CN209462088U - 无线电力传输系统 - Google Patents

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曲家隆
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Abstract

提供了可以轻易地嵌入在高压绝缘盘内的电感‑电容(LC)线圈‑谐振器的装置和系统。每个LC线圈谐振器包括在电气非导电材料上以至少两层平面螺旋绕组的形式制造或印刷的螺旋形导电轨道。至少两个平行层上的平面导电绕组可以连接以形成闭合绕组。与平面螺旋绕组相关的分布电感和导电轨道层之间的分布电容形成等效的LC线圈谐振器。当这些LC线圈谐振器嵌入在高压绝缘杆中的一些或所有绝缘盘中时,它们形成用于无线电力传输的中继线圈谐振器。

Description

无线电力传输系统
技术领域
本实用新型涉及一种适用于高压电力传输线路系统的无线电力传输系统。
背景技术
智能电网和物联网近年来促使积极研究建立电力传输系统的在线监测系统。这种监测系统对某些地区尤为重要和关键,例如中国近年来由于中国中部和北部的暴雪以及中国南部的台风而遭受了几次大规模停电。2008年中国停电导致的估计总财务损失超过1000亿人民币(约650亿美元)。中国电力中断问题的严重性使得中国越来越多的研究涉及使用安装在电力传输系统塔上的监测装置和系统来改善电力传输系统的在线监测。
用于电力传输塔和电缆的在线监测系统涵盖一系列监测服务,诸如电气参数(例如,电压、电流、相角和功率)、机械参数(例如,塔结构、电缆舞动(gallop)、冰/雪厚度和传输塔的风致机械振动)、热参数(例如,电缆温度)和天气信息(例如,风速、温度和闪电、污染等级),以及防盗监测。
传统上,太阳能电池板用于采集太阳能并储存在电池中以为高压(HV) 传输塔中的这些在线监测系统供电。但是这种方法有许多缺点,如2008年中国停电所示。第一,太阳能采集取决于天气并且不可靠。第二,电池的尺寸必须非常大,因为太阳能不是每天24小时可用。由于缺乏电力,长时间的阴天可能导致在线监测系统停止运行。
一些已知的用于高压电力传输系统的监测系统由安装在电力传输塔上的太阳能电池板单元供电。这种形式的电源的一个问题是可用太阳能的间歇性,其在恶劣天气的长时期期间恶化,这可能导致太阳能电池板单元的电池中的电荷耗尽并因而导致监测系统的断电。
R.Berthiaume和R.Blais,“Microwave repeater power supply tapped fromthe overhead ground wire on 735kV transmission lines”,IEEE学报,电源应用系统,PAS-99卷,第1期,第183-184页,1980年1月/2月,公开了一种技术,其中使用微波中继器将从高压电力传电力传输缆采集的电力从一点传输到另一点。
A.Kurs,A.Karalis,R.Moffatt,J.D.Joannopoulos,P.Fisher和M.Soljacic,“Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances”,科学,第317卷,第5834期,第83-86页,2007年7月,公开了一种使用磁谐振的中程无线电力传输技术。Kurs公开的磁谐振无线电力传输技术采用最大功率传输原理,其具有系统效率低的限制。对于经由与源阻抗匹配的最大功率传输定理运行的任何电路,存在固有的限制,即系统的能量效率不能高于50 %。对于大约2米的传输距离,系统能量效率如在S.Y.R.Hui,W.X.Zhong and C.K.Lee,“A critical review of recent progress in mid-rangewireless power transfer”,IEEE电力电子学报,第29卷,第9期,2014年九月,第4500-4511页中所讨论的,最多只有15%。
无线多米诺谐振器(domino-resonator)无线电力传输系统已在以下公开:
[1]S.Y.R.Hui和W.X.Zhong,“Apparatus and Method for Wireless PowerTransfer”,专利申请PCT/IB2011/000050,2011年1月14日;
[2]W.X.Zhong、C.K.Lee和S.Y.R.Hui,“General Analysis on the Use ofTesla's Resonators in Domino Forms for Wireless Power Transfer”,IEEE工业电子学报,第60卷,第1期,2013年1月,第261-270页;
[3]W.X.Zhong、C.K.Lee和S.Y.R.Hui,“General Analysis on the Use ofTesla's Resonators in Domino Forms for Wireless Power Transfer”,IEEE电力电子学报,第27卷,期号:4,2012,第1905-1916页;以及
