CN118263988A - 一种无线供电系统的耦合机构及其系统电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线供电系统的耦合机构及其系统电路，属于无线供电技术领域。耦合机构包括发射线圈、拾取线圈及ω型磁芯；所述若干个ω型磁芯以同一中心轴放置；所述拾取线圈安装于ω型磁芯芯部π型段凹槽位置处；所述发射线圈放置在若干个ω型磁芯内侧，并与拾取线圈处于同一水平面。本发明提高了无线供电系统耦合机构的抗偏性能，从而保证当偏移、偏转现象发生时，系统仍能较好的完成供电工作。

Description

一种无线供电系统的耦合机构及其系统电路

技术领域

本发明涉及无线供电技术领域，具体涉及一种无线供电系统的耦合机构及其系统电路。

背景技术

近年来，随着无线供电技术飞速发展，其在电动汽车、医疗设备以及消费电子设备等领域得到了广泛应用。随着技术进步，国内外专家学者也将无线供电技术的研究的重心从传统的静态小功率无线供电领域向着动态大功率无线供电领域过渡。

目前，无线供电系统耦合机构根据拾取机构的不同可大致分为“平板式”和“嵌入式”两种。上述耦合机构虽能满足设备正常工作的功率要求，但耦合机构的抗偏转性能亟须增强，大功率无线供电系统传能气隙大多为5-6cm左右，设计过程中若未保证耦合机构的抗偏转能力，实际运行过程中极易出现收发线圈相撞或脱耦合等问题。

以高铁列车为例，列车转弯时为抵消自身惯性力车体会出现倾斜的现象，对于无线供电高铁而言，及车载拾取线圈相对于导轨发射线圈出现偏转的问题。因此，设计一种高抗偏性耦合机构，以其应用于偏转类无线供电场景，具有巨大的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的受电体偏转时，系统安全性及耦合性能受到极大影响、无线供电系统正常工作受到威胁这一问题。本发明提供了一种无线供电系统的耦合机构及其系统电路，提高了无线供电系统耦合机构的抗偏性能，从而保证当偏移、偏转现象发生时，系统仍能较好的完成供电工作。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种无线供电系统的耦合机构，包括发射线圈、拾取线圈及ω型磁芯；所述若干个ω型磁芯以同一中心轴放置；所述拾取线圈安装于ω型磁芯芯部π型段凹槽位置处；所述发射线圈放置在若干个ω型磁芯内侧，并与拾取线圈处于同一水平面。

作为本发明的进一步改进，所述ω型磁芯有两个相同弧段拼接形成；所述弧段包括第一弧段、第二弧段及第三弧段；所述第一弧段、第二弧段及第三弧段依次连接形成弧段。

作为本发明的进一步改进，所述第一弧段根据初始磁芯结构以中心线为基准，布置在第一运行轨迹上，第一弧段的弯曲程度与第一运行轨迹相同。

作为本发明的进一步改进，所述第二弧段的一端与第一弧段连接，第二弧段的另一端弯曲至初始磁芯结构的中心点。

作为本发明的进一步改进，所述第三弧段的一端与第二弧段连接，第三弧段的另一端延长至拾取线圈的顶部。

一种无线供电系统的耦合机构的系统电路，包括发射端电路及接收端电路；所述发射端电路为发射线圈提供所需的脉冲电路，并控制发射线圈的工作状态；拾取线圈接收由发射线圈发出的磁场，当磁场穿过拾取线圈时，会在拾取线圈中产生感应电流，之后，感应电流被送入接收端电路进行处理。

作为本发明的进一步改进，所述发射端电路包括发射电源、逆变器及原边补偿电路；所述逆变器的输入端与电源连接，逆变器的输出端与原边补偿电路连接；所述原边补偿电路设置于发射线圈一侧。

作为本发明的进一步改进，所述接收端电路包括接收端补偿电路、车载整流器及等效负载；所述接收端补偿电路与拾取线圈连接，所述车载整流器输入端与接收端补偿电路的输出端电连接，车载整流器输出端与等效负载的输入端电连接，车载整流器通过电能变换后给等效负载供电。

