在相对干净的环境中，且需要定期更换。由于滑丝和滑环之间的相对摩擦所存在的诸如接触火花，碳积和机械磨损等问题，导致雷达在运转过程中信号不稳定，可靠性差，使用寿命短。不同用途的雷达和电子对抗设备其转台结构大小均不同，维护方式也不同，人力成本也相应增加。据统计，雷达和对抗系统的故障中，超过50％是由于汇流环接触不可靠引起的。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种旋转式无线电能传输系统，免除了昂贵的汇流环，节约系统成本，能够增加系统电能传输可靠性，且传输效率高。

本发明采用下述的技术方案：

一种旋转式无线电能传输系统，涉及负载和工频交流电源，包括依次连接的整流滤波电路、原边高频逆变电路、原边补偿电路、旋转式耦合线圈、副边补偿电路、副边整流电路；

所述整流滤波电路的输入端和工频交流电源的两端相连，所述副边整流电路的输出端与负载的输入端相连；

所述旋转式耦合线圈包括原边耦合装置、副边耦合装置，所述原边耦合装置与副边耦合装置通过轴承相对转动且不接触。

优选的，所述原边耦合装置与副边耦合装置结构相同且呈镜像对称。

优选的，所述原边耦合装置、副边耦合装置均为圆柱形状，两者的轴心线重合，原边耦合装置通过轴承与副边耦合装置相对转动且不接触。

优选的，所述原边耦合装置、副边耦合装置均包括耦合线圈、条状磁芯、铝屏蔽层，所述耦合线圈为圆环形平面螺旋线圈，所述铝屏蔽层为圆形铝板，所述条状磁芯的两端均有一向同一侧弯折的弯折部，所述耦合线圈卡设在条状磁芯上，所述条状磁芯无弯折部一端的端面固定在铝屏蔽层的一端面上。

优选的，所述原边耦合装置、副边耦合装置均包括耦合线圈、条状磁芯、铝屏蔽层，所述耦合线圈为圆柱形螺旋线圈，所述铝屏蔽层为圆柱形铝板，所述条状磁芯的两端均有一向同一侧弯折的弯折部，所述耦合线圈的侧面卡设在条状磁芯上，所述原边耦合装置的条状磁芯无弯折部一端的端面固定在原边耦合装置的铝屏蔽层的内侧面上，所述副边耦合装置的条状磁芯无弯折部一端的端面固定在副边耦合装置的铝屏蔽层的外侧面上。

优选的，所述弯折部与条状磁芯本体成90度弯角。

优选的，所述原边补偿网络包括串联连接的电感La和电容Cp，电容Ca，所述电感La的左端与原边高频逆变电路的输出端相连，电容Cp的右端连接旋转式耦合线圈的输入端，所述电容Ca的上端连接在电感La和电容Cp之间，下端连接在原边高频逆变电路与旋转式耦合线圈相连的通路上。

优选的，所述电感La、电容Cp、电容Ca参数由以下公式确定：

式中ω_s为开关角频率。

优选的，所述旋转式耦合线圈的电压工作频率为80khz-500khz。

优选的，所述副边整流电路与负载之间设有DC-DC转换电路。

本发明的有益效果是：

1、本发明所采用的非接触式耦合线圈结构不存在机械磨损和摩擦，免除了昂贵的汇流环，节约系统成本；

2、本发明运转过程中信号稳定，工作可靠，使用周期长，原副边的线圈结构可分别密封，不受尘土、污物等各种环境因素的影响；

3、本发明中的耦合线圈结构中采用的条状磁芯易于加工生产，成品率高。特有的端部弯角结构能够引导更多的原边发射线圈产生的磁力线被接收线圈耦合，减少铝屏蔽材料中的涡流损耗，系统传输效率高。

4、采用本发明结构的供电构架，无线传电部分的闭环控制可以省略，大大降低了无线传电部分的成本；

5、本发明不需要大量的AC/DC转换，系统效率和可靠性得到提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电路拓扑结构示意图；