[4]W.X.Zhong、C.K.Lee和S.Y.R.Hui,“Wireless Power Domino-ResonatorSystems with Non-coaxial axes and Circular Structures”, IEEE电力电子学报,第27卷,期号:11,2012,第4750-4762页。
[1]至[4]中的无线多米诺谐振器系统实际上已经证明可以提供一种在几米范围内传输无线电力的高效方法。与Kurs的提议不同,无线多米诺谐振器系统采用最大能量效率原理,可以实现高于50%的整体系统能量效率。无线多米诺谐振器系统的一个优点是谐振器可以灵活地布置以引导无线电力流,而不是限于直线功率传输。
鉴于对于用于电力传输塔和电力传输线路的在线监测系统供电的需求不断增加,需要能够提供(1)高压(HV)绝缘和(2)无线电力传输(WPT) 能力的新绝缘体结构。
在最近的专利申请[S.Y.R.Hui和C.Zhang,“A wireless power transfersystem”,于2015年11月18日提交的美国临时专利申请序列号No.62/256, 726](PCT/CN2016/106225)和研究出版物[Zhang,C.、Lin D.Y.、Tang N.和 Hui SYR,“A NovelElectric Insulation String Structure with High-Voltage Insulation andWireless Power Transfer Capabilities”,IEEE电力电子学报,第 33卷,期号:1,2018年1月,第87-96页]中,一种绝缘盘嵌入LC线圈谐振器的新型高压绝缘杆已经成功地证明了从绝缘杆的一端到另一端无线地传电力传输力。图11显示了典型的HV绝缘杆(也称为绝缘串)。如图12 所示,在HV电力传输网络中,HV绝缘杆100用于将HV电缆固定到传输塔。如图13所示,本实用新型的实施例涉及使用(1)电流互感器从HV电缆周围的磁场(承载AC电流)连续地采集能量,(2)AC-DC电力变换器以提供直流电源,(3)高频DC-AC电力逆变器以驱动发送器线圈谐振器,(4) 绝缘杆,其中LC线圈谐振器嵌入在一些绝缘盘内,用于提供高压绝缘和无线电力传输(WPT)功能两者,以及(5)具有高频AC-DC功率变换器的接收器线圈谐振器,其为在线监测系统提供直流电压。
该系统是先前在研究出版物中报道的无线多米诺谐振器系统的第一个实际应用[C.K.李、W.X.钟和S.Y.R.Hui,“Effects of magnetic coupling of non-adjacentresonators on wireless power domino-resonator systems”,IEEE电力电子学报,第27卷,期号:4,2012,第1905-1916页]。
美国专利申请62/256,726(PCT/CN2016/106225)中的先前发明提供了连续且“与天气无关”的能量采集解决方案,以为HV电力传输塔中的在线监测系统供电。在先前的工作中,LC线圈谐振器由连接到电容器的手动缠绕线圈形成,以形成闭合LC电路。
实用新型内容
在一个实施例中,绝缘体装置包括:由电绝缘材料形成的主体,所述主体限定腔;以及位于所述腔内的谐振器线圈,所述线圈配置为当放置在类似的这种线圈附近时与类似的这种线圈进行谐振电感耦合。
在另一个实施例中,绝缘体包括一系列连接的绝缘体装置,多个所述一系列的绝缘体装置,每个包括由电绝缘材料形成的主体,所述主体限定腔,以及位于所述腔内的谐振器线圈,所述线圈配置为当放置在类似的这种线圈附近时与类似的这种线圈进行谐振电感耦合,其中具有谐振器线圈的多个绝缘体装置布置在该系列的装置内,以便能够进行从该系列的第一端到该系列的第二端的电能的近场传输。
在另一个实施例中,无线电力传输系统包括:绝缘体,具有一系列连接的绝缘体装置,多个所述一系列的绝缘体装置,每个包括由电绝缘材料形成的主体,所述主体限定腔,以及位于所述腔内的谐振器线圈,所述线圈配置为当放置在类似的这种线圈附近时与类似的这种线圈进行谐振电感耦合;能量传输线圈,磁耦合到所述一系列连接的绝缘体装置的第一谐振器线圈绝缘体装置,用于将电能无线地传递到所述第一谐振器线圈绝缘体装置;以及能量接收线圈,磁耦合到所述一系列连接的绝缘体装置的最后一个谐振器线圈绝缘体装置,用于从所述最后一个谐振器线圈绝缘体装置无线地接收电能,其中具有谐振器线圈的多个绝缘体装置布置在所述一系列的装置中,以便能够从该系列的第一端到该系列的第二端的电能的近场传输。
在另一个实施例中,一种监测电力传输线的方法包括为电力传输线提供监测设备,该监测设备由从电力线采集并使用如本文所述的无线电力传输系统(例如,先前段落的无线电力传输系统)传输到监测装置的能量供电。
