CN113690012A - 一种可控电感器的灵活高效多谐振无线电力传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可控电感器的灵活高效多谐振无线电力传输系统，所述电力传输系统采用多重谐振补偿电路；当系统的单位增益性能达到最佳时，无线变压器的所有漏感均得到补偿，且通过在谐振频率下操作转换器使系统达到最大分流阻抗；当谐振网络的所有电容器和电感器的阻抗在转换器的工作频率下匹配良好时，可使逆变器电压与电流之间的相位为零，实现无线电力传输系统的软开关特性；基于气隙范围，确定耦合变化和最大变化系数(αmax)。本发明的有益效果是：本发明通过位移控制技术实现对多级谐振系统中可变电感值的改变，解决了现有无线电力传输系统在多级谐振系统中传输效率低、系统成本高尺寸大、无法在高功率水平下稳定运行的问题。

Description

一种可控电感器的灵活高效多谐振无线电力传输系统
技术领域
本发明涉及一种电力传输系统，具体为一种可控电感器的灵活高效多谐振无线电力传输系统，属于无线电力传输技术领域。
背景技术
无线电力传输技术已广泛应用于数字设备，因为该设备非常灵活，对客户非常友好。低谐振转换器，如串联－串联谐振转换器(SSRC)、串联谐振转换器(SRC)和并联谐振转换器(PRC)，具有很高的灵活性和对线圈失调的高容忍度。然而，这些拓扑不能用于宽气隙、低耦合变压器，因为这种低耦合变压器的磁化电感非常低，难以抑制谐振网络的循环电流。因此，对于宽气隙无线电力传输应用，需要高品质、多谐振补偿来衰减系统的循环电流和传导损耗。
高品质多谐振转换器，如串联谐振(SPRC)和串联谐振(SSPRC)适合低耦合紧凑型无线变压器应用；由于这种拓扑的并联谐振，使并联支路的有效阻抗增加，尽管变压器的磁化电感仍然很小，但在轻负载条件下，转换器的循环电流也会减小。然而，因为这些多谐振拓扑具有在单个频率谐振的几个谐振对，所以参数值应该在整个操作条件下是恒定和稳定的，以充分利用多谐振转换器的高品质特性。然而，无线变压器的参数不能在整个运行过程中保持一致，因为无线电力传输系统会受到外部干扰。由于变压器线圈的未对准、不同偏置电流下谐振元件的饱和、线圈温度的增加/降低或栅极驱动器和数字控制器的容差，无线变压器的参数可能不同于设计值。故转换器不能保持最小化循环电流和实现有效零电压开关－软开关所需的条件。因此，高品质多谐振补偿拓扑的使用使转换器不能容忍线圈失调。换句话说，每当无线变压器线圈的对准与补偿网络设计的单个理想位置不匹配时，转换器的整体效率就会降低。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种可控电感器的灵活高效多谐振无线电力传输系统。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种可控电感器，包括：
固定板，所述固定板的正面开设有调节滑槽，所述调节滑槽内转动穿插连接有双向螺杆；
夹定组件，所述夹定组件设置在固定板的正面，所述夹定组件包括两个调节板，两个所述调节板的顶端均开设有调节口，两个所述调节口内均滑动穿插连接有两个导向滑块，四个所述导向滑块相向的一侧均固定连接有夹定板；
铁氧体磁芯，所述铁氧体磁芯设置在四个夹定板之间；
套管，所述套管的背面和铁氧体磁芯穿插连接，所述套管的外壁套设有感应线圈；
联动组件，所述联动组件设置在套管的顶端，所述联动组件包括导向轴，所述导向轴的顶端开设有导向口，所述导向口内滑动穿插连接有导向杆，所述导向轴底端的一侧设置有转动盘，所述转动盘的底端设置有第一旋转杆，所述导向杆的底端设置有第二旋转杆，所述第一旋转杆和第二旋转杆之间套接有牵引杆。
优选的，所述调节滑槽顶端的内壁开设有支撑孔，所述双向螺杆的顶部贯穿支撑孔，所述双向螺杆的顶端固定连接有转动靶盘。
优选的，两个所述调节板的背面均固定连接有移动滑板，两个所述移动滑板和调节滑槽滑动穿插连接，两个所述移动滑板的顶端均开设有螺纹孔，两个所述螺纹孔均与双向螺杆螺纹穿插连接。
优选的，两个所述调节口正面和背面的内壁均开设有限制滑槽，四个所述限制滑槽内均设置有两个挤压弹簧。