图3为本发明旋转式耦合线圈的结构示意图(实施例1)；

图4为本发明旋转式耦合线圈的立体图(实施例1)；

图5为本发明旋转式耦合线圈的结构示意图(实施例2)；

图6为本发明旋转式耦合线圈的立体图(实施例2)；

图7为本发明副边耦合装置上的铝屏蔽层结构示意图(实施例2)；

图8为本发明原边耦合装置上的铝屏蔽层结构示意图(实施例2)；

图中所示：

其中，1—整流滤波电路，2—原边高频逆变电路，3—原边补偿电路，4—旋转式耦合线圈，5—副边补偿电路，6—副边整流电路，7—负载，8—工频交流电源；

41—原边耦合装置，42—副边耦合装置，43—耦合线圈，44—条状磁芯，45—铝屏蔽层，441—弯折部；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图6所示，一种旋转式无线电能传输系统，涉及负载7和工频交流电源8，包括依次连接的整流滤波电路1、原边高频逆变电路2、原边补偿电路3、旋转式耦合线圈4、副边补偿电路5、副边整流电路6；所述整流滤波电路1的输入端和工频交流电源8的两端相连，所述副边整流电路6的输出端与负载7的输入端相连。

所述整流滤波电路1包括串联的二极管D1、二极管D2，串联的二极管D3、二极管D4，所述串联后的二极管D1、二极管D2与串联后的二极管D3、二极管D4并联；工频交流电源8的两端分别加载在二极管D1、二极管D2之间和二极管D3、二极管D4之间。

所述原边高频逆变电路2包括4个漏极和源极之间均串接了一个二极管的N型场效应管S1、场效应管S2、场效应管S3、场效应管S4和电容C1，所述场效应管S1的源极与场效应管S2的漏极相连，场效应管S3的源极场效应管S4的漏极相连，电容C1的两端分别连接在场效应管S1、场效应管S3的漏极和场效应管S2、场效应管S4的源极上。

所述原边补偿网络包括串联连接的电感La和电容Cp，电容Ca，所述电感La的左端与场效应管S1的源极相连，电容Cp的右端连接旋转式耦合线圈4中的一个耦合线圈43的一端，所述电容Ca的上端连接在电感La和电容Cp之间，下端连接在场效应管S3的源极上。

所述副边整流电路6包括串联连接的二极管D5、二极管D6和串联的二极管D7、二极管D8，电容C2，所述串联后的二极管D5、二极管D6和串联后的二极管D7、二极管D8，电容C2并联，电容C2的两端加载负载7，所述副边补偿电路5包括电容Cs，所述电容Cs的一端与旋转式耦合线圈4中的另一个耦合线圈43的一端相连，另一端连接在二极管D5和二极管D6之间，另一个耦合线圈43的另一端相连在二极管D7、二极管D8之间。

所述旋转式耦合线圈4包括原边耦合装置41、副边耦合装置42，所述原边耦合装置41与副边耦合装置42结构相同且呈镜像对称，两者通过轴承相对转动且不接触。

所述原边耦合装置41、副边耦合装置42均包括耦合线圈43、条状磁芯44、铝屏蔽层45，所述耦合线圈43为圆环形平面螺旋线圈，所述铝屏蔽层45为圆形铝板，其作用在于能很好的包围在线圈外侧，降低磁力线对外边电子设备的干扰，所述条状磁芯44的两端均有一向同一侧弯折的弯折部441用于引导磁力线方向，弯折部441与条状磁芯44本体成90度弯角；原边耦合装置41上的耦合线圈43引导原边耦合装置41中的磁场向副边耦合装置42端传递，使得更多发射线圈(原边耦合装置41中的耦合线圈43)产生的磁力线被副边耦合装置42中的耦合线圈43接收，所述耦合线圈43的一端面卡设固定在条状磁芯44有弯折部一端的端面上，所述弯折部441与耦合线圈43表面平齐，保证在装配后耦合线圈43结构的平整度，所述条状磁芯44无弯折部441一端的端面固定在铝屏蔽层45的一端面上。所述2个铝屏蔽层45分别固定在2个轴承上，原边耦合装置41、副边耦合装置42之间有一定间隙，以实现原边耦合装置41和副边耦合装置42的无物理接触，副边耦合装置42、副边补偿电路5、副边整流电路6及负载7整体通过轴承与原边耦合装置41发生相对转动。