在另一个实施例中,电感-电容线圈-谐振器装置包括:具有电介质特性的非导电基板层;形成线圈并在所述基板层的顶表面上的顶部平面的螺旋形导电轨道;形成线圈并在所述基板层的底表面上的底部平面的螺旋形导电轨道,其中所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道彼此平行并通过通孔彼此直接连接以形成单个等效电感器;以及绝缘盘,其中所述基板层以及两个平面的螺旋形导电轨道都嵌入在所述绝缘盘内。
在另一个实施例中,电感-电容线圈-谐振器杆装置包括多个电感-电容线圈-谐振器和绝缘轴,所述绝缘轴连接串联的每个电感-电容线圈-谐振器。每个所述线圈-谐振器包括:具有电介质特性的非导电基板层;形成线圈并在所述基板层的顶表面上的顶部平面的螺旋形导电轨道;形成线圈并在所述基板层的底表面上的底部平面的螺旋形导电轨道,其中所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道彼此平行并通过通孔彼此直接连接以形成单个等效电感器;以及绝缘盘,其中所述基板层以及两个平面的螺旋形导电轨道都嵌入在所述绝缘盘内。
在另一个实施例中,无线电力传输系统包括:磁性能量采集电路,配置为从高压电力传输线无线地采集能量;多个电感-电容线圈-谐振器;绝缘轴,所述绝缘轴连接串联的每个电感-电容线圈-谐振器;以及能量接收电路,其中所述一系列电感-电容线圈-谐振器中的第一个电感-电容线圈-谐振器磁耦合到所述磁性能量收集电路的发送器线圈,并且其中所述一系列电感-电容线圈-谐振器中的最后一个电感-电容线圈-谐振器磁耦合到所述能量接收电路的接收线圈。每个所述线圈-谐振器包括:具有电介质特性的非导电基板层;形成线圈并在所述基板层的顶表面上的顶部平面的螺旋形导电轨道;形成线圈并在所述基板层的底表面上的底部平面的螺旋形导电轨道,其中所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道彼此平行并通过通孔直接连接以形成单个等效电感器;以及绝缘盘,其中所述基板层以及两个平面的螺旋形导电轨道都嵌入在所述绝缘盘内。
本实用新型的实用新型内容不一定公开了定义本实用新型所必需的所有特征;本实用新型可以存在于所公开特征的子组合中。
附图说明
从以下优选实施例的描述中,本实用新型的上述和进一步的特征将变得显而易见,优选实施例仅通过示例的方式结合附图提供,其中:
图1示出了已知的直线无线电力多米诺共振器系统;
图2示出了已知的弯曲无线电力多米诺谐振器系统;
图3示出了用于高压电力传输系统塔的典型绝缘器;
图4(a)和图4(b)分别示出了用于高压电力传输系统塔的已知的钢化玻璃绝缘盘和包括一系列连接的绝缘盘的绝缘体;
图5(a)和图5(b)分别示出了用于高压电力传输系统塔的已知绝缘盘和包括一系列连接的绝缘盘的绝缘体的示意性截面图;
图6是根据本实用新型的实施例的无线电力传输系统的示意性框图;
图7示出了根据本实用新型的实施例的用于无线电力传输系统的高压电力传输系统塔上的能量采集点和能量接收点;
图8(a)和图8(b)分别示出了根据本实用新型的实施例的绝缘盘和绝缘体,它们分别包括一系列连接的绝缘盘;
图9示出了根据本实用新型的实施例的包括一系列绝缘盘的柔性绝缘体的一部分,其中每个绝缘盘的一部分被移除以在其中示出嵌入的谐振器线圈;以及
图10描绘了根据本实用新型的实施例中的用于高压电力传输塔的绝缘体。
图11示出了一个高压绝缘杆(串)。
图12示出了使用高压绝缘杆将高压电缆固定到电力传输塔的示例。
图13是用于电力系统的无线电力传输系统的实施例的示意图。
图14示出了印刷电路板(PCB)LC线圈谐振器(具有均匀的轨道宽度) 的俯视图。
图15a是平面LC线圈谐振器(具有均匀的轨道宽度)的俯视图。图15b 是平面LC线圈谐振器(具有均匀的轨道宽度)的仰视图。图15c是平面LC 线圈谐振器(具有均匀轨道宽度的两层PCB螺旋绕组)的截面图。
图16是LC线圈谐振器的集总元件电路模型的图。
图17示出了PCB LC线圈谐振器(具有不均匀的轨道宽度)的俯视图。
图18a是平面LC线圈谐振器(具有不均匀的轨道宽度)的俯视图。图 18b是平面LC线圈谐振器(具有不均匀的轨道宽度)的仰视图。图18c是平面LC线圈谐振器(具有不均匀轨道宽度的两层PCB螺旋绕组)的截面图。
图19是多层平面LC线圈谐振器的截面图。
图20a示出了嵌入LC线圈谐振器的绝缘盘。图20b是具有部分暴露的嵌入式LC线圈谐振器的绝缘盘。
图21示出了一个实验装置,展示了嵌入高压绝缘盘内的LC线圈谐振器的无线电力传输能力,用于为LED照明负载供电。
具体实施方式
以下描述仅作为示例是优选实施例,并且不限于实现本实用新型所必需的特征的组合。
图1示出了与以上[1]至[4]的公开内容一致的已知的直线无线电力传输多米诺谐振器系统10。系统10具有多个LC谐振器线圈12,这些LC谐振器线圈12以直线中间隔开的系列布置在支撑件14上,使得相邻的线圈12 磁耦合以将电能从该系列中的第一线圈12a无线地传输到该系列中的最后一个线圈12z。