作为本发明的进一步改进，所述接收端补偿电路安装在列车上，采用串电容补偿的方式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的结构体积小，经济性良好。通过参数化扫描，ω型磁芯在同尺寸下与E型磁芯相比，以弧段代替了直线折角，且中间部位为中空的设计，材料用量降低了5％左右。同时，本发明采用弧段代替传统的垂直式磁芯，有效解决了受电体偏转的工作问题。受电体发生偏转时，拾取端沿固定曲线路径偏转，收发线圈间距无明显变化，提高了能量传递的稳定性，避免了线圈碰撞的危险。其次，本发明根据顶部弧段与凸台组和设计，大大减小了全方向漏磁现象。除顶部缺口处外，ω型磁芯与环形磁芯类似，有效的限制了全方向的磁泄露现象，提高了能量传输的功率和安全性。通常情况下，环型拾取机构的耦合性能比E型拾取机构高很多，但其最大磁密远超锰锌铁氧体的饱和磁密，只有在小电流激励下才不会发生磁芯饱和的情况。但ω型磁芯与之不同，在大电流激励下仍具有优异的耦合性能，实现了E型磁芯和环型磁芯的优势互补。相比于采用E型耦合机构的动态无线供电系统，本系统采用ω型耦合机构，大幅度提高了动态无线供电系统的传能功效和错位容忍度。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：

图1为本发明一种无线供电系统的耦合机构的结构装配图；

图2为本发明一种无线供电系统的耦合机构的磁芯设计原理图，其中，a为缺口环磁芯正对状态时各部件位置、b为缺口环磁芯左偏转状态时各部件位置、c为缺口环磁芯右偏转状态时各部件位置、d为ω型磁芯正对状态时各部件位置、e为ω型磁芯左偏转状态时各部件位置、f为ω型磁芯右偏转状态时各部件位置；

图3为本发明一种无线供电系统的耦合机构的磁芯优化原理图，其中，a为仅存在第一、二弧段的ω型磁芯、b为ω型磁芯完整结构；

图4为本发明一种无线供电系统的耦合机构的ω型磁芯与E型磁芯结构对比图；

图5为本发明一种无线供电系统的耦合机构的安装示意图；

图6为本发明一种无线供电系统的耦合机构的系统电路图；

图7为本发明一种无线供电系统的耦合机构的系统控制框图；

图8为本发明一种无线供电系统的耦合机构的正常耦合状态下系统仿真波形图；

图9为本发明一种无线供电系统的耦合机构的偏转耦合状态下系统仿真波形图。

图中：1为第一运行轨迹；2为初始磁芯结构；4为第二运行轨迹；6为第一弧段；7为磁芯偏转设计射线；8为第二弧段；9为线圈偏转设计射线；10为中心线；11为π型段偏转点；12为第三弧段；13为顶弧段；14为发射线圈；15为原边安装装置；16为拾取线圈；17为ω型磁芯；18为副边安装装置；19为列车；20为发射端电路；201为发射电源；202为逆变器；203为原边补偿电路；21为接收端电路；211为接收端补偿电路；212为车载整流器；213为等效负载；22为采样反馈模块；221为压力传感器；222为光栅传感器；223为或门控制开关。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明提供了一种无线供电系统的耦合机构，包括发射线圈14、拾取线圈16及ω型磁芯17。

若干个ω型磁芯17以同一中心轴放置，拾取线圈16安装于ω型磁芯17芯部π型段凹槽位置处，将若干个ω型磁芯17的π型段偏转点11固定在一起，发射线圈14放置在若干个ω型磁芯17内侧，并与拾取线圈16处于同一水平面。

如图2所示，ω型磁芯17包括第一弧段6、第二弧段7及第三弧段12，第一弧段6的弯曲度如图2(a)所示。第一弧段6、第二弧段7及第三弧段12一次连接形成弧段，两个弧段相连接形成ω型磁芯17。

如图2(a)所示，ω型磁芯17是根据初始磁芯结构2以中心线10为基准，布置在第一运行轨迹1上；发射线圈14以中心线10为基准，布置在第二运行轨迹4上；拾取线圈16布置在第一运行轨迹1及第二运行轨迹4的中心点，并且发射线圈14与拾取线圈16位于同一水平面上。

如图2(d)所示，磁芯偏转设计射线7初始状态与水平线重合，以发射线圈14的中心为中心点；如图2(e)及图2(f)所示，磁芯偏转设计射线7向上下各偏转15度，此时初始磁芯结构2如图2(b)及图2(c)所示，与初始磁芯结构2形成两个交点及一段圆弧；这两个点即为偏转的区间终点，这段圆弧即为容偏弧段。以偏转区间下终点为一切点，设计中心点为另一切点，绘制一段圆弧，即为第二弧段8，添加几何约束-相切；至此，ω型磁芯17的外弧段设计完成，拾取线圈16发生偏转时将带动磁芯沿第一运行轨迹1有轨运行，有效限制了原副边线圈气隙。

