CN112005463A - 通过谐振感应耦合来非接触地传输功率用于对机动车辆再充电的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于通过谐振感应耦合来非接触地传输功率的装置(100)，特别是为了用电对机动车辆充电或再充电，包括：‑电源(10)，特别是AC电源；‑包括第一电容器(C1)和第一绕组(E1)的发射器谐振电路(1)，第一绕组(E1)包括电感器和第一电阻器，发射器谐振电路由电源(10)供电；‑包括第二电容器(C2)和第二绕组(E2)的接收器谐振电路(2)，第二绕组(E2)包括第二电感器和第二电阻器，其特征在于，第二电感器的电感值以预定方式变化。

Description

通过谐振感应耦合来非接触地传输功率用于对机动车辆再充 电的装置

技术领域

本发明涉及一种接收器谐振电路以及一种用于通过谐振感应耦合来非接触地传输功率以对机动车辆充电或再充电的装置。

背景技术

以已知的方式，从技术上讲，当物体停止时(在这种情况下引用静态电荷)，或者当物体移动时(随后引用动态电荷)，可以通过非接触传输向机动车辆或设置有电能存储装置(功率在3到10kW之间)的任何其他物体供电。因此，通过非接触传输的这种供电是通过远程电路进行的，该远程电路磁耦合并且被协调到相同的频率。磁耦合电路各自包括至少一个谐振LC元件，其中L和C分别表示电感器和电容器。

这种类型的解决方案的问题在于，为了传输令人满意的功率水平，特别是几千瓦，对于操作频率并且对于每个谐振电路的自身频率，必须在高频率下操作，特别是约85kHz或更高。另外，这种类型的解决方案使得必须在位于源和电荷处的谐振元件之间的短距离下操作。

在这种高频率水平下操作主要导致需要使用昂贵的部件，比如软铁氧体和利兹导线，其绞线具有非常小的横截面，例如直径等于0.07mm或更小。

发明内容

本发明的目的是至少部分地消除这些缺点。

为此，本发明涉及一种用于通过谐振感应耦合来非接触地传输功率的接收器谐振电路，其中发射器谐振电路包括第一电容器和第一绕组，第一绕组包括电感器和第一电阻器；

接收器谐振电路包括值为C2'的第二电容器和第二绕组，第二绕组包括值为L2'的第二电感器、值为R2'的第二电阻器；

接收器谐振电路具有自身脉冲ω2，使得ω2＝1/√(L2'x C2')，并且具有自身频率f2，使得f2＝ω2/(2Π)；

其特征在于，所述第二电感器(L2)的电感值以预定方式变化。

因此，当发射器谐振电路磁耦合到接收器谐振电路时，本发明使得可以增加由发射器谐振电路提供给接收器谐振电路的电启动电流的幅度。

根据一实施例，第二电感器包括磁路。

根据一实施例，第二电感器的电感值通过第二电感器的磁路的磁阻的变化而变化。

根据一实施例，第二电感器的磁路包括相对于第二绕组可移动的至少一部分。

根据一实施例，第二电感器的磁路包括相对于第二绕组固定的至少一部分。

根据一实施例，固定部分和可移动部分包括铁磁或亚铁磁材料。

根据一实施例，使可移动部分运动，使得凸度交替面对其他凸度或在两个凸度之间。

根据一实施例，第二电感器的磁路的可移动部分通过电动马达移动。

根据一实施例，第二电感器制成单件。

根据一实施例，第二电感器包括螺线管，特别是具有基本扁平的形式。

根据一实施例，第二电感器的电感值根据预定频率并且根据围绕平均值L2moy的预定的电感变化幅度hL而变化，使得自身脉冲根据围绕平均值ω2moy的预定的脉冲变化幅度hω而变化，其中ω2moy＝1/√(L2moy x C2')。

