CN111786467B - 一种无线电能传输机构及高压取电无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于磁耦合无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线电能传输机构及高压取电无线电能传输系统。所述机构包括依次设置的发射单元、多个中继单元和接收单元，发射单元的发射线圈通过中继单元的中继线圈将电能传输给接收单元的接收线圈；每个中继线圈均为双层结构，包括由一根导线绕制而成的前中继子线圈和后中继子线圈；前中继子线圈靠近接收线圈，后中继子线圈远离接收线圈，不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦。本发明的多级中继单元中的每个中继线圈均采用双层线圈结构，且不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦，从而消除非相邻线圈间的交叉耦合，提升了无线电能传输系统的传输性能。

Description

一种无线电能传输机构及高压取电无线电能传输系统
技术领域
本发明属于磁耦合无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线电能传输机构及高压取电无线电能传输系统。
背景技术
目前高压线路在线监测设备的供电方式多采用蓄电池、太阳能电池板或风能发电等。蓄电池定期更换会耗费大量的人力物力，安全隐患也较大；风光发电会受到自然环境条件的限制，应用局限性较大。近年来，一种将无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）技术与电流互感器（Current Transformer，CT）结合的新型高压输电线路在线监测设备供电解决方案受到广泛关注，被认为是解决线路柱上设备供电电源问题的一种有效解决方案。该方案即通过取电CT在高压线路上感应取能，然后通过无线传能的方式将能量传输至低压侧的用电设备，同时将无线传能系统的耦合机构绕制于绝缘子的伞裙上以实现高低压绝缘。
为满足一定绝缘等级，无线电能传输距离应大于绝缘距离，同时由于应用环境的限制，耦合机构尺寸也十分有限，所以为保证系统在提升传输距离的同时效率较高，现大多采用将多中继的磁耦合机构绕制于绝缘子的伞裙上。然而，WPT系统中多中继结构的出现增加了系统的复杂性，由于多线圈间存在的交叉耦合，在系统中引入了一系列新的设计问题：1）由于交叉耦合的影响，系统谐振参数的配置变得复杂；2）由于交叉耦合增大了系统的非线性，系统会出现频率分裂现象，且分裂情况十分复杂；3）由交叉耦合带来的功率多径传输，对系统传输功率、效率带来了极大的影响。
目前，针对交叉耦合问题，已有的解决措施包括：插入补偿电抗、频率跟踪技术以及阻抗匹配技术。但是由于这些方法只是被动地应对交叉耦合问题，并没有从根本上消除交叉耦合，所以结果并不是十分理想。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种无线电能传输机构及高压取电无线电能传输系统，多级中继单元中的每个中继线圈均采用双层线圈结构，且不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦，从而消除非相邻线圈间的交叉耦合，提升了无线电能传输系统的传输性能。
第一方面，本发明提供了一种无线电能传输机构，包括发射单元、接收单元、以及依次设置于发射单元和接收单元之间的多个中继单元，所述发射单元的发射线圈通过中继单元的中继线圈将无线电能传输给接收单元的接收线圈；
每个中继单元的中继线圈均采用双层线圈结构，每个中继线圈包括由一根导线绕制而成的前中继子线圈和后中继子线圈；
一中继单元的前中继子线圈与发射单元的发射线圈或上一中继单元的后中继子线圈相邻，一中继单元的后中继子线圈与接收单元的接收线圈或下一中继单元的前中继子线圈相邻；不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦。
优选地，所述发射线圈采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；
所述前中继子线圈采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；
所述后中继子线圈采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；
所述接收线圈采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；
不同单元间相邻的两个线圈采用相同结构的线圈，一单元内的前中继子线圈和后中继子线圈采用不同结构的线圈，一单元内的前中继子线圈与下一单元内的后中继子线圈采用不同结构的线圈。
优选地，所述上下双D形线圈包括上下对称的上D形线圈和下D形线圈，所述上D形线圈和下D形线圈的绕制方向相反；
所述左右双D形线圈包括左右对称的左D形线圈和右D形线圈，所述左D形线圈和右D形线圈的绕制方向相反。
优选地，所述上下双D形线圈和左右双D形线圈投影到同一平面内时正交。