如图3所示，将第一运行轨迹1的中心点标记为π型段偏转点11，如图3(a)所示，以发射线圈14高度为设计高度，以外廓磁芯厚度为设计厚度，绘制垂直线段并向外侧偏移，形成第三弧段12。如图3(b)所示，以线圈宽度为设计宽度，以外廓磁芯厚度为设计厚度，绘制顶弧段13。至此，ω型磁芯17设计完成，ω型磁芯17由外围圆弧形弧段和芯部π型段组成。如图4所示，ω型磁芯17可以按照一定角度进行调整。

以下结合具体的实施例对本发明作进一步解释。

如图5所示，本发明一种无线供电系统的耦合机构由四组相互级联的ω型磁芯17与拾取线圈16组成；副边通过副边绝缘安装装置18安装于列车19顶部。发射线圈14和原边绝缘安装装置15组成；所述发射线圈14通过原边绝缘安装装置15悬挂在列车19顶部，并从耦合机构副边ω型磁芯17中穿出。

如图6所示，本发明应用时所采用的系统电路包括发射端电路20及接收端电路21。

发射端电路20为发射线圈14提供所需的脉冲电路，并控制发射线圈14的工作状态；拾取线圈16接收由发射线圈14发出的磁场，当磁场穿过拾取线圈16时，会在拾取线圈16中产生感应电流，这个感应电流随后被送入接收端电路21进行处理。接收端电路21负责处理拾取线圈16产生的感应电流，提取出所需的信息或能量。

发射端电路20包括发射电源201、逆变器202及原边补偿电路203。

逆变器202的输入端与电源201连接，逆变器202的输出端与原边补偿电路201连接；原边补偿电路201固定于发射线圈14侧，采用LCL补偿的方式；原边补偿电路201与发射线圈14形成发射谐振电路。

发射电源201是本发明系统电路的能量来源，负责为整个系统提供所需的电能。其稳定性和输出能力直接影响到逆变器202的工作效果以及最终的能量传输效率。逆变器202则是将发射电源201提供的直流电能转换为交流电能的装置。这种转换是为了适应发射线圈16的工作需求，因为交流电在通过发射线圈16时能产生变化的磁场，从而实现能量的无线传输。逆变器202的性能，包括其转换效率、稳定性以及输出波形等，都直接决定了能量传输的质量和效率。原边补偿电路202则是用于优化能量传输效率的关键部分。其通过对电路参数的调整，来补偿在能量传输过程中产生的损耗，从而提高整体效率。原边补偿电路202采用LCL的补偿形式，这种补偿网络在负载动态变化时可实现系统原边线圈电流恒定、负载端稳压输出并保证工作频率稳定。发射电源201为逆变器202提供稳定的电能输入，逆变器202则将这种直流电能转换为高频交流电，随后注入原边补偿网络203后，在发射线圈14上产生高频正弦电流，从而产生高频交变磁场；而原边补偿电路203则进一步确保系统稳定的工作频率。

接收端电路21包括接收端补偿电路211、车载整流器212及等效负载213。

接收端补偿电路211固定于列车上，采用串电容补偿的方式；接收端补偿电路211与拾取线圈16连接，接收端补偿电路211与拾取线圈16形成接收谐振电路，车载整流器212输入端与接收端补偿电路211的输出端电连接，车载整流器212输出端与等效负载213的输入端电连接。车载整流器212通过电能变换后给负载供电。

接收端补偿电路211的作用是优化能量接收效果。在无线能量传输过程中，由于传输距离、传输介质等因素的影响，接收端可能会收到不完全或失真的能量信号。接收端补偿电路211通过对电路参数的调整，可以补偿这些损失，提高能量接收的效率和稳定性。车载整流器212则是将接收到的能量转换为车辆所需直流电的设备。这种转换使得车载设备能够使用常见的直流电源，从而扩大了车载电源的使用范围。等效负载213则是一个用于衡量系统负载能力的指标，代表了系统在给定时间内所处的运行负载与其最大负载能力之间的比率。

接收端补偿电路211优化拾取线圈16接收到的能量，确保其质量和稳定性，保证系统工作频率；车载整流器212将这些能量转换为直流电，以供车载设备使用；而等效负载213则用于评估车载整流器212在不同负载条件下的性能。

如图7所示，采样反馈模块22设置于发射端电路20一侧，采样反馈模块22包括采样模块和反馈模块。

采样模块包括压力传感器221和光栅传感器222，分别设置于发射线圈16两侧。采样模块将采样信号经或门控制开关223传输至反馈模块，任一采样传感器检测到接收线圈时均可实现信号反馈，提高了系统供电的稳定性。