图2示出了与以上[1]至[4]的公开内容一致的已知的弯曲无线电力传输多米诺谐振器系统20。系统20还具有多个LC谐振器线圈22,这些LC谐振器线圈22以间隔开的系列布置在支撑件24上,但是以曲线布置,以示出磁耦合的相邻线圈22可以通过弯曲路径将来自该系列的第一线圈22a的电能无线地传输到该系列的最后一个线圈22z。
图3示出了借助于已知的绝缘体34支撑多个高压电力线32的电力传输线系统塔30。绝缘体34包括一系列连接的绝缘盘36,如图4(a)和图4(b)以及图5(a)和图5(b)所示,尽管这些图仅描绘了一种类型的电力传输线系统绝缘体。
参照图5(a),每个绝缘盘36具有限定球窝的帽38,以及在其暴露端部处具有球42的中心销40,中心销40粘合或以其它方式固定在瓷或玻璃主体 44的腔中,其中绝缘体主体44具有绝缘头46,绝缘头46将球窝与中心销 40分开并绝缘。参照图5(b),通过将一个盘36的球42插入相邻盘36的球窝中,可以将两个绝缘盘36串联布置。应当理解,图3至图5仅仅示出了绝缘体34的一种形式,并且已知其它形式,其它形式采用不同的连接方法,但是共享这样的特征:形成绝缘体34的一串盘36提供不仅为高压电力传输线路提供从包含塔的其它传输部件的绝缘而且还充当支撑电力传输线路的机械装置的绝缘体34。
本实用新型的实施例涉及具有嵌入式谐振器线圈的绝缘盘的新结构。通过使用适当的机械机制将绝缘盘串联连接,绝缘盘形成用于高功率传输线系统的绝缘体、绝缘串或绝缘杆。嵌入绝缘盘内的谐振器线圈因此形成一系列中继谐振器,其可以通过近场磁耦合和谐振原理用于无线电力传输。这种绝缘串可以在串或杆的长度上同时提供电压绝缘和无线电力传输的功能。本实用新型的实施例的应用特别适合于但不限于高压环境中的无线电力传输,诸如在高压电力传输线系统中遇到的。
图6提供了根据本实用新型的实施例的无线电力传输系统50的示意性框图。系统50包括由一系列连接的绝缘体装置形成的绝缘体52,例如绝缘盘54。如图8(a)所示,多个所述一系列绝缘体装置54中可以各自包括由电绝缘材料形成的主体56,所述主体56限定腔58。谐振器线圈60位于腔58 内,而所述线圈60配置成当放置在类似的这种线圈附近时与类似的这种线圈谐振感应耦合。具有嵌入式谐振器线圈60的多个绝缘体装置54可以包括该系列绝缘体装置的子集,使得并非所有串联的绝缘体装置或盘都包含谐振器线圈60。然而,在许多实施例中,所有绝缘盘54都设置有谐振器线圈60。
无线电力传输系统50可以包含能量传输线圈62,其磁耦合到所述一系列连接的绝缘体装置的第一个谐振器线圈绝缘体装置54(a),用于将电能无线传递到所述第一个谐振器线圈绝缘体装置54(a)。还提供了能量接收线圈 64,其磁耦合到所述一系列连接的绝缘体装置的最后一个谐振器线圈绝缘体装置54z,用于从所述最后一个谐振器线圈绝缘体装置54z无线地接收电能。具有谐振器线圈60的多个绝缘体装置54布置在该系列装置内,以便能够将电能从该系列的第一端近场传输到该系列的第二端,并且在一些系统中反之亦然,即,系统10可以配置为双向的。
能量发送谐振器线圈62包括能量采集电路66的一部分,该能量采集电路66配置为使用变压器(或磁耦合装置)69从高压电力传输线68无线地采集能量。在一些实施例中,能量采集电路66可以包括交流(AC)到直流(DC) 功率变换器70,用于给一个或多个电池或电容器72充电,以及用于供电DC 到AC逆变器74。DC到AC逆变器74可以配置为提供用于驱动能量传输线圈62的高频AC信号。可以通过能量采集电路66将50赫兹(Hz)的电源频率上变频到通常高于20,000Hz的频率,用于驱动能量发送谐振器线圈62。
能量接收谐振器线圈64包括能量接收器电路76的一部分,在一些实施例中,其可以包含高频AC到DC(或AC到AC)变换器80,用于提供适合于为监测设备82供电的电平的电源电压或电流,监测装置82配置为提供监测服务,诸如电气参数(例如,电压、电流、相角和功率)、机械参数(例如,塔结构、电缆舞动(gallop)、冰/雪厚度和传输塔的风致机械振动)、热参数(例如,电缆温度)和/或天气信息(例如,风速、温度和闪电、污染等级),以及防盗监测。
包括绝缘体52的一系列连接的绝缘体装置54限定无线电力传输多米诺谐振器系统,其配置为通过从该系列的第一端到该系列的第二端的电能的近场传输,将电能的流动从该系列的第一端引导到该系列的第二端。
应当理解,优选地,绝缘体52配置为用于高压电力传输系统的绝缘体,但是这不是本实用新型的实施例的基本要求。在一些实施例中,绝缘体52 配置为支撑电力传输电缆。在许多实施例中,绝缘体52和绝缘盘54的结构如下面更详细地解释的那样改变,使得绝缘体52可以不用作传输线支撑装置。
