CN113937906A - 基于lcc能量传输拓扑的集成电感耦合机构 - Google Patents

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CN113937906A CN202111274251.5A CN202111274251A CN113937906A CN 113937906 A CN113937906 A CN 113937906A CN 202111274251 A CN202111274251 A CN 202111274251A CN 113937906 A CN113937906 A CN 113937906A
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Abstract

本发明公开了一种基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，涉及石油钻井领域中无线电能传输技术领域。本发明的耦合机构包括发射端和接收端，将发射端和接收端中体积较大的电感绕制成DD型结构放置在线圈上方。本发明的集成电感耦合机构使得无线充电系统结构更加紧凑，设计更加简单，由于DD型线圈的结构特点，在能量传输过程中两个线圈之间的影响很小，就传输功率及效角度而言，DD型的抗侧移能力更强，其耦合程度好，向外辐射量少，磁场利用率较高，能力更强，比较适合于高速旋转的井下空间。

Description

基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构
技术领域
本发明涉及石油钻井领域，尤其涉及石油钻井领域中的无线电能传输技术领域，更具体地说涉及一种基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构。
背景技术
传统无线输电系统，根据线圈和电容连接方式的不同，其补偿网路有四种基本的拓扑结构，分别是串－串( SS) 、串－并( SP) 、并－串( PS) 以及并－并(PP)。四种基本补偿拓扑在无线电能传输系统中都不可避免的具有一定的局限性，而实际应用中在不同情况下会对拓扑会对不同的需求，这就对WPT系统补偿拓扑综合性能有较高的要求。
针对传统拓扑存在的问题，提出适用于钻井的双边LCC型拓扑结构，LCC补偿结构对线圈参数变化时适用性更强。同时考虑到实际应用中绕制方式简单、易批量生产的特点，电能耦合机构的发射端采用对称矩形结构，接收端采用盘式结构绕制方式，WPT系统谐振网络及耦合机构示意图如附图1所示。
在石油钻井工作中，高精度控制井下轨迹的旋转导向就意味着高精度的导向控制单元。在高速旋转下，控制它实现这一功能的电路板，由于受到空间的限制，通常被防止在旋转导向轴的凹槽中。但是由于井下空间狭小，再加上LCC拓扑中电感体积大，轴上的凹槽没有足够的位置放置电路板。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，本发明的发明目的在于提供一种可以适应井下狭小空间，减小拓扑结构体积的集成电感耦合机构，将LCC型拓扑结构中的大电感与线圈结合，优化结构。本发明将体积较大的电感绕制成DD型结构放置在线圈上方。本发明的集成电感耦合机构使得无线充电系统结构更加紧凑，设计更加简单，由于DD型线圈的结构特点，在能量传输过程中两个线圈之间的影响很小，就传输功率及效角度而言，DD型的抗侧移能力更强，其耦合程度好，向外辐射量少，磁场利用率较高，能力更强，比较适合于高速旋转的井下空间。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，包括发射端和接收端两个部分，所述发射端包括外筒磁芯、发射线圈层和发射电感线圈层；所述接收端包括内筒磁芯、接收线圈层和接收电感线圈层；所述外筒磁芯套设在内筒磁芯外，且外筒磁芯与内筒磁芯共轴；外筒磁芯的内壁开设有用于绕制发射线圈层和发射电感线圈层的凹槽Ⅰ，所述内筒磁芯的外壁上开设有用于绕制接收线圈层和接收电感线圈层的凹槽Ⅱ，凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ相对设置，且长度相同；发射线圈采用DD型结构绕制在凹槽Ⅰ内形成所述发射线圈层，发射电感线圈采用DD型结构绕制在发射线圈层上形成发射电感线圈层；接收线圈采用DD型结构绕制在凹槽Ⅱ内形成所述接收线圈层，接收电感线圈采用DD型结构绕制在接收线圈层上形成接收电感线圈层。