因此，本发明使得可以在接收器谐振电路处提供电流和电压的幅度的放大，其放大增益足够大以使得可以在较低频率和/或较大距离下操作。

根据一实施例，选择预定频率以使得在接收器谐振电路中流通的电流的幅度呈指数增加。

因此，尽管实现了与现有技术相比非常低的频率水平，但本发明仍可以通过引入放大增益，在发射器谐振电路和接收器谐振电路之间通过非接触方法来传输令人满意的功率水平。

根据一实施例，第二电容具有基本恒定的值。

根据一实施例，接收器驻留电路被设计为连接到发射器谐振电路。因此，接收器谐振电路和发射器谐振电路具有基本相同的自身频率。

根据一实施例，预定频率等于接收器谐振电路自身频率的两倍，以在容差内。

这种预定频率使得可以增大在接收器谐振电路中流通的电流的幅度。

根据一实施例，容差ε使得ε＝√(((1/2)x hL xω2moy)2–(R2'/L2')2)。

因此，预定频率包含在(2x f2)–ε和(2x f2)+ε之间。

根据一实施例，预定的脉冲变化幅度hω严格大于2x(R2'/L2')x√(L2'x C2')。

根据一实施例，第二电感器由具有可变磁阻的组件形成，所述组件包括转子和定子，其中在它们之间存在气隙；

-定子3包括螺线管5和多个定子臂4，当螺线管5具有穿过其的电流时，定子臂4的组件形成单个磁极，并且该磁极被特别考虑在气隙侧；

-转子6包括多个转子臂7，当螺线管5具有穿过其的电流时，转子臂形成单个磁极，并且该磁极被特别考虑在气隙侧。

根据一实施例，两个相邻的转子臂通过非磁性部分成对地分开。

根据一实施例，两个相邻的定子臂通过非磁性部分成对地分开。

根据一实施例，定子臂的数量等于转子臂的数量。

作为变型，定子臂的数量不同于转子臂的数量。

根据一实施例，每个定子臂在相对于转子的旋转轴线成径向的方向上延伸，并且包括一组层叠磁性金属板，特别是在相对于定子臂延伸的径向方向正交的方向上对其进行堆叠。

根据一实施例，在相对于转子的旋转轴线正交的方向上进行堆叠。

作为变型，在平行于转子的旋转轴线的方向上进行堆叠。

根据一实施例，每个转子臂在相对于转子的旋转轴线成径向的方向上延伸，并且包括一组层叠磁性金属板，特别是在相对于转子臂延伸的径向方向正交的方向上对其进行堆叠。

根据一实施例，在相对于转子的旋转轴线正交的方向上进行堆叠。

作为变型，在平行于转子的旋转轴线的方向上进行堆叠。

根据一实施例，转子包括非磁性轴。

这使得通量可以沿轴向方向仅通过转子臂，而不通过轴。

根据一实施例，每个转子臂包括突出部分，其特别径向地设置在转子的旋转轴线的一侧。

这允许转子臂良好地保持在轴上，并且使得可以通过引导从外部磁性酱获得的磁通量来限制磁通量泄漏。

根据一实施例，螺线管包括同心延伸和/或轴向延伸的一个或多个扁平螺旋，螺旋特别没有利兹线。

根据一实施例，螺线管被设计成使得在螺旋中流通的交流电严格低于3kHz。

根据一实施例，螺旋包括利兹线，其横截面的直径严格大于0.2mm，特别是严格大于0.3mm。

这使得可以减少线的数量，从而极大地方便了螺线管的实施。

根据一实施例，转子联接至马达，以便允许其特别以预定速度Ω旋转，该速度以rpm表示，并且使得Ω＝((2x f2)±ε)/(N)，其中N是定子臂的数量。

根据一实施例，第二电容器包括特别是至少900μF的聚丙烯电容器。

本发明还涉及一种用于通过谐振感应耦合非接触地传输功率的装置，特别是为了用电能对机动车辆充电或再充电，包括：

-能量源，特别是具有交流电；

-包括第一电容器和第一绕组的发射器谐振电路，第一绕组包括电感器和第一电阻器，发射器谐振电路由能量源供电；

-如前所述的接收器谐振电路。

本发明还涉及一种用于机动车的非接触充电或再充电的组件，包括：