在一些实施例中,为了从该系列的第一端到该系列的第二端的电能的最佳传输,嵌入在多个绝缘体装置54内的谐振器线圈60是相同的,并且为了从该系列的第一端到该系列的第二端最佳或有效地传输电能,多个绝缘体装置54布置有相邻谐振器线圈绝缘体装置之间的距离,使得相邻装置之间的相互耦合系数足够大,优选地,所述距离与嵌入式谐振器线圈60的直径尺寸类似,或者比嵌入式谐振器线圈60的直径尺寸更小。相邻的谐振器线圈绝缘体装置之间的距离优选相同或基本上相同。能量传输线圈62与所述一系列连接的绝缘体装置的第一谐振器线圈绝缘体装置54(a)之间的距离可以小于相邻的谐振器线圈绝缘体装置54之间的距离。类似地,能量接收线圈 64与所述一系列连接的绝缘体装置的最后一个谐振器线圈绝缘体装置54z 之间的距离可以小于相邻的谐振器线圈绝缘体装置54之间的距离。
在本实用新型的一些实施例中,谐振器线圈可以包含在谐振器线圈中的一个或多个铁磁材料(例如,在谐振器线圈的中心)。这种材料可以聚焦磁通路径。而且,这种铁磁材料在谐振器线圈的内部区域(例如,中心区域) 中可以表现得像磁芯。铁磁材料可包含例如一种或多种软铁氧体材料,尽管实施例不限于此。
参考图7,通过参考标准电力传输系统塔的示例,可以进一步说明本实用新型的应用。由传输电缆产生的磁场(在图7中标记为①)可以用变压器和包括图6的能量采集电路68的电力变换器“连续”地采集。采集的能量可以储存在一个或多个超级电容器和/或可充电电池中(图6中的72)。因为能够连续地从电力电缆采集能量而没有任何时间限制(例如对于太阳能电池板仅有白天),所以预期超级电容器和/或电池72的储存容量远小于太阳能系统的储存容量。由于在线监测系统必须安装在接地的电力传输系统塔上(标记为图7中的②),因此在能量采集点①与能量接收点②之间存在相当大的传输距离。
根据IEC 60137国际标准,第5版,2003年,“交流电压高于1000V的绝缘套管,爬电距离取决于下表1中列出的电压和空气污染条件:
表格1.IEC 60137电压爬电距离标准>1000V
条件 漏电
正常 16mm/kV
中等污染 20mm/kV
重污染 25mm/kV
非常重的污染 31mm/kV
对于中等污染条件和110千伏(kV)的传输线电压,无线电力传输的爬电距离必须至少为2.2米(m)。再次参考图3,其示出了将高压传输线固定到传输塔的已知绝缘串的示例,对于这种幅度的传输距离,传统的无线电力传输技术不能实现高效率(通常<15%),因为这种效率与传输距离成反比。
本实用新型的实施例通过使用所公开的新型绝缘串或杆52解决了这个问题。
再次参照图8(a)和图8(b),谐振器可以包括与谐振器电容器并联连接的线圈,以形成电感-电容器谐振腔,由此谐振器线圈的谐振频率由电感器和电容器的值来确定。
电绝缘材料优选地包括额定用于高压电力传输系统的材料。
绝缘体或绝缘串52可以通过如图8(b)所示的刚性绝缘体轴或通过如图9 所示的柔性绝缘体轴连接绝缘体装置或盘56。
发送器谐振器线圈62可以以这样的方式布置,使得它在发送器侧上的一系列绝缘盘54中靠近第一谐振器线圈54(a)放置并与第一谐振器线圈54(a) 磁耦合。类似地,为了紧密磁耦合,绝缘杆或串的一系列绝缘盘54中的最后一个谐振器线圈54z可以靠近接收器谐振器线圈64放置。所提出的绝缘杆/串的操作基于图1和图2的无线多米诺谐振器系统。基于[1]至[4]的短程磁谐振技术,已经表明该方法是高能量效率和传输距离的良好折衷。
重要的是要注意,与传统的高压绝缘体相比,所公开的高压绝缘体(杆或串)的实施例可以具有不同的功能。诸如图3至5中所示的传统的那些,被设计成同时提供(i)机械支撑和(ii)高压绝缘体的功能。本文中所公开的新颖的高压绝缘体同时提供了(i)在爬电距离上的无线电力传输和(ii) 高压绝缘的功能。
如上所述,图5(a)和图5(b)分别示出了可堆叠绝缘盘的典型结构及其堆叠结构。因为机械支撑不是本实用新型的关键功能,所以用于在传统高压绝缘杆中堆叠盘的金属销和球结构可以用非金属绝缘材料代替。
在本实用新型的实施例中,第一绝缘盘结构(图8)可以类似于图5中所示的传统绝缘盘结构。除了用电绝缘材料代替金属销和球,它可以像传统的那样具有可堆叠的结构。这在图8(a)中最清楚地看到。当串联堆叠时(图 8(b)),这些可堆叠的圆盘形成具有无线电力传输能力的绝缘杆。本实用新型的第二盘结构如图9所示,其中心有一个通孔,用于容纳柔性轴90。柔性轴可以由柔性绝缘材料制成,例如交联聚乙烯(XLPE或PEX)和/或聚氯乙烯(PVC)。具有嵌入式LC谐振器的绝缘盘54可以沿着该柔性绝缘轴安装。为了便于标准方法,相邻绝缘盘之间的距离应该优选地与图10中所示的相同(或基本相同)。然而,如果绝缘串的每一端的最后两个盘之间的距离与串的中心部分中的盘的间隔距离略微不同,则可以优化功率流。
用于盘的绝缘材料可以是适用于高压应用的不同类型。非限制性示例是钢化玻璃、釉面瓷和聚合物。在本实用新型的实施例中,在串联连接的绝缘盘提供高压绝缘体时,该系列线圈谐振器提供无线电力传输路径,因为这些线圈谐振器表现得像一系列中继线圈谐振器,如[1]至[4]。
通常,本实用新型的实施例涉及具有嵌入式谐振器线圈的绝缘盘的新结构。通过使用适当的机械机制将绝缘盘串联连接,绝缘盘形成用于高功率传输线系统的绝缘体、绝缘串或绝缘杆。嵌入绝缘盘内的谐振器线圈因此形成一系列中继谐振器,其可以通过近场磁耦合和谐振原理用于无线电力传输。这种绝缘串可以在串的长度上同时提供电压绝缘和无线电力传输的功能。本实用新型的实施例的应用特别适合于但不限于高压环境中的无线电力传输,诸如在高压电力传输线系统中遇到的。