所述发射线圈和接收线圈均为单极线圈，所述发射电感线圈和接收电感线圈均为双极线圈。
更进一步地，所述发射线圈与发射电感线圈的电流流向一致。
所述接收线圈与接收电感线圈的电流流向一致。
所述外筒磁芯呈空心圆柱状；所述内筒磁芯呈空心圆柱状，外筒磁芯和内筒磁芯均为一体成型。
所述外筒磁芯与内筒磁芯之间存在气隙，气隙范围为5-10mm。
所述接收线圈与接收电感线圈的绕制方向一致。
所述接收线圈采用利兹线绕制；所述接收电感线圈采用利兹线绕制；发射线圈采用利兹线绕制；所述发射电感线圈采用利兹线绕制。
接收线圈采用的线径与接收电感线圈采用的线径一致，流过电流值一样；发射线圈采用的线径与发射电感线圈采用的线径一致，流过电流值一样。
发射线圈匝数为10，接收线圈匝数为10，发射电感线圈匝数根据拓扑配谐决定，实验用的5匝，自感大小是20uH。接收电感线圈匝数根据拓扑配谐决定，实验用的5匝，自感大小是20uH。
发射线圈匝数固定，自感值随即固定，输出电压大小与自感/电感有一个比例关系，所以不同输出电压就需要不同的电感匝数。
原边线圈电流
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
副边拾取电压
Figure 574246DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为原边电感。接收线圈匝数固定，自感值随即固定。
外筒磁芯上凹槽Ⅰ的深度为10mm，确保发射线圈和发射电感线圈绕制在凹槽Ⅰ内后，发射电感线圈外圆周面部不凸出于凹槽Ⅰ的槽口。
内筒磁芯上凹槽Ⅱ的深度为10mm，确保接收线圈和接收电感线圈绕制在凹槽Ⅱ内后，接收电感线圈外圆周面部不凸出于凹槽Ⅱ的槽口。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明提出一种集成电感耦合机构，将体积较大的电感绕制成DD型结构放置在主线圈外层，节省了发射端和接收端用于放置电感的空间，同时保持了传统LCC拓扑的电路特征以及输出功率不变。
2、本发明的集成电感耦合机构，由于DD型线圈的结构特点，在能量传输过程中线圈和电感线圈之间的影响很小。就传输功率及效角度而言DD型的抗侧移能力更强，其耦合程度好，向外辐射量少，磁场利用率较高能力更强，比较适合于高速旋转的井下空间。
3、本发明中采用外筒磁芯和内筒磁芯的空心磁芯型结构，与现有的铁氧体芯型结构相比，虽然空心磁芯型结构占用面积较大，但是将空心磁芯型结构应用于井下空间刚好适配，相较于现有铁氧体芯型结构，空间利用更为合理。本发明的集成式线圈结构较现有铁氧体芯型线圈结构，占用空间较小；且本发明的集成式线圈是平面的，更加易于封装。从材料角度来看，集成式线圈更具成本效益。集成式线圈需要更多的利兹导线，二铁氧体芯线圈需要四个E型磁芯，利兹导线的价格是每米1.16美元，二一根E型磁芯的价格是18.75美元，通过计算，本发明的集成电感耦合机构可以为每个无线充电系统节省约50.99美元。
附图说明
图1为WPT系统谐振网络及耦合机构示意图；
图2为DD型线圈结构绕制方式示意图；
图3为本发明发射线圈和发射电感线圈绕制图；
图4为本发明无线电能传输系统的组成结构示意图；
图5为本发明双面补充拓扑结构的电路图；
图6为本发明无线电能传输系统的电路图；
图7为本发明集成电感耦合机构的结构示意图；
附图标记：1、外筒磁芯，2、发射线圈层，3、发射电感线圈层，4、内筒磁芯，5、接收线圈层，6、接收电感线圈层。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案作出进一步详细地阐述。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。
实施例1
作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图2、图3、图6和图7所示，本实施例公开了一种基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构。WPT系统中的电能耦合机构，由于系统一次侧电流较大以及一次侧电路中的逆变器开关产生的高次谐波都会在耦合机构中间区域产生较大的功率磁场，会对系统带来极大干扰。由于所搭建的电能传输磁耦合机构采用圆盘式或方形结构对称绕制方式，为减少对系统的干扰。提出采用DD 型线圈结构，DD 型线圈结构绕制方式示意图如图2 所示，从起点处逆时针绕制一个矩形后回到起点处，再顺时针在另一侧绕制同样规格矩形之后回到终点。