-如前所述的用于通过谐振感应耦合非接触地传输功率的装置；

-整流器，其电连接到接收器谐振电路，以便对由从发射器谐振电路获得的磁场的变化而产生的电流进行整流；

-由整流器充电的电能存储装置。

附图说明

通过阅读以下描述并检查随附的附图，将会更好地理解本发明。这些附图仅以举例说明的方式提供，绝不限制本发明。

图1是根据本发明的用于机动车辆的非接触充电或再充电的组件的示意图；

图2是根据本发明的用于通过谐振感应耦合来非接触地传输功率的装置的示意图；

图3是根据本发明的具有可变磁阻的组件的示意图；以及

图4是根据截面A-A的图3中的组件的示意图。

具体实施方式

如图1所示，机动车辆30具有车载电能存储装置20，特别是电池20，用于向未示出的电动牵引马达以及向机动车辆30的车载网络提供电能。机动车30的电池20具有例如48V或300V的额定电压，并且可以通过用于通过谐振感应耦合来非接触地传输功率的装置100而被非接触地充电或再充电。

在图1的示例中，用于通过谐振感应耦合来非接触地传输功率的装置100包括能量源10，其具有向整流器12供电的交流电，整流器12电连接至逆变器13，逆变器13因此根据比能量源10的频率更大的频率向发射器谐振电路1供应交流电。作为变型，能量源10的频率可以直接使用，而无需借助整流器12和逆变器13。在图1的示例中，绕组E0通过有线连接向能量源10供电。该绕组E0因此通过感应耦合向发射器谐振电路1供电。

根据未示出的变型，具有交流电的能量源10可以将交流电直接提供给发射器谐振电路1。

在图1的示例中，发射器谐振电路1包括第一电容器C1和第一绕组E1。

用于通过谐振感应耦合来非接触地传输功率的装置100还包括接收器谐振电路2，其包括第二电容器C2和第二绕组E2。

当发射器谐振电路1磁耦合到接收器谐振电路2时，通过谐振感应耦合到接收器谐振电路2来非接触地传输功率。当第一绕组E1和第二绕组E2处于彼此附近时，就会发生这种磁耦合。在所考虑的示例中，当第一绕组E1和第二绕组E2基本处于10cm至1m之间的距离时，发生这种耦合。根据另一示例，当距离在1m和10m之间时，即使性能等级降低，也会发生耦合。

如图2所示，能量源10连接到与发射器线圈L0串联的电阻器R0。实际上在图1中示出的绕组E0包括与发射器线圈L0串联的寄生电阻器R0。为了更简单起见，在图2中未示出整流器12和逆变器13。

如图2所示，发射器谐振电路1由RLC电路构成。实际上，发射器谐振电路1包括与第一电阻器R1和第一电容器C1串联的第一电感器L1。实际上，图1所示的第一绕组E1包括与第一电感器L1串联的寄生电阻器R1。

发射器线圈L0磁耦合到第一电感器L1。

接收器谐振电路2由RLC电路构成。实际上，接收器谐振电路2包括与第二电阻器R2和第二电容器C2串联的第二电感器L2。实际上，图1所示的第二绕组E2包括与第一电感器L2串联的寄生电阻器R2。

第二电容器C2包括至少900μF的聚丙烯电容器。

在所示的示例中，发射器谐振电路1和接收器谐振电路2是协调的。因此，接收器谐振电路和发射器谐振电路具有基本相同的自身频率。

如图2所示，接收器线圈L3电连接到电阻器R3，其示意性地表示与图1中的整流器11和电池20构成的电荷串联的寄生电阻器。

在这种情况下，图1所示的绕组E3包括与接收器线圈L3串联的寄生电阻器。

接收器线圈L3磁耦合到第二电感器L2。

在图1和2的示例中，发射器谐振电路1和发射器线圈L0位于地面上，而接收器谐振电路2和接收器线圈L3位于车辆上。

在图1和2的示例中，第二电容器的值为C2'，第二电感器的值为L2'，第二电阻器的值为R2'。另外，接收器谐振电路1具有自身脉冲ω2，使得ω2＝1/√(L2'x C2')，并且具有自身频率f2，使得f2＝ω2/(2Π)；