优选地，在进行线圈绕制时，上下双D形线圈的上D形线圈和下D形线圈之间、左右双D形线圈的左D形线圈和右D形线圈之间均形成一通孔，通过所述通孔将上下双D形线圈和左右双D形线圈套设在绝缘子上。
优选地，所述无线电能传输机构，还包括绝缘子，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈依次套设在所述绝缘子的伞裙上。
优选地，所述发射线圈设置在绝缘子上靠近高压线的一端，所述接收线圈设置在靠近用电设备的一端。
优选地，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈相互平行。
优选地，所述中继单元的个数大于等于2。
第二方面，本发明提供了一种高压取电无线电能传输系统，包括高压取电装置、无线电能传输机构和用电设备，所述无线电能传输机构采用第一方面所述的无线电能传输机构；
所述高压取电装置通过取电CT从高压线路上感应取能并转换为恒压直流电能，所述无线电能传输机构将直流电能逆变为交流电能进行无线传输，并将传输后接收到的高频交流电变换为直流电，通过直流电为低压侧的用电设备供电。
本发明的技术方案，多级中继单元中的每个中继线圈均采用双层线圈结构，且不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦，从而消除非相邻线圈间的交叉耦合，提升了无线电能传输系统的传输性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本实施例中无线电能传输机构的电路原理图；
图2为本实施例中四级能量传输时各个线圈的相对位置示意图一；
图3为本实施例中圆形线圈的结构示意图；
图4为本实施例中上下双D形线圈的结构示意图；
图5为本实施例中左右双D形线圈的结构示意图；
图6为本实施例中四级能量传输时各线圈结构布局示意图一；
图7为本实施例中四级能量传输时各线圈结构布局示意图二；
图8为本实施例中四级能量传输时各个线圈的相对位置示意图二；
图9为本实施例中高压取电无线电能传输系统的结构示意图。
附图标记：
L1-发射线圈、L2-第一中继线圈、L3-第二中继线圈、L4-接收线圈
L21/L31-前中继子线圈、L22/L32-后中继子线圈
1-高压取电装置、2-发射单元、3-接收单元、4-用电设备、5-杆塔、6-绝缘子。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和 “包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为 “当... 时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
实施例一：
本实施例提供了一种无线电能传输机构，包括发射单元、接收单元、以及依次设置于发射单元和接收单元之间的多个中继单元，所述发射单元的发射线圈通过中继单元的中继线圈将无线电能传输给接收单元的接收线圈；
每个中继单元的中继线圈均采用双层线圈结构，每个中继线圈包括由一根导线绕制而成的前中继子线圈和后中继子线圈；
一中继单元的前中继子线圈与发射单元的发射线圈或上一中继单元的后中继子线圈相邻，一中继单元的后中继子线圈与接收单元的接收线圈或下一中继单元的前中继子线圈相邻；不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦。
本实施例的无线电能传输机构采用的中继单元个数大于等于2，在实际应用中，可根据距离长短、实际需要进行设置，中继单元可设置为2个、3个、4个、……。每个中继单元包括一个中继线圈，在进行线圈布置时，发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈、……、接收线圈依次布置（为了取得较好的传输性能，各个线圈相互平行或相互接近平行）。
本实施例以两个中继单元（包括第一中继单元和第二中继单元）进行举例说明。如图1所示，Udc为直流电源，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感LT、电容CT、电容C1和发射线圈L1组成了发射单元。线圈L2（即第一中继线圈L2）和电容C2组成了第一中继单元，线圈L3（即第二中继线圈L3）和电容C3组成了第二中继单元，二级管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容Cd、电容C4和接收线圈L4组成了接收单元，RL为用电设备。发射线圈通过第一中继线圈L2、第二中继线圈L3以接力的方式将无线电能传输给接收线圈L4，从而实现无线电能的传输。
如图2所示，为本实施例中发射线圈L1、第一中继线圈L2、第二中继线圈L3和接收线圈L4的相对位置示意图。本实施例中每个中继线圈均采用双层结构，第一中继线圈L2包括由一根导线绕制而成的前中继子线圈L21和后中继子线圈L22，第二中继线圈L3包括由一根导线绕制而成的前中继子线圈L31和后中继子线圈L32。发射线圈L1和前中继子线圈L21相邻，后中继子线圈L22与前中继子线圈L31相邻，后中继子线圈L32与接收线圈L4相邻，基于各个线圈结构上的不同，从而使不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦。