优选的，四个所述导向滑块的正面和背面均固定连接有限制滑块，八个所述限制滑块分别和四个限制滑槽滑动穿插连接，八个所述限制滑块相背的一侧分别和八个挤压弹簧相向的一侧固定连接。
优选的，所述转动盘的中部穿插连接有连接杆，所述连接杆的顶端设置有伺服电机。
优选的，所述导向杆底端的边侧固定连接有联动杆，所述联动杆的底端固定连接有支撑杆，所述支撑杆的底端和套管的顶端固定连接。
一种可控电感器的灵活高效多谐振无线电力传输系统，所述电力传输系统采用多重谐振补偿电路；
当系统的单位增益性能达到最佳时，无线变压器的所有漏感均得到补偿，且通过在谐振频率下操作转换器使系统达到最大分流阻抗；
当谐振网络的所有电容器和电感器的阻抗在转换器的工作频率下匹配良好时，可使逆变器电压与电流之间的相位为零，实现无线电力传输系统的软开关特性。
优选的，基于给定无线应用的气隙范围，确定耦合变化和最大变化系数；
控制可变电感的最大和最小电感之差(Lmax-Lo)等于公式计算的范围；
利用多谐振转换器中的可变电感，设定可变电感的最小偏移值Lo，然后根据使用需求，设定可变电感器所需的匝数。
本发明的有益效果是：
其一、本发明通过位移控制技术实现对多级谐振系统中可变电感值的改变，解决了现有无线电力传输系统在多级谐振系统中传输效率低、系统成本高尺寸大、无法在高功率水平下稳定运行的问题。
其二、本发明利用固定板和夹定组件能够进行铁氧体磁芯的自由夹紧固定，且及其定组件的夹定空间能够进行灵活侧调整，这样在根据实际运用情况改变铁氧体磁芯尺寸的同时，能够对铁氧体磁芯的夹定空间进行合理灵活的调整，使用起来十分的方便。
附图说明
图1为本发明多谐振串联变换器的拓扑图；
图2为本发明串联－串联并联谐振拓扑的近似模型的拓扑图；
图3为本发明可变谐振电感的概念图；
图4为本发明多谐振串联－串联并联谐振拓扑以及可变谐振元件的原理图；
图5为本发明可控电感器的结构示意图；
图6为本发明图5中固定板、夹定组件和铁氧体磁芯的连接示意图；
图7为本发明图5中固定板和夹定组件的连接示意图；
图8为本发明图7中A处的结构放大示意图；
图9为本发明图5中联动组件的结构示意图；
图10为本发明图9中B处的结构放大示意图。
图中：1、固定板；101、双向螺杆；102、转动靶盘；2、调节板；201、移动滑板；202、限制滑槽；203、挤压弹簧；3、导向滑块；301、限制滑块；302、夹定板；4、铁氧体磁芯；5、套管；501、感应线圈；6、导向轴；601、转动盘；602、第一旋转杆；603、伺服电机；604、牵引杆；605、导向杆；606、支撑杆；607、联动杆；608、第二旋转杆。
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，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图5-10所示，一种可控电感器，其特征在于，包括：
固定板1，固定板1的正面开设有调节滑槽，调节滑槽内转动穿插连接有双向螺杆101；
调节滑槽顶端的内壁开设有支撑孔，双向螺杆101的顶部贯穿支撑孔，双向螺杆101的顶端固定连接有转动靶盘102，通过转动靶盘102控制双向螺杆101进行转动；
夹定组件，夹定组件设置在固定板1的正面，夹定组件包括两个调节板2，两个调节板2的顶端均开设有调节口，两个调节口内均滑动穿插连接有两个导向滑块3，四个导向滑块3相向的一侧均固定连接有夹定板302；
作为本发明的一种技术优化方案，两个调节板2的背面均固定连接有移动滑板201，两个移动滑板201和调节滑槽滑动穿插连接，两个移动滑板201的顶端均开设有螺纹孔，两个螺纹孔均与双向螺杆101螺纹穿插连接；
两个调节口正面和背面的内壁均开设有限制滑槽202，四个限制滑槽202内均设置有两个挤压弹簧203；
作为本发明的一种技术优化方案，四个导向滑块3的正面和背面均固定连接有限制滑块301，八个限制滑块301分别和四个限制滑槽202滑动穿插连接，八个限制滑块301相背的一侧分别和八个挤压弹簧203相向的一侧固定连接；
作为本发明的一种技术优化方案，转动盘601的中部穿插连接有连接杆，连接杆的顶端设置有伺服电机603；