第二电感器L2的电感值以预定方式变化。

更具体地，第二电感器L2的电感值根据预定频率并且根据围绕平均值L2moy的预定的电感变化幅度hL而变化，使得其自身脉冲根据围绕平均值ω2moy的预定的脉冲变化幅度hω而变化，其中ω2moy＝1/√(L2moy x C2')。

选择预定频率以使得在接收器谐振电路2中流通的交流电流的幅度呈指数增加。

第二电容器C2具有基本恒定的值。基本恒定的值表示该电容器的值，不包括与温度或磨损或者任何其他物理因素相关的变化。

预定频率等于接收器谐振电路的自身频率的两倍，以在容差ε内。该容差ε使得ε＝√(((1/2)x hL xω2moy)2–(R2'/L2')2)。

因此，预定频率包含在(2x f2)–ε和(2x f2)+ε之间。

这种预定频率使得可以增大在接收器谐振电路中流通的电流的幅度。

根据一实施例，预定的脉冲变化幅度hω严格大于2x(R2'/L2')x√(L2'x C2')。

结合图3和4描述第二电感器L2的实施例。

在这种情况下，第二电感器L2由具有可变磁阻的组件形成，该组件包括转子6和定子3，其中在它们之间存在气隙。定子3包括螺线管5和多个定子臂4，当螺线管5具有穿过其的电流时，定子臂4的组件形成单个磁极。在这种情况下，该磁极被考虑在气隙侧。转子6包括多个转子臂7，当螺线管5具有穿过其的电流时，转子臂7形成单个磁极。在这种情况下，该磁极被考虑在气隙侧。

因此，螺线管5构成绕组。定子构成固定部分，转子构成相对于绕组可移动的部分。

如图3所示，两个相邻的转子臂7由非磁性部分成对地分开，两个相邻的定子臂4由非磁性部分成对地分开。在所考虑的示例中，定子臂4的数量等于转子臂7的数量，在这种情况下，该数量等于12。

因此，定子3具有多个凸度，所有具有相同的极性，该极性在北向或南向的意义上取决于流经螺线管5的电流的相位。此外，转子6具有多个凸度。所有具有相同的极性，该极性在北向或南向的意义上取决于流经螺线管5的电流的相位。定子3和转子6各自具有相同数量的磁凸度，因缺少磁性材料而分开。

每个定子臂4在相对于转子的旋转轴线X成径向的方向上延伸，并且包括一组层叠磁性金属板，在相对于定子臂4延伸的径向方向正交的方向上对其进行堆叠。在所考虑的示例中，在相对于转子6的旋转轴线X正交的方向上进行堆叠。

每个转子臂7在相对于转子的旋转轴线X成径向的方向上延伸，并且包括一组层叠磁性金属板，在相对于转子臂7延伸的径向方向正交的方向上对其进行堆叠。在所考虑的示例中，在相对于转子的旋转轴线X正交的方向上进行堆叠。

转子6包括由非磁性材料制成的轴8。这使得通量可以沿轴向方向仅通过转子臂7，而不通过轴8。

在所考虑的示例中，转子6的非磁性轴8既不层叠也不由软铁氧体制成，以防止在所述轴8中形成有害的感应电流。

如图4所示，每个转子臂7包括突出部分，其特别地径向设置在转子6的旋转轴线X的一侧。这使得可以引导磁通量，同时允许更好地机械地保持构成转子6的组件。

在图3的示例中，螺线管5包括同心延伸的多个螺旋。在图4的示例中，螺线管5可以包括轴向延伸的多个螺旋。根据未示出的变型，螺线管5可包括单个扁平螺旋。

螺旋线没有利兹线。作为变型，螺旋线包括利兹线，其横截面的直径严格大于0.2mm，特别是严格大于0.3mm。

螺线管5被设计成使得在构成其的螺旋中流通的交流电具有严格低于3kHz的频率。

未示出的电动马达联接至轴8，以便能够使得转子6以预定速度Ω(以rpm表示)旋转，并且使得Ω＝((2x f2)±ε)/(N)，其中N是定子臂4的数量。该预定速度被认为是处于永久状态，即在过渡机电状态的结尾。