本实施例中，从线圈结构的角度，所述发射线圈可采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；所述前中继子线圈可采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；所述后中继子线圈可采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；所述接收线圈可采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；
如图3所示，为本实施例中圆形线圈的结构示意图。如图4所示，为本实施例中上下双D形线圈的结构示意图，上下双D形线圈包括上下对称的上D形线圈和下D形线圈，上D形线圈和下D形线圈的绕制方向相反，因此上D形线圈和下D形线圈产生的磁场方向相反。如图5所示，为本实施例中左右双D形线圈的结构示意图，左右双D形线圈包括左右对称的左D形线圈和右D形线圈，左D形线圈和右D形线圈的绕制方向相反，因此左D形线圈和右D形线圈产生的磁场方向相反。本实施例中，各个线圈的示意图仅是一种举例说明，其他的绕制方式均在本发明的保护范围内。
本实施例中，有三类不同结构的线圈，为了使不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦，在进行线圈结构布局时，需满足以下的布局规则：不同单元间相邻的两个线圈采用相同结构的线圈，一单元内的前中继子线圈和后中继子线圈采用不同结构的线圈，一单元内的前中继子线圈与下一单元内的后中继子线圈采用不同结构的线圈。
如图6所示，为本实施例中四级能量传输时各线圈结构布局示意图一，发射线圈L1采用圆形线圈，前中继子线圈L21采用圆形线圈，后中继子线圈L22采用左右双D形线圈，前中继子线圈L31采用左右双D形线圈，后中继子线圈L32采用上下双D形线圈，接收线圈L4采用上下双D形线圈。由图可知，L1和L21相邻，采用相同结构的圆形线圈；L22与L31相邻，采用相同结构的左右双D形线圈；L32和L4相邻，采用相同结构的上下双D形线圈；L21和L22采用不同结构的线圈，L31和L32采用不同结构的线圈，L21和L32采用不同结构的线圈。
本实施例中，由于上下双D形线圈产生的磁场方向相反，左右双D形线圈产生的磁场相反，因此圆形线圈与上下双D形线圈之间的互感为0，圆形线圈与左右双D形线圈之间的互感为0，上下双D形线圈与左右双D形线圈之间的互感为0。L1与L22、L31、L32、L4之间的互感均为0,L1只与L21耦合，而与L22、L31、L32、L4实现解耦，即发射线圈只有第一中继线圈的左侧部分耦合，与其余线圈均解耦。L22与L1、L32、L4的互感为0，L22只与L31耦合，而与L1、L32、L4实现解耦，即第一中继线圈的右侧部分只与第二中继线圈的左侧部分耦合，与其余线圈均解耦。L32与L1、L21、L22的互感为0,L32只与L4耦合，而与L1、L21、L22实现解耦，即第二中继线圈的右侧部分只与接收线圈耦合，与其余线圈均解耦。从而实现不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦。本实施例中，为了使不同单元间的非相邻线圈实现完全解耦，得到更好的解耦性能，上下双D形线圈和左右双D形线圈投影到同一平面内时正交。
如图7所示，为本实施例中四级能量传输时各线圈结构布局示意图二，其耦合、解耦原理与图6中的布局示意图类似，在此不再赘述。图6、图7的示意图，只是本实施例的举例说明，只要符合上述的结构布局规则，均在本发明的保护范围内。本实施例以四级能量传输进行举例说明，但本发明的技术方案保护的并不仅限于四级能量传输，其余多级能量传输也在本发明的保护范围内。
综上所述，本实施例的无线电能传输机构，多级中继单元中的每个中继线圈均采用双层线圈结构，且不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦，从而消除非相邻线圈间的交叉耦合，提升了无线电能传输系统的传输性能。本实施例采用三种不同结构的线圈进行布局，并利用了双D形线圈的解耦特性，从而实现非相邻线圈间的解耦，而保留了相邻线圈间的耦合，使能量只在相邻线圈间传递，减少多级线圈之间的相互影响，与现有技术相比，从根本上抑制了多级线圈的交叉耦合，解决了频率分裂问题，使谐振点处系统输出功率和传输效率显著提升，效果十分明显，不需要进行频率、阻抗的检测，没有复杂的控制算法，只需要设计为本实施例的无线电能传输机构即可。
实施例二：
本实施例提供了一种无线电能传输机构，在实施例一的基础上，还包括绝缘子，如图8所示，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈依次套设在所述绝缘子的伞裙上；所述发射线圈设置在绝缘子上靠近高压线的一端，所述接收线圈设置在靠近用电设备的一端。
在进行线圈绕制时，上下双D形线圈的上D形线圈和下D形线圈之间、左右双D形线圈的左D形线圈和右D形线圈之间均形成一通孔，通过所述通孔将上下双D形线圈和左右双D形线圈套设在绝缘子上。