导向杆605底端的边侧固定连接有联动杆607，联动杆607的底端固定连接有支撑杆606，支撑杆606的底端和套管5的顶端固定连接。
铁氧体磁芯4，铁氧体磁芯4设置在四个夹定板302之间；
套管5，套管5的背面和铁氧体磁芯4穿插连接，套管5的外壁套设有感应线圈501；
联动组件，联动组件设置在套管5的顶端，联动组件包括导向轴6，导向轴6的顶端开设有导向口，导向口内滑动穿插连接有导向杆605，导向轴6底端的一侧设置有转动盘601，转动盘601的底端设置有第一旋转杆602，导向杆605的底端设置有第二旋转杆608，第一旋转杆602和第二旋转杆608之间套接有牵引杆604。
如图1-4所示，一种可控电感器的灵活高效多谐振无线电力传输系统，所述电力传输系统采用多重谐振补偿电路；
当系统的单位增益性能达到最佳时，无线变压器的所有漏感均得到补偿，且通过在谐振频率下操作转换器使系统达到最大分流阻抗；
即使在轻负载条件下，采用这种补偿结构的系统也可以最小化的减少由无功分量引起的功率损耗，并提高转换器的整体效率；
系统中的感应线圈501由机械制动器移动，而不是移动铁氧体磁芯4；由于系统中感应线圈501的质量和惯性非常小，所以它可以通过一个便宜而紧凑的微型伺服电机603轻松移动；当系统中电感器线圈的轴在水平方向上变化时，此时感应线圈501和铁氧体磁芯4之间的距离变化，故实现可变电感器。
当谐振网络的所有电容器和电感器的阻抗在转换器的工作频率下匹配良好时，可使逆变器电压与电流之间的相位为零，实现无线电力传输系统的软开关特性。
基于给定无线应用的气隙范围，确定耦合变化和最大变化系数(αmax)；
控制可变电感的最大和最小电感之差(Lmax-Lo)等于公式计算的范围；
利用多谐振转换器中的可变电感，设定可变电感的最小偏移值Lo，然后使用需求，设定可变电感器所需的匝数。
本发明的具体实施时，如图1所示，为整个多谐振串联变换器的拓扑图；通过分析无线电力传输系统的三个主要性能因素，即单位增益性能、最大分流阻抗和单位功率因数，便可以设计出高效且优越的多阶谐振转换器拓扑；在单位增益性能中，使谐振变换器系统的输入输出电压增益与变压器增益比值等于理想无线变压器的匝数比，此时无线变压器的所有漏感都得到了有效补偿；此时无线电能传输系统的性能与理想变压器一样；当一次漏电感L1和二次漏电感L2在谐振频率ω下分别与对应的串联电容C1和C2谐振时，变换器的电压增益统一，公式如下：
Figure BDA0003227352910000071
在最大分流阻抗中，功率级的效率取决于流过变压器绕组和开关的循环电流的数量；LC并联谐振特性可以显著降低输入电流和无功潮流；通过在谐振频率下工作，图1中的磁化电感Lm和并联电容Cp相互谐振的ωB可以实现最大的分流阻抗；因此，可以显著降低循环电流组件的电导率，提高谐振功率级的效率。
在单位功率因素中，脉宽调制逆变器电压和电流之间的零相位可以实现系统的有效软开关；当谐振网络中所有电容和电感的阻抗在变换器的工作频率处匹配良好时，则谐振网络的总输入阻抗Zin将为零相位；这样，就可以实现一个有效的零电压开关，并使交换网络的效率最大化。
如图2所示，为所提出的多谐振拓扑的等效电路；如果三个电感L1、L2在谐振频率ωA＝ωB＝ωC＝ω1时分别与它们对应的电容C1、C2和CP发生谐振，则此时变换器处于平衡谐振状态。在谐振补偿网络与无线变压器参数相匹配的良好谐振条件下，对所提出的变换器进行等效分析，即可得出串联-串联并联谐振拓扑的近似模型；从图中可知，电压(Vac/Vin)和电流(I0/I1)的输入到输出增益几乎等于1，并且由于电感电流Ia和电容电流Ib的幅度彼此相差180°，此时循环电流Ib的幅度足够小，这种平衡状态使转换器能够以简单的控制结构以最大效率传输功率。
如图3所示，为可变谐振电感的概念图；因为非接触电源传输应用，如感应加热器、户外电动汽车无线充电器、照明设备、消费电子设备和一些家用电子产品，经常受到外部干扰，负载每次都是无线连接到电源，故应考虑系统参数的变化；为了优化性能，应该通过一个可变的谐振元件从外部进行补偿。通过改变磁芯与电感线圈之间的气隙距离来实现可变电感。采用一种可变谐振电感技术，该技术通过机械执行器来移动线圈，而不是移动铁氧体磁芯4。