无线电力传输系统通常设计成在线圈谐振器的谐振频率或接近线圈谐振器的谐振频率工作。在谐振频率或接近谐振频率时,WPT系统的能量效率可以保持在高水平。因此,有必要考虑这些LC线圈谐振器中的电感(L) 和电容(C)参数的准确性和一致性。而且,为了便于将LC线圈谐振器嵌入HV绝缘盘内的轻易和简单的制造过程,考虑到HV绝缘盘的制造过程,有必要考虑LC线圈谐振器的合适结构。例如,一些绝缘盘通过注塑机制造。
本实用新型的实施例提供了LC线圈谐振器的结构及其制造方法,其可以确保L和C参数的准确性和一致性,以及用于在HV绝缘盘内嵌入的简单程序。
本实用新型的实施例涉及具有嵌入式谐振器线圈的绝缘盘的新结构。通过使用适当的机械机制将绝缘盘串联连接,绝缘盘形成用于高功率传输线系统的绝缘体、绝缘串或绝缘杆。嵌入绝缘盘内的谐振器线圈因此形成一系列中继谐振器,其可以通过近场磁耦合和谐振原理用于无线电力传输。这种绝缘串可以在串或杆的长度上同时提供电压绝缘和无线电力传输的功能。本实用新型的实施例的应用特别适合于但不限于高压环境中的无线电力传输,诸如在高压电力传输线系统中遇到的。
图13提供了根据本实用新型的实施例的无线电力传输系统的示意性框图。该系统包括由绝缘盘形成的嵌入式中继LC线圈谐振器152的绝缘体杆- 串,其中嵌入式继电器LC线圈谐振器装置154通过绝缘轴155(柔性或刚性)连接。如图15c和图18c所示,多个所述一系列的绝缘体装置154可以各自包括至少两层印刷的平面和螺旋形导电轨道,它们在一端连接以形成单个等效电感器并且由具有电介质特性的非导电基板分开,以形成电感-电容(LC)线圈谐振器,用于嵌入高压绝缘盘内,并且充当无线电力传输的中继谐振器。
无线电力传输系统可以包含能量传输线圈162,该能量传输线圈162磁耦合到所述嵌入式LC中继线圈谐振器152的杆/串的中继线圈谐振器154,用于将电能无线地传递到嵌入式LC中继线圈谐振器152的第一LC线圈谐振器。还提供了能量接收线圈164,其磁耦合到所述嵌入式LC中继线圈谐振器152的杆-串的最后一个LC线圈谐振器,用于从所述最后的LC线圈谐振器无线地接收电能。多个LC线圈-谐振器装置154可以布置在一系列装置内,以便能够将电能从该系列的第一端近场传输到该系列的第二端,并且在一些系统中反之亦然,即,系统可以配置为双向的。
能量发送谐振器线圈162包括能量采集电路166的一部分,其配置为使用变压器(或磁耦合装置)从高压电力传输线168无线地采集能量。在一些实施例中,能量采集电路166可以包括交流(AC)到直流(DC)功率变换器170,用于对一个或多个电池或电容器172充电,以及用于将DC馈送到 AC逆变器174。DC到AC逆变器174可以被配置为提供用于驱动能量发送线圈162的高频AC信号。DC到AC变换器174是能量发送器电路178的组件。可以通过能量采集电路166将50赫兹(Hz)的市电频率上变频到通常高于20,000Hz的频率,以驱动能量发送谐振器线圈162。
能量接收谐振器线圈164包括能量接收器电路176的一部分,在一些实施例中,其可以包括高频AC到DC(或AC到AC)变换器180,用于提供适合于为监测设备供电的电平的电源电压或电流,监测装置82配置为提供监测服务,诸如电气参数(例如,电压、电流、相角和功率)、机械参数(例如,塔结构、电缆舞动(gallop)、冰/雪厚度和传输塔的风致机械振动)、热参数(例如,电缆温度)和/或天气信息(例如,风速、温度和闪电、污染等级),以及防盗监测。
制造具有精确且一致的LC参数的LC线圈谐振器的方法是使用印刷电路板(PCB)技术。图14示出了印刷在印刷电路板两侧的LC线圈谐振器的一个示例的照片。
如图15a和图15b所示,LC线圈谐振器可以包括顶层和底层的平面螺旋绕组。包含顶层和底层的垂直截面结构如图15c所示。这些平面螺旋绕组是导电轨道(诸如铜或银)。图15a示出了包括连续导电轨道的顶层,该连续导电轨道以平面螺旋绕组的形式制造或印刷,在PCB的一侧具有N匝。如图15b所示,可以在PCB板的相对侧上印刷类似的平面绕组。重要的是要注意,这两层平面绕组(即,螺旋形导电轨道)通过线圈一端的通孔200 连接,以形成等效的单个电感器。在图15所示的示例中,两个导电轨道的最内圈的端部通过使用通孔200连接在一起。可以使用多个通孔200以减小该连接的电阻。
除了连接两层导电轨道的点之外,两层导电轨道的其余部分由具有电介质特性的非导电PCB基板物理地隔开,从而形成“电容器”的结构。等效电感器中的任何感应电流将流过两层导电轨道之间的杂散电容。以这种方式,分层导电轨道的分布电感和电容形成等效的电感-电容(LC)线圈谐振器。该LC线圈谐振器的谐振频率由导电轨道的分层结构的分布电感和电容限定。分布电容取决于两层之间的间隔距离和导电轨道的重叠区域,以及分隔两个导电轨道的非导电基板的电介质常数。