旋转式耦合线圈4的实施方式2

所述原边耦合装置41、副边耦合装置42均为圆柱形状，两者的轴心线重合副边耦合装置42设置于原边耦合装置41内(或者原边耦合装置41设置于副边耦合装置42内)，原边耦合装置41通过轴承与副边耦合装置42相对转动且不接触。所述原边耦合装置41、副边耦合装置42均包括耦合线圈43、条状磁芯44、铝屏蔽层45，所述耦合线圈43为圆柱形螺旋线圈，所述铝屏蔽层45为圆柱形铝筒(副边耦合装置42上的铝屏蔽层45上下端边沿向外翻折，原边耦合装置41上的铝屏蔽层45上下端边沿向内翻折)，其作用在于能很好的包围在线圈外侧，降低磁力线对外边电子设备的干扰，所述条状磁芯44的两端均有一向同一侧弯折的弯折部441，弯折部441与条状磁芯44本体成90度弯角，所述原边耦合装置41上的耦合线圈43的外侧面卡设固定在条状磁芯44上有弯折部441一端的端面上，副边耦合装置42上的耦合线圈43的内侧面卡设固定在条状磁芯44上有弯折部441一端的端面上，所述弯折部441与耦合线圈43表面平齐，保证在装配后耦合线圈43结构的平整度，所述原边耦合装置41上的条状磁芯44无弯折部441一端的端面固定在原边耦合装置41的铝屏蔽层45的内侧面上，所述副边耦合装置42上的条状磁芯44无弯折部441一端的端面固定在副边耦合装置42的铝屏蔽层45的外侧面上；副边耦合装置42上的铝屏蔽层45固定在轴承的内圈上，原边耦合装置41上的铝屏蔽层45固定在轴承的外圈上，这样，原边耦合装置41通过轴承与副边耦合装置42相对转动。

本发明包括发射端(包括整流滤波电路1、原边高频逆变电路2、原边补偿电路3、原边耦合装置41)和接收端(包括副边耦合装置42、副边补偿电路5、副边整流电路6)，发射端加入工频交流电源8，接收端上的负载7即获得电能，接收端以及负载7整体处于旋转运动中；本发明的原边耦合装置41与副边耦合装置42有一定的间隙，导致线圈之间漏感较大，直接施加高频激励导致系统的高频无功成分很大，传输能量较小，因此需要合适的补偿拓扑形成谐振能量，减小系统无功功率，提高输出功率和传输效率。针对漏感上的无功能量，通常采用串联或者并联电容，与2个耦合线圈的自感发生谐振，消除系统的无功部分。在四种基本补偿网络中，串串补偿的谐振参数与负载和线圈互感无关，便于系统设计，但是输出为电流源特性。原边补偿电路3主要针对电压源型逆变器的应用场合，通过合理的参数设计，原边线圈中的电流恒定，副边补偿电路5采用单电容补偿，因此副边整流后的输出电压与负载无关。

所述电感La、电容Cp、电容Ca参数由以下公式确定：

式中ω_s为开关角频率。

本发明的具体工作过程：工频交流电源8输入到原边整流滤波电路1，依次通过原边高频逆变电路2、原边补偿电路3在原边耦合装置41上的耦合线圈43中产生高频磁场，与副边耦合装置42上的耦合线圈43耦合产生高频电压，然后经过副边补偿电路5，副边整流电路6变为直流电压，可直接为负载提供电能或进行二次电能变换。

为了实现雷达转台汇流环输送大功率电力(3kw-150kw)的非接触传输替代，旋转式耦合线圈4中的电压其工作频率在80khz-500khz范围内，通过选择条状磁芯44的磁芯材料和原边耦合装置41与副边耦合装置42的距离，以及选择合适的开关功率器件，通过仿真软件计算出最佳的工作频率范围，可以使电力传输效率超过95％。