由于线圈具有很小的质量和惯性，它可以很容易地通过一个廉价和紧凑的微型伺服电机603移动；所提出的可变电感设置的基本结构是通过图3所示的图描述的；连接到该电感线圈的轴在水平方向上是可变的，并且该线圈与铁氧体铁芯之间的距离是可变的，以实现可变电感；当位移为零时，线圈两端测量的电感值达到最大值Lmax。通过执行器运动增加线圈与铁氧体铁芯之间的距离至最大距离Lg-max，可以将其减小到最小值Lo。
如图4所示，为多谐振串联-串联并联谐振拓扑以及可变谐振元件的原理图。所述并联支路包括所述可控电感器Le和所述并联电容Cp，与所述无线变压器的磁化电感器Lm谐振。并联支路的有效阻抗等于其对应阻抗的算术和(jX'L-jX'C)。
因此，可以通过调节可变电感Le到一定范围来改变并联支路的有效阻抗；因为电容的阻抗Cp远高于控制电感的阻抗，故并联支路的有效阻抗仍然是电容性的。共振频率ω'B并联谐振支路的可以用可变电感器的电感量Le表示，公式如下：
Figure BDA0003227352910000091
因此，通过改变并联支路的有效阻抗，并联谐振的谐振频率可以与串联谐振的谐振频率相匹配；这意味着通过控制电感Le，并联谐振的谐振频率ω'B和串联谐振的谐振频率ω'A可以补偿。当串联和并联谐振对的谐振频率完全匹配时，新的谐振频率ω'C的有效电感Le和有效电容Cp也匹配；谐振频率ω'C可以用有效电容C'ef和有效电感L'ef表达出：
Figure BDA0003227352910000092
因此，在新的谐振频率ω'A下，三个所有的谐振对完全匹配，故三阶谐振系统可以在最佳条件下工作。因此，可以有效地降低由于无功分量和高速切换引起的功率损耗。
如图5所示，为可变电感器的结构示意图；通过确定可变电感器的设计参数，得到补偿由于无线变压器耦合系数变化而产生的谐振不平衡所需的电感变化范围ΔLe-max。机械驱动可变电感中所有元件的物理尺寸根据下式选择。可变电感器的自感L(Xg)与线圈和铁氧体铁芯之间的位移Xg成正比。当位移最小时(Xg＝0)，铁氧体铁芯完全在线圈内，其截面积最大；此时，自导率为最大值；
当线圈在执行器轴的整个长度(Xg＝1m)完全远离铁氧体铁芯时，电感器的自感几乎与空芯电感器相同，故可得到最小电感。在该位置(0≤Xg≤1m)之间，通制动器致动器轴的运动，可将电感器的自感调至最大值和最小值之间的任意期望值。所提电感器在两个极值(Xg＝0)、(Xg＝1m)下的自感系数定义如下：
Figure BDA0003227352910000101
Figure BDA0003227352910000102
可控电感器在使用时，参考图5至图10；
首先将铁氧体磁芯4进行固定；
实施第一步操作，握住转动靶盘102进行顺时针转动，转动靶盘102带动双向螺杆101进行顺时针转动，在螺纹的配合下，两个移动滑板201在调节滑槽内向着相反的方向移动，在两个移动滑板201的带动下，两个调节板2之间的距离增大；
实施第二步操作，向着远离调节板2中心的方向拉动四个夹定板302，四个夹定板302带动四个导向滑块3在调节口内进行同步直线运动，四个导向滑块3分别会带动连接的限制滑块301进行同步移动，且在移动的过程中，八个限制滑块301将八个挤压弹簧203挤压至压缩状态；
实施第三步操作，当四个夹定板302之间的距离能够容纳铁氧体磁芯4时，释放在四个夹定板302上的力，此时八个挤压弹簧203回复力作用在八个限制滑块301上，并在限制滑块301的带动下使得四个导向滑块3带着四个夹定板302向着两个调节板2中心处相向移动，这样在通过两个调节板2的合围，即可将铁氧体磁芯4的一端进行固定。
感应线圈501和铁氧体磁芯4之间的移动有以下几个过程；
过程一；启动伺服电机603，伺服电机603通过连接杆带动转动盘601进行转动，此时转动盘601底端的第一旋转杆602跟随转动盘601进行同步运动；
过程二；第一旋转杆602在进行转动的同时会拉动牵引杆604跟随其进行位置变化，同时会进行转动；
过程三：牵引杆604进行位置变化的时候会拉动第二旋转杆608进行移动，且由于第二旋转杆608在导向杆605的底端，导向杆605受到导向轴6开设的导向口的限制进行水平方向的直线运动，且牵引杆604在转动盘601和第一旋转杆602的拉扯引导下进行位置变化时，导向杆605受牵引进行直线往复运动；