该结构的分布电感和电容可以被认为是LC线圈谐振器,其可以由如图 16所示的集总等效电路表示,其中电阻器R表示等效电感器的AC电阻。通常,绕组电阻R取决于截面中的有效导电区域和导电轨道的长度。它将影响LC线圈谐振器的品质(Q)因数,其由Q=ωL/R和ω=2πf定义,f是工作频率。低绕组电阻将导致高Q因数,进而在无线电力传输中实现高能量效率。因此,优选不将螺旋绕组延伸到PCB的中心区域。在中心区域中,磁通密度最高,并且会在导电轨道中引起热损失(功率损耗),导致等效绕组电阻R增加。在中心区域附近延伸线圈的匝数将仅增加R而不会成比例地增加绕组电感L。这种做法将降低Q因数,从而降低无线电力传输的能量效率。
在如图14和图15所示的实施例中,在LC线圈谐振器中采用相等宽度的印刷导电轨道。然而,在如图17和图18所示的其它实施例中,导轨的宽度随着轨道螺旋进入内部区域而增加。因为印刷线圈区域内的磁通密度不均匀,所以如果正确设计印刷线圈图案,则不均匀的轨道宽度设计可以降低整体绕组电阻R。图18a-图18c分别示出了该实施例的俯视图、底视图和垂直界面图。图20a示出了嵌入LC线圈谐振器的绝缘盘,并且图20b示出了当移除绝缘盘盖的一部分时嵌入的LC线圈谐振器的一部分。
为了证实本实用新型的可行性,使用实验装置来证明嵌入在HV绝缘盘内的LC线圈谐振器可以用作WPT的中继谐振器。图21示出了实验装置的图像,其包括(i)一个发送器线圈谐振器,嵌入HV绝缘盘内的三个LC线圈谐振器和一个装有发光二极管(四个8W LED)的接收器线圈谐振器。相邻的HV绝缘盘之间的距离约为10cm,本示例中的总传输距离为40cm。使用高频电源以大约850kHz驱动发送器线圈谐振器。在该实际示例中已经实现了约72%的能量效率。
该实验证实,(i)制造具有所提出的LC线圈谐振器的HV绝缘盘实际上是可行的,并且(ii)这种结构可以用于能量效率远高于50%的无线电力传输。
在本实用新型的某些实施例中使用PCB技术来制造平面LC线圈谐振器。虽然PCB技术已经很好地建立和成熟,但是在其它实施例中,也可以使用其它制造工艺,例如3D打印。另外,PCB技术由于其高压绝缘特性,通常使用FR4材料作为非导电材料。在其它实施例中,原则上也可以使用其它非导电材料。此外,一个实施例包括2层PCB结构。在其它实施例中,如果认为适合于获得LC线圈谐振器的所需电感和电容值,则可以使用如图 19所示的多层结构。
使用现代印刷技术,可以批量生产具有精确结构和参数的LC线圈谐振器。所提出的印刷LC线圈谐振器将有助于轻易地制造具有嵌入式LC线圈谐振器的新绝缘盘。
本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本实用新型的至少一个实施例中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指代相同的实施例,也不是与其它实施例互斥的单独的或替代的实施例。此外,描述了可以由一些实施例而不是由其它实施例呈现的各种特征。类似地,描述了可能是对一些实施例而非其它实施例的要求的各种要求。
应当理解,本文描述的实施例和实施方案仅用于说明目的,并且对本领域技术人员而言,本领域技术人员可以提出根据其的各种修改和改变,这些修改和改变包含在本申请的精神和范围内。
本文提及或引用的所有专利、专利申请、临时申请和出版物(包含“参考文献”部分中的那些)通过引用整体并入,包含所有附图和表格,只要它们与本说明书的明确教导一致。
此外,本文中叙述本实用新型的原理、方面和实施例的所有陈述以及其具体示例旨在包含其结构性和功能性等同物。另外,这些等同物旨在包含当前已知的等同物以及将来开发的等同物,即,开发的进行相同功能的任何元件,而不管结构如何。
在本实用新型的权利要求中,表示为用于进行指定功能的构件的任何元件旨在包含进行该功能的任何方式,包含例如a)进行该功能的电路元件的组合或b)任何形式的软件,因此,包含固件、微代码等,与用于执行该软件以进行该功能的适当电路相结合。由这些权利要求限定的本实用新型在于,由各种所述构件提供的功能以权利要求所要求的方式组合和组合在一起。因而认为任何能够提供这些功能的构件等同于这里所示的构件。

Claims (20)

1.一种电感-电容线圈-谐振器装置,其特征在于,包括:
具有电介质特性的非导电基板层;
形成线圈并在所述基板层的顶表面上的顶部平面的螺旋形导电轨道;
形成线圈并在所述基板层的底表面上的底部平面的螺旋形导电轨道,
其中所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道彼此平行并通过通孔彼此直接连接以形成单个等效电感器;以及
绝缘盘,
其中所述基板层以及两个平面的螺旋形导电轨道都嵌入在所述绝缘盘内。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,平面的螺旋形导电轨道两者通过多个通孔彼此直接连接。