如图8及图9所示，本发明在Matlab/Simulink中，搭建如图4所示系统电路模型。激励源设置为880V的直流源输入，系统工作频率设置为60Khz，气隙为50mm，分别求解本实施例在正常、偏转耦合状态下的系统最大输出功率及效率。采用仿真的方法进行相关测试。

当发射线圈自感Lp＝295uH,电阻Rp＝10.75mΩ。接收线圈自感Ls＝334uH,电阻Rs＝46.95mΩ。

拾取端为一个。在正常耦合状态下，所述逆变电路输出电压有效值为880V，电流有效值为176A；所述等效负载两侧电压有效值为1235V，电流有效值为123.5A；即系统输出功率为152.5KW，系统供电效率为98.48％。

当发射线圈自感Lp＝289uH,电阻Rp＝9.51mΩ。接收线圈自感Ls＝313uH,电阻Rs＝13.89mΩ。

拾取端为一个。当列车转弯时，及耦合机构处于偏转状态时(拾取端偏转15度)，所述逆变电路输出电压有效值为880V，电流有效值为186A；所述等效负载两侧电压有效值为1199V，电流有效值为120A；即系统输出功率为143.9KW，系统供电效率为87.9％。

综上所述，本发明具有优异的能量传输性能，且兼具抗偏移、抗偏转的能力，适用于无线供电高铁列车的实际应用。搭载ω型耦合机构、双采样反馈模块的动态无线供电系统具有巨大的现实意义。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种无线供电系统的耦合机构，其特征在于，包括发射线圈(14)、拾取线圈(16)及ω型磁芯(17)；

所述若干个ω型磁芯(17)以同一中心轴放置；

所述拾取线圈(16)安装于ω型磁芯(17)芯部π型段凹槽位置处；

所述发射线圈(14)放置在若干个ω型磁芯(17)内侧，并与拾取线圈(17)处于同一水平面。

2.根据权利要求1所述的一种无线供电系统的耦合机构，其特征在于，所述ω型磁芯(17)有两个相同弧段拼接形成；

所述弧段包括第一弧段(6)、第二弧段(8)及第三弧段(12)；

所述第一弧段(6)、第二弧段(8)及第三弧段(12)依次连接形成弧段。

3.根据权利要求2所述的一种无线供电系统的耦合机构，其特征在于，所述第一弧段(6)根据初始磁芯结构(2)以中心线(10)为基准，布置在第一运行轨迹(1)上，第一弧段(6)的弯曲程度与第一运行轨迹(1)相同。

4.根据权利要求2所述的一种无线供电系统的耦合机构，其特征在于，所述第二弧段(8)的一端与第一弧段(6)连接，第二弧段(8)的另一端弯曲至初始磁芯结构(2)的中心点。

5.根据权利要求2所述的一种无线供电系统的耦合机构，其特征在于，所述第三弧段(12)的一端与第二弧段(8)连接，第三弧段(12)的另一端延长至拾取线圈(16)的顶部。

6.根据权利要求1至5所述的一种无线供电系统的耦合机构的系统电路，其特征在于，包括发射端电路(20)及接收端电路(21)；

所述发射端电路(20)为发射线圈(14)提供所需的脉冲电路，并控制发射线圈(14)的工作状态；拾取线圈(16)接收由发射线圈(14)发出的磁场，当磁场穿过拾取线圈(16)时，会在拾取线圈(16)中产生感应电流，之后，感应电流被送入接收端电路(21)进行处理。

7.根据权利要求6所述的一种无线供电系统的耦合机构的系统电路，其特征在于，所述发射端电路(20)包括发射电源(201)、逆变器(202)及原边补偿电路(203)；

所述逆变器(202)的输入端与电源(201)连接，逆变器(202)的输出端与原边补偿电路(201)连接；所述原边补偿电路(201)设置于发射线圈(14)一侧。

8.根据权利要求6所述的一种无线供电系统的耦合机构的系统电路，其特征在于，所述接收端电路(21)包括接收端补偿电路(211)、车载整流器(212)及等效负载(213)；

所述接收端补偿电路(211)与拾取线圈(16)连接，所述车载整流器(212)输入端与接收端补偿电路(211)的输出端电连接，车载整流器(212)输出端与等效负载(213)的输入端电连接，车载整流器(212)通过电能变换后给等效负载(213)供电。

9.根据权利要求8所述的一种无线供电系统的耦合机构的系统电路，其特征在于，所述接收端补偿电路(211)安装在列车上，采用串电容补偿的方式。