过程四；导向杆605往复直线运动会通过联动杆607带动支撑杆606进行同步往复直线运动，这时套管5带着感应线圈501跟随支撑杆606进行往复直线运动，套管5带着感应线圈501进行直线运动的时候会不断的改变其与铁氧体磁芯4之间的距离，这样利用感应线圈501切割铁氧体磁芯4产生的电场，以此形成一个可控电感器。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种可控电感器，其特征在于，包括：
固定板(1)，所述固定板(1)的正面开设有调节滑槽，所述调节滑槽内转动穿插连接有双向螺杆(101)；
夹定组件，所述夹定组件设置在固定板(1)的正面，所述夹定组件包括两个调节板(2)，两个所述调节板(2)的顶端均开设有调节口，两个所述调节口内均滑动穿插连接有两个导向滑块(3)，四个所述导向滑块(3)相向的一侧均固定连接有夹定板(302)；
铁氧体磁芯(4)，所述铁氧体磁芯(4)设置在四个夹定板(302)之间；
套管(5)，所述套管(5)的背面和铁氧体磁芯(4)穿插连接，所述套管(5)的外壁套设有感应线圈(501)；
联动组件，所述联动组件设置在套管(5)的顶端，所述联动组件包括导向轴(6)，所述导向轴(6)的顶端开设有导向口，所述导向口内滑动穿插连接有导向杆(605)，所述导向轴(6)底端的一侧设置有转动盘(601)，所述转动盘(601)的底端设置有第一旋转杆(602)，所述导向杆(605)的底端设置有第二旋转杆(608)，所述第一旋转杆(602)和第二旋转杆(608)之间套接有牵引杆(604)。
2.根据权利要求1所述的一种可控电感器，其特征在于：所述调节滑槽顶端的内壁开设有支撑孔，所述双向螺杆(101)的顶部贯穿支撑孔，所述双向螺杆(101)的顶端固定连接有转动靶盘(102)。
3.根据权利要求1所述的一种可控电感器，其特征在于：两个所述调节板(2)的背面均固定连接有移动滑板(201)，两个所述移动滑板(201)和调节滑槽滑动穿插连接，两个所述移动滑板(201)的顶端均开设有螺纹孔，两个所述螺纹孔均与双向螺杆(101)螺纹穿插连接。
4.根据权利要求1所述的一种可控电感器，其特征在于：两个所述调节口正面和背面的内壁均开设有限制滑槽(202)，四个所述限制滑槽(202)内均设置有两个挤压弹簧(203)。
5.根据权利要求1所述的一种可控电感器，其特征在于：四个所述导向滑块(3)的正面和背面均固定连接有限制滑块(301)，八个所述限制滑块(301)分别和四个限制滑槽(202)滑动穿插连接，八个所述限制滑块(301)相背的一侧分别和八个挤压弹簧(203)相向的一侧固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种可控电感器，其特征在于：所述转动盘(601)的中部穿插连接有连接杆，所述连接杆的顶端设置有伺服电机(603)。
7.根据权利要求1所述的一种可控电感器，其特征在于：所述导向杆(605)底端的边侧固定连接有联动杆(607)，所述联动杆(607)的底端固定连接有支撑杆(606)，所述支撑杆(606)的底端和套管(5)的顶端固定连接。
8.一种可控电感器的灵活高效多谐振无线电力传输系统，其特征在于：所述电力传输系统采用多重谐振补偿电路；
当系统的单位增益性能达到最佳时，无线变压器的所有漏感均得到补偿，且通过在谐振频率下操作转换器使系统达到最大分流阻抗；
当谐振网络的所有电容器和电感器的阻抗在转换器的工作频率下匹配良好时，可使逆变器电压与电流之间的相位为零，实现无线电力传输系统的软开关特性。
9.根据权利要求8所述的一种可控电感器的灵活高效多谐振无线电力传输系统，其特征在于：基于给定无线应用的气隙范围，确定耦合变化和最大变化系数；
控制可变电感的最大和最小电感之差(Lmax-Lo)等于公式计算的范围；
利用多谐振转换器中的可变电感，设定可变电感的最小偏移值Lo，然后根据使用需求，设定可变电感器所需的匝数。
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