利用叠加原理，理想情况下DD型线圈产生的磁场相互抵消，对耦合机构影响很小。
参照说明书附图7所示，本实施例提供的一种基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，包括发射端和接收端两个部分，所述发射端包括外筒磁芯1、发射线圈层2和发射电感线圈层3；所述接收端包括内筒磁芯4、接收线圈层5和接收电感线圈层6；所述外筒磁芯1套设在内筒磁芯4外，且外筒磁芯1与内筒磁芯4共轴；外筒磁芯1的内壁开设有用于绕制发射线圈层2和发射电感线圈层3的凹槽Ⅰ，所述内筒磁芯4的外壁上开设有用于绕制接收线圈层5和接收电感线圈层6的凹槽Ⅱ，凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ相对设置，且长度相同；如图3所示，发射线圈采用DD型结构绕制在凹槽Ⅰ内形成所述发射线圈层2，发射电感线圈采用DD型结构绕制在发射线圈层2上形成发射电感线圈层3；接收线圈采用DD型结构绕制在凹槽Ⅱ内形成所述接收线圈层5，接收电感线圈采用DD型结构绕制在接收线圈层5上形成接收电感线圈层6。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图4和图6所示，本实施例提供了一种无线电能传输系统，其包括输入直流电源、高频逆变、耦合机构与补偿网络、整流滤波和负载、从直流输入到直流蓄电池的无线充电系统主要由逆变器、整流器和带补偿网络的线圈三部分组成。无线充电系统的功耗也来源于这三个部分。逆变器选用SiC MOSFET，整流器选用二极管。由于在逆变时实现零电压开关，逆变器和整流器中的大部分的功率损耗是MOSFET和二极管的导通损耗，在3.0kW的无线充电系统中损耗约为31W。这将导致系统效率下降1%。因此，系统的大部分功率损耗来自线圈和补偿网络。
在采用双边LCC补偿拓扑的无线充电系统中，有八个电路组件：四个电感(即线圈)和四个电容器。电路组件中的电源损耗由其ESRS确定。电感的ESR取决于其品质因数、频率和电感值，而电容器的ESR取决于其损耗因数、频率和电容。在谐振条件下，频率是固定的，并且基于
Figure 38856DEST_PATH_IMAGE004
（2），电容值由电感值确定。因此，设计的重点是优化四个电感的值，使系统能够在期望的输出功率下获得最高的效率。由于功率传输取决于两个主线圈之间的耦合，因此最大耦合系数应在主线圈尺寸范围内。
集成式LCC补偿拓扑使无线充电系统结构更加紧凑，设计更加简单。并且，主线圈是单极的，补偿线圈是双极的。电能则通过两个主线圈产生的磁场从一次侧无线传输到二次侧。铁氧体板和铝屏蔽体提供了足够的磁屏蔽，使得产生的磁场集中在线圈内。补偿线圈不是为了传递功率，而是为了调整主线圈中电流的大小，以实现系统的高效率。因此，两个补偿线圈的选择应该尽可能对两个主线圈干扰较小，二者之间具有最低的耦合效应。将双极补偿线圈集成到单极主线圈中，我们以初级线圈为例。由初级补偿线圈
Figure DEST_PATH_IMAGE005
产生并通过主线圈
Figure 287435DEST_PATH_IMAGE006
的净磁通
Figure DEST_PATH_IMAGE007
可以表示为：
Figure 744961DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是磁通密度，
Figure 873847DEST_PATH_IMAGE010
是一次主线圈处的表面元素。
双极线圈产生的磁通量从一个磁偶极子流向另一个磁偶极子，净磁通量为零。因为进入
Figure DEST_PATH_IMAGE011
的磁通量等于流出
Figure 555364DEST_PATH_IMAGE011
的磁通量。因此，消除了
Figure 291239DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 834347DEST_PATH_IMAGE005
之间的耦合效应，并且耦合系数
Figure 972068DEST_PATH_IMAGE012