3.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述基板层包括印刷电路板(PCB)。
4.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述基板层包括FR-4玻璃增强环氧树脂。
5.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道的轨道宽度在每个相应的线圈上是均匀的。
6.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道的轨道宽度在每个相应的线圈上是不均匀的。
7.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道的轨道宽度随着每个相应轨道朝向每个线圈的内部区域螺旋而增加。
8.如权利要求1所述的装置,其特征在于,包括多个堆叠的基板层和多个平面的螺旋形导电轨道,其中每个轨道形成线圈并且通过至少一个基板层与其它平面的螺旋形导电轨道中的每一个分开。
9.如权利要求1所述的装置,其特征在于,至少一个电感-电容线圈-谐振器的所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道的轨道宽度随着每个相应轨道朝向每个线圈的内部区域螺旋而增加。
10.一种电感-电容线圈-谐振器杆装置,其特征在于,包括:
多个电感-电容线圈-谐振器,每个所述线圈-谐振器包括:
具有电介质特性的非导电基板层;
形成线圈并在所述基板层的顶表面上的顶部平面的螺旋形导电轨道;
形成线圈并在所述基板层的底表面上的底部平面的螺旋形导电轨道,
其中所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道彼此平行并通过通孔彼此直接连接以形成单个等效电感器;以及
绝缘盘,
其中所述基板层以及两个平面的螺旋形导电轨道都嵌入在所述绝缘盘内;以及
绝缘轴,所述绝缘轴连接串联的每个电感-电容线圈-谐振器。
11.如权利要求10所述的电感电容线圈-谐振器杆装置,其特征在于,所述绝缘轴是刚性的。
12.如权利要求10所述的电感-电容线圈-谐振器杆装置,其特征在于,所述绝缘轴是柔性的。
13.如权利要求10所述的电感-电容线圈-谐振器杆装置,其特征在于,至少一个电感-电容线圈-谐振器的所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道的轨道宽度在每个相应的线圈上是均匀的。
14.如权利要求10所述的电感-电容线圈-谐振器杆装置,其特征在于,至少一个电感-电容线圈-谐振器的所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道的轨道宽度在每个相应的线圈上是不均匀的。
15.如权利要求10所述的电感-电容线圈-谐振器杆装置,其特征在于,至少一个电感-电容线圈-谐振器包括多个堆叠的基板层和多个平面的螺旋形导电轨道,其中每个轨道形成线圈并且通过至少一个基板层与其它所述平面的螺旋形导电轨道中的每一个分开。
16.如权利要求10所述的电感-电容线圈-谐振器杆装置,其特征在于,所述一系列电感-电容线圈-谐振器中的第一个电感-电容线圈-谐振器配置为磁耦合到能量发送电路的发送器线圈。
17.如权利要求10所述的电感-电容线圈-谐振器杆装置,其特征在于,所述一系列电感-电容线圈-谐振器中的最后一个电感-电容线圈-谐振器配置为磁耦合到能量接收电路的接收器线圈。
18.如权利要求16所述的电感-电容线圈-谐振器杆装置,其特征在于,所述能量发送电路包括磁性能量采集电路的一部分。
19.如权利要求18所述的电感-电容线圈-谐振器杆装置,其特征在于,所述磁性能量采集电路配置为从高压电力传输线无线地采集能量。
20.一种无线电力传输系统,其特征在于,包括:
磁性能量采集电路,配置为从高压电力传输线无线地采集能量;
多个电感-电容线圈-谐振器,每个所述线圈-谐振器包括:
具有电介质特性的非导电基板层;
形成线圈并在所述基板层的顶表面上的顶部平面的螺旋形导电轨道;
形成线圈并在所述基板层的底表面上的底部平面的螺旋形导电轨道,
其中所述顶部平面的螺旋形导电轨道和所述底部平面的螺旋形导电轨道彼此平行并通过通孔直接连接以形成单个等效电感器;以及
绝缘盘,
其中所述基板层以及两个平面的螺旋形导电轨道都嵌入在所述绝缘盘内;以及
绝缘轴,所述绝缘轴连接串联的每个电感-电容线圈-谐振器;以及
能量接收电路,
其中所述一系列电感-电容线圈-谐振器中的第一个电感-电容线圈-谐振器磁耦合到所述磁性能量收集电路的发送器线圈,并且
其中所述一系列电感-电容线圈-谐振器中的最后一个电感-电容线圈-谐振器磁耦合到所述能量接收电路的接收线圈。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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