本实施例的带绝缘子的无线电能传输机构，应用于高压取电场所，各个线圈套设或绕制在绝缘子上，在使用时，直接将本实施例的套设或绕制有各个线圈的绝缘子安装在高压线与杆塔之间即可，无需另外安装各个线圈，安装使用方便。
实施例三：
本实施例提供了一种高压取电无线电能传输系统，如图9所示，包括高压取电装置、无线电能传输机构和用电设备，所述无线电能传输机构采用实施例一或实施例二的无线电能传输机构；
所述高压取电装置通过取电CT从高压线路上感应取能并转换为恒压直流电能，所述无线电能传输机构将直流电能逆变为交流电能进行无线传输，并将传输后接收到的高频交流电变换为直流电，通过直流电为低压侧的用电设备供电。
本实施例的无线电能传输机构包括发电单元、中继单元和接收单元。发电单元将直流电能高频逆变为交流电能，供给发射线圈，四级耦合线圈（发射线圈、第一中继线圈、第二中继线圈和街接收线圈）均以相同频率配为谐振状态，由发射线圈发射电能，经由两个中继线圈将电能传输给接收线圈，接收单元将接收线圈中的高频交流电变换为直流电，从而为杆塔上的用电设备供电。
由于从高压线路上利用取电CT感应取能后为高压直流电，不能直接向位于杆塔上的低压侧用电设备供电，所以必须采用无线电能传输方式，实现供电设备的电气隔离以及高低压侧的绝缘。同时考虑到无线电能传输距离必须大于绝缘距离，因此在进行无线电能传输时需加入多级中继线圈来提升传输距离和传输效率。为了避免多级中继传输过程中的交叉耦合现象，本实施例的高压取电无线电能传输系统采用实施例一或实施例二的无线电能传输机构，从而有效抑制非相邻线圈的交叉耦合，解决频率分裂问题，大大提升系统传输效率。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种无线电能传输机构，包括发射单元、接收单元、以及依次设置于发射单元和接收单元之间的多个中继单元，所述发射单元的发射线圈通过中继单元的中继线圈将无线电能传输给接收单元的接收线圈；
其特征在于，每个中继单元的中继线圈均采用双层线圈结构，每个中继线圈包括由一根导线绕制而成的前中继子线圈和后中继子线圈；
一中继单元的前中继子线圈与发射单元的发射线圈或上一中继单元的后中继子线圈相邻，一中继单元的后中继子线圈与接收单元的接收线圈或下一中继单元的前中继子线圈相邻；不同单元间的相邻线圈耦合，不同单元间的非相邻线圈解耦。
2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输机构，其特征在于，所述发射线圈采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；
所述前中继子线圈采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；
所述后中继子线圈采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；
所述接收线圈采用圆形线圈或上下双D形线圈或左右双D形线圈；
不同单元间相邻的两个线圈采用相同结构的线圈，一单元内的前中继子线圈和后中继子线圈采用不同结构的线圈，一单元内的前中继子线圈与下一单元内的后中继子线圈采用不同结构的线圈。
3.根据权利要求2所述的一种无线电能传输机构，其特征在于，所述上下双D形线圈包括上下对称的上D形线圈和下D形线圈，所述上D形线圈和下D形线圈的绕制方向相反；
所述左右双D形线圈包括左右对称的左D形线圈和右D形线圈，所述左D形线圈和右D形线圈的绕制方向相反。
4.根据权利要求3所述的一种无线电能传输机构，其特征在于，所述上下双D形线圈和左右双D形线圈投影到同一平面内时正交。
5.根据权利要求4所述的一种无线电能传输机构，其特征在于，在进行线圈绕制时，上下双D形线圈的上D形线圈和下D形线圈之间、左右双D形线圈的左D形线圈和右D形线圈之间均形成一通孔，通过所述通孔将上下双D形线圈和左右双D形线圈套设在绝缘子上。
6.根据权利要求1所述的一种无线电能传输机构，其特征在于，还包括绝缘子，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈依次套设在所述绝缘子的伞裙上。
7.根据权利要求6所述的一种无线电能传输机构，其特征在于，所述发射线圈设置在绝缘子上靠近高压线的一端，所述接收线圈设置在靠近用电设备的一端。
8.根据权利要求1所述的一种无线电能传输机构，其特征在于，所述发射线圈、中继线圈和接收线圈相互平行。
9.根据权利要求1所述的一种无线电能传输机构，其特征在于，所述中继单元的个数大于等于2。
10.一种高压取电无线电能传输系统，其特征在于，包括高压取电装置、无线电能传输机构和用电设备，所述无线电能传输机构采用权利要求1-9任一项所述的无线电能传输机构；
所述高压取电装置通过取电CT从高压线路上感应取能并转换为恒压直流电能，所述无线电能传输机构将直流电能逆变为交流电能进行无线传输，并将传输后接收到的高频交流电变换为直流电，通过直流电为低压侧的用电设备供电。
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