为零。如图5所示。
类似地，由
Figure 293327DEST_PATH_IMAGE005
产生并通过
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的净磁通
Figure 359241DEST_PATH_IMAGE014
为零，并且
Figure 565095DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 354059DEST_PATH_IMAGE005
之间的耦合系数
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为零。该积分消除了完全对准时的同侧耦合系数和交叉侧耦合效应。由于同侧线圈的相对位置在未对准时不会改变，因此在未对准期间，两侧的同侧耦合系数仍为零。每两个横向线圈的相对位置发生变化，会出现横向耦合系数。但每两个横向线圈之间的间隙相当大，二者之间的耦合系数很小，可以忽略，横向耦合系数一直存在，但可以最小化到可以忽略的水平。
为了验证采用该积分方法的补偿线圈是否结构最紧凑，对铁氧体芯型和空心型进行了仿真研究。铁氧体磁芯由两个E型磁芯组成。为了达到期望的电感值，对不同类型的补偿线圈进行了仿真，并在下表1中比较了它们的体积。
表1为线圈尺寸
Figure DEST_PATH_IMAGE017
显然，空芯线圈占用的空间最大，铁氧体-铁芯线圈占用的空间最小，集成线圈占用的空间最小。此外，与铁氧体磁芯线圈相比，集成线圈还有两个优点：1)集成线圈是平面的，更易于封装；2)从材料的角度来看，集成线圈更具成本效益。集成线圈需要更多的利兹导线，而铁氧体磁芯线圈需要四个E型磁芯。利兹线的价格是每米1.16美元，而一根E型磁芯的价格是18.75美元。通过计算，集成线圈为每个无线充电系统节省了50.99美元。
实施例3
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图7，本实施例公开了：
基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，包括发射端和接收端两个部分，所述发射端包括外筒磁芯1、发射线圈层2和发射电感线圈层3；所述接收端包括内筒磁芯4、接收线圈层5和接收电感线圈层6；所述外筒磁芯1套设在内筒磁芯4外，且外筒磁芯1与内筒磁芯4共轴；外筒磁芯1的内壁开设有用于绕制发射线圈层2和发射电感线圈层3的凹槽Ⅰ，所述内筒磁芯4的外壁上开设有用于绕制接收线圈层5和接收电感线圈层6的凹槽Ⅱ，凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ相对设置，且长度相同；发射线圈采用DD型结构绕制在凹槽Ⅰ内形成所述发射线圈层2，发射电感线圈采用DD型结构绕制在发射线圈层2上形成发射电感线圈层3；接收线圈采用DD型结构绕制在凹槽Ⅱ内形成所述接收线圈层5，接收电感线圈采用DD型结构绕制在接收线圈层5上形成接收电感线圈层6。
所述发射线圈和接收线圈均为单极线圈，所述发射电感线圈和接收电感线圈均为双极线圈。所述发射线圈与发射电感线圈的电流流向一致。所述接收线圈与接收电感线圈的电流流向一致。
所述外筒磁芯1呈空心圆柱状；所述内筒磁芯4呈空心圆柱状，外筒磁芯1和内筒磁芯4均为一体成型。所述外筒磁芯1与内筒磁芯4之间存在气隙，气隙范围为5-10mm。所述接收线圈与接收电感线圈的绕制方向一致。
所述接收线圈采用利兹线绕制；所述接收电感线圈采用利兹线绕制；发射线圈采用利兹线绕制；所述发射电感线圈采用利兹线绕制。接收线圈采用的线径与接收电感线圈采用的线径一致，流过电流值一样；发射线圈采用的线径与发射电感线圈采用的线径一致，流过电流值一样。
发射线圈匝数为10，接收线圈匝数为10，发射电感线圈匝数根据拓扑配谐决定，实验用的5匝，自感大小是20uH。接收电感线圈匝数根据拓扑配谐决定，实验用的5匝，自感大小是20uH。发射线圈匝数固定，自感值随即固定，输出电压大小与自感/电感有一个比例关系，所以不同输出电压就需要不同的电感匝数。
原边线圈电流
Figure 190428DEST_PATH_IMAGE001
；
副边拾取电压
Figure 635316DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 503915DEST_PATH_IMAGE003