所述副边整流电路6与负载7之间可以设置DC-DC转换电路，转台上的各个子系统所需电力经过DC-DC转换后取得(通过直流高压母线分配电力)，原来的交流供电构架被颠覆，不需要大量的AC/DC转换，系统效率和可靠性得到提升。目前的DC/DC技术能够适应极宽的输入电压变化范围，所以，采用本发明结构电路架构，无线传电部分的闭环控制可以省略，由于无线传电部分是不要求稳压的，这就大大降低了无线传电部分的成本；

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种旋转式无线电能传输系统，其特征在于，涉及负载(7)和工频交流电源(8)，包括依次连接的整流滤波电路(1)、原边高频逆变电路(2)、原边补偿电路(3)、旋转式耦合线圈(4)、副边补偿电路(5)、副边整流电路(6)；

所述整流滤波电路(1)的输入端和工频交流电源(8)的两端相连，所述副边整流电路(6)的输出端与负载(7)的输入端相连；

所述旋转式耦合线圈(4)包括原边耦合装置(41)、副边耦合装置(42)，所述原边耦合装置(41)与副边耦合装置(42)通过轴承相对转动且不接触。

2.根据权利要求1所述的一种旋转式无线电能传输系统，其特征在于，所述原边耦合装置(41)与副边耦合装置(42)结构相同且呈镜像对称。

3.根据权利要求1所述的一种旋转式无线电能传输系统，其特征在于，所述原边耦合装置(41)、副边耦合装置(42)均为圆柱形状，两者的轴心线重合，原边耦合装置(41)通过轴承与副边耦合装置(42)相对转动且不接触。

4.根据权利要求2所述的一种旋转式无线电能传输系统，其特征在于，所述原边耦合装置(41)、副边耦合装置(42)均包括耦合线圈(43)、条状磁芯(44)、铝屏蔽层(45)，所述耦合线圈(43)为圆环形平面螺旋线圈，所述铝屏蔽层(45)为圆形铝板，所述条状磁芯(44)的两端均有一向同一侧弯折的弯折部(441)，所述耦合线圈(43)卡设在条状磁芯(44)上，所述条状磁芯(44)无弯折部(441)一端的端面固定在铝屏蔽层(45)的一端面上。

5.根据权利要求3所述的一种旋转式无线电能传输系统，其特征在于，所述原边耦合装置(41)、副边耦合装置(42)均包括耦合线圈(43)、条状磁芯(44)、铝屏蔽层(45)，所述耦合线圈(43)为圆柱形螺旋线圈，所述铝屏蔽层(45)为圆柱形铝板，所述条状磁芯(44)的两端均有一向同一侧弯折的弯折部(441)，所述耦合线圈(43)的侧面卡设在条状磁芯(44)上，所述原边耦合装置(41)的条状磁芯(44)无弯折部(441)一端的端面固定在原边耦合装置(41)的铝屏蔽层(45)的内侧面上，所述副边耦合装置(42)的条状磁芯(44)无弯折部(441)一端的端面固定在副边耦合装置(42)的铝屏蔽层(45)的外侧面上。

6.根据权利要求4或5任意一项所述的一种旋转式无线电能传输系统，其特征在于，所述弯折部(441)与条状磁芯(44)本体成90度弯角。

7.根据权利要求1所述的一种旋转式无线电能传输系统，其特征在于，所述原边补偿网络包括串联连接的电感La和电容Cp，电容Ca，所述电感La的左端与原边高频逆变电路(2)的输出端相连，电容Cp的右端连接旋转式耦合线圈(4)的输入端，所述电容Ca的上端连接在电感La和电容Cp之间，下端连接在原边高频逆变电路(2)与旋转式耦合线圈(4)相连的通路上。

8.根据权利要求7所述的一种旋转式无线电能传输系统，其特征在于，所述电感La、电容Cp、电容Ca参数由以下公式确定：

式中ω_s为开关角频率。

9.根据权利要求1所述的一种旋转式无线电能传输系统，其特征在于，所述旋转式耦合线圈(4)的电压工作频率为80khz-500khz。

10.根据权利要求1所述的一种旋转式无线电能传输系统，其特征在于，所述副边整流电路(6)与负载(7)之间设有DC-DC转换电路。

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