应当理解，上述描述仅是通过示例的方式提供的，并且不限制本发明的领域，通过以任何其他等同物替换不同要素也不会构成对本发明的偏离。

另外，本发明的不同特性、变型和/或实施例可以根据各种组合彼此关联，只要它们不是不兼容或相互排斥的即可。

Claims (15)

1.一种用于通过谐振感应耦合进行功率的非接触传输的接收器谐振电路(2)，其中发射器谐振电路(1)包括第一电容器(C1)和第一绕组(E1)，第一绕组(E1)包括电感器(L1)和第一电阻器(R1)；

接收器谐振电路(2)包括值为C2'的第二电容器(C2)和第二绕组(E2)，第二绕组(E2)包括值为L2'的第二电感器(L2)、值为R2'的第二电阻器(R2)；

接收器谐振电路(2)具有自身脉冲ω2，使得ω2＝1/√(L2'x C2')，并且具有自身频率f2，使得f2＝ω2/(2Π)；

其特征在于，所述第二电感器(L2)的电感值以预定方式变化。

2.根据前一权利要求所述的电路(2)，所述第二电感器(L2)的电感值根据预定频率并且根据围绕平均值L2moy的预定的电感变化幅度hL而变化，使得所述自身脉冲根据围绕平均值ω2moy的预定的脉冲变化幅度hω而变化，其中ω2moy＝1/√(L2moy x C2')。

3.根据前一权利要求所述的电路(2)，选择所述预定频率以使得在接收器谐振电路(2)中流通的电流的幅度呈指数增加。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电路(2)，所述接收器谐振电路(2)被设计为与所述发射器谐振电路(1)协调。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的电路(2)，其特征在于，所述预定频率等于接收器谐振电路(2)的自身频率的两倍，以在容差ε内。

6.根据前一权利要求所述的电路(2)，所述容差ε使得ε＝√(((1/2)x hL xω2moy)2–(R2'/L2')2)。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的电路(2)，所述预定的脉冲变化幅度严格大于2x(R2'/L2')x√(L2'x C2')。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电路(2)，所述第二电感器(L2)由具有可变磁阻的组件形成，所述组件包括转子(6)和定子(3)，其中在它们之间存在气隙；

-所述定子(3)包括螺线管(5)和多个定子臂(4)，当螺线管(5)具有穿过其的电流时，定子臂(4)的组件形成单个磁极，并且该磁极被特别考虑在气隙侧；

-所述转子(6)包括多个转子臂(7)，当螺线管(5)具有穿过其的电流时，转子臂形成单个磁极，并且该磁极被特别考虑在气隙侧。

9.根据前一权利要求所述的电路(2)，定子臂(4)的数量等于转子臂(7)的数量。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的电路(2)，每个定子臂(4)在相对于转子的旋转轴线成径向的方向上延伸，并且包括一组层叠磁性金属板，特别是在相对于定子臂(4)延伸的径向方向正交的方向上对其进行堆叠。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的电路(2)，每个转子臂(7)在相对于转子的旋转轴线成径向的方向上延伸，并且包括一组层叠磁性金属板，特别是在相对于转子臂(7)延伸的径向方向正交的方向上对其进行堆叠。

12.根据权利要求8至12中任一项所述的电路(2)，所述螺线管(5)包括同心延伸和/或轴向延伸的一个或多个扁平螺旋，所述螺旋特别没有利兹线。

13.根据权利要求8至13中任一项所述的电路(2)，所述转子(6)联接至马达，以便允许其特别以预定速度Ω旋转，该速度以rpm表示，并且使得Ω＝((2x f2)±ε)/(N)，其中N是定子臂的数量。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电路(2)，所述第二电感器(L2)包括磁路，所述磁路包括相对于第二绕组(E2)可移动的至少一个部分，该可移动部分特别通过电动马达移动。

15.一种用于通过谐振感应耦合非接触地传输功率的装置(100)，特别是为了用电能对机动车辆充电或再充电，包括：

-能量源(10)，特别是具有交流电；

-包括第一电容器(C1)和第一绕组(E1)的发射器谐振电路(1)，第一绕组(E1)包括电感器(L1)和第一电阻器(R1)，发射器谐振电路由能量源(10)供电；

-根据前述权利要求中任一项所述的接收器谐振电路(2)。

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