为原边电感。接收线圈匝数固定，自感值随即固定。
外筒磁芯1上凹槽Ⅰ的深度为10mm，确保发射线圈和发射电感线圈绕制在凹槽Ⅰ内后，发射电感线圈外圆周面部不凸出于凹槽Ⅰ的槽口。内筒磁芯4上凹槽Ⅱ的深度为10mm，确保接收线圈和接收电感线圈绕制在凹槽Ⅱ内后，接收电感线圈外圆周面部不凸出于凹槽Ⅱ的槽口。

Claims (10)

1.基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，包括发射端和接收端两个部分，其特征在于：所述发射端包括外筒磁芯（1）、发射线圈层（2）和发射电感线圈层（3）；所述接收端包括内筒磁芯（4）、接收线圈层（5）和接收电感线圈层（6）；所述外筒磁芯（1）套设在内筒磁芯（4）外，且外筒磁芯（1）与内筒磁芯（4）共轴；外筒磁芯（1）的内壁开设有用于绕制发射线圈层（2）和发射电感线圈层（3）的凹槽Ⅰ，所述内筒磁芯（4）的外壁上开设有用于绕制接收线圈层（5）和接收电感线圈层（6）的凹槽Ⅱ，凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ相对设置，且长度相同；发射线圈采用DD型结构绕制在凹槽Ⅰ内形成所述发射线圈层（2），发射电感线圈采用DD型结构绕制在发射线圈层（2）上形成发射电感线圈层（3）；接收线圈采用DD型结构绕制在凹槽Ⅱ内形成所述接收线圈层（5），接收电感线圈采用DD型结构绕制在接收线圈层（5）上形成接收电感线圈层（6）。
2.如权利要求1所述的基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈均为单极线圈，所述发射电感线圈和接收电感线圈均为双极线圈。
3.如权利要求1或2所述的基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，其特征在于：所述发射线圈与发射电感线圈的电流流向一致；所述接收线圈与接收电感线圈的电流流向一致。
4.如权利要求1所述的基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，其特征在于：所述外筒磁芯（1）呈空心圆柱状；所述内筒磁芯（4）呈空心圆柱状，外筒磁芯（1）和内筒磁芯（4）均为一体成型。
5.如权利要求1或4所述的基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，其特征在于：所述外筒磁芯（1）与内筒磁芯（4）之间存在气隙，气隙范围为5-10mm。
6.如权利要求1所述的基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，其特征在于：所述接收线圈与接收电感线圈的绕制方向一致；所述接收线圈采用利兹线绕制；所述接收电感线圈采用利兹线绕制；发射线圈采用利兹线绕制；所述发射电感线圈采用利兹线绕制。
7.如权利要求1或6所述的基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，其特征在于：接收线圈采用的线径与接收电感线圈采用的线径一致，流过电流值一样；发射线圈采用的线径与发射电感线圈采用的线径一致，流过电流值一样。
8.如权利要求1所述的基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，其特征在于：发射线圈匝数为10匝，接收线圈匝数为10匝，发射电感线圈匝数根据拓扑配谐决定，匝数为5匝，自感大小是20uH；接收电感线圈匝数根据拓扑配谐决定，匝数为5匝，自感大小是20uH。
9.如权利要求1所述的基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，其特征在于：外筒磁芯（1）上凹槽Ⅰ的深度为10mm，确保发射线圈和发射电感线圈绕制在凹槽Ⅰ内后，发射电感线圈外圆周面部不凸出于凹槽Ⅰ的槽口。
10.如权利要求1所述的基于LCC能量传输拓扑的集成电感耦合机构，其特征在于：内筒磁芯（4）上凹槽Ⅱ的深度为10mm，确保接收线圈和接收电感线圈绕制在凹槽Ⅱ内后，接收电感线圈外圆周面部不凸出于凹槽Ⅱ的槽口。
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