CN209994166U - 一种带有单极nfp中继结构的无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，包括：直流电源模块、发射端电能转换模块、发射线圈、多个单极NFP中继结构、多个接收线圈、多个接收端电能转换模块和多个在线监测设备负载。由所述直流电源模块为系统提供电能支持；由所述发射端电能转换模块对电能进行逆变处理，对所述发射线圈进行激励，将能量以高频交变磁场的形式发射出去；经过单极NFP中继结构的电能接力后，接收线圈从周围磁场中拾取电能，并经过接收端电能转换模块的整流稳压处理后以直流电为在线监测设备负载供电。本实用新型可进行高效的无线电能传输，能够在不增大系统体积和降低设备间电磁干扰的同时，起到增强线圈间耦合程度和提高系统传输效率的作用。

Description

一种带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统

技术领域

本实用新型属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统。

背景技术

现有的无线电能传输技术至少包括以下五个方向：电磁感应式、电磁共振式、微波式、超声波式及激光式。其中，磁耦合谐振式无线电能传输技术的原理是与音叉的共振原理相同：排列在一个磁场中的有相同振动频率的线圈，由于其振动频率特性相同也可以实现能量从一个线圈向另一个线圈的电能传输；特点是传输距离较远、可实现一对多传能，但传输效率偏低，适用于中等功率的中等距离传输。

因此，采用磁耦合谐振式无线电能传输技术对变电站监测设备进行充电，对电力系统和电力电子行业的发展具有重要的促进作用。由于变电站内的在线监测系统常常由于高压设备的限制而分布于站内各个角落，提出一种能够为多个在线监测设备同时提供高效稳定的无线电能支持的供电系统十分必要；此外，现有的无线电能传输系统往往采用超材料、铁氧体和金属板来抑制磁场扩散，以达到降低设备间电磁干扰和提高线圈耦合程度的作用，但超材料的使用往往使供电系统变得笨重，铁氧体和金属板中的涡流会对系统功效产生较大的影响。在这一背景下，我们提出一种带有单极NFP中继结构的、能够全方位为360°范围内的在线监测设备同时进行高效电能传输的无线电能传输系统。

实用新型内容

本实用新型需要解决的问题是，设计一套供电稳定、传输距离长、传输功率大、能够为360°范围内的在线监测设备同时进行高效电能传输的无线电能传输系统。

本实用新型所采用的技术方案是一种带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，包括：直流电源模块、发射端电能转换模块、发射线圈、N个单极NFP 中继结构、N个接收线圈、N个接收端电能转换模块和N个在线监测设备负载， N≥1，且N为整数；

所述的直流电源模块、发射端电能转换模块、发射线圈依次连接；

所述的第一接收线圈、第一接收端电能转换模块、第一在线监测设备负载依次连接；所述的第二接收线圈、第二接收端电能转换模块、第二在线监测设备负载依次连接；...；所述的第N接收线圈、第N接收端电能转换模块、第N在线监测设备负载依次连接；

所述的发射线圈分别所述的第一单极NFP中继结构、第二单极NFP中继结构、...、第N单极NFP中继结构通过磁耦合谐振式无线电能传输方式依次无线连接；

所述第一单极NFP中继结构与所述第一接收线圈通过磁耦合谐振式无线电能传输方式无线连接；所述第二单极NFP中继结构与所述第二接收线圈通过磁耦合谐振式无线电能传输方式无线连接；...；所述第N单极NFP中继结构与所述第N接收线圈通过磁耦合谐振式无线电能传输方式无线连接。

作为优选，所述直流电源模块用于提供稳定的电能支持，电能通过所述的发射端电能转换模块、发射线圈、第i单极NFP中继结构和第i接收线圈，以磁耦合谐振式无线电能传输的方式为第i在线监测设备负载同时供电，i∈[1,N]；

作为优选，所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈分布于所述发射线圈外部的360°空间内，以辐射状均匀展开，i∈[1,N]；

作为优选，所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈分别处于以所述发射线圈为中心的同心圆周上，且所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈都与所述发射线圈处于同一直线上，所述第i单极NFP中继结构到所述发射线圈和所述所述第i接收线圈的距离相等，i∈[1,N]；

作为优选，所述发射线圈采用由平面式矩形线圈绕圆柱形铁氧体磁芯弯曲得到的新型筒状结构，发射线圈能够在360°空间内产生较为强烈均匀的高频交变磁场，磁场以发射线圈为中心呈辐射状散开。

作为优选，所述第i接收线圈高度与发射线圈均相等，且都采用平面式矩形线圈结构，i∈[1,N]；

作为优选，所述第i单极NFP中继由下层10mil厚度的介质衬底、上层liz 线绕制的平面式矩形中继线圈及其谐振补偿电容构成，介质衬底的使用既能增加无线能量的传输距离，又降低了与其他电气设备间的电磁干扰，i∈[1,N]；

作为优选，所述第i单极NFP中继结构的长宽都与所述第i接收线圈外径相等，i∈[1,N]。

本实用新型的有益效果是：能够在中长距离下在360°范围内全方位地为多个在线监测设备同时进行高效的无线电能传输；同时，单极NFP中继结构的使用能够在不增大系统体积和降低设备间电磁干扰的同时，起到增强线圈间耦合程度和提高系统传输效率的作用。

附图说明

图1：是本实用新型系统框图；

图2：是本实用新型一个实施例带有单极NFP中继结构的360°全方位一对多无线电能传输系统的排布方式示意图；

图3：是本实用新型一个实施例带有单极NFP中继结构的360°全方位一对多无线电能传输系统的发射线圈结构示意图；

图4：是本实用新型一个实施例带有单极NFP中继结构的360°全方位一对多无线电能传输系统的接收线圈结构示意图；

图5：是本实用新型一个实施例带有单极NFP中继结构的360°全方位一对多无线电能传输系统的单极NFP中继结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施方式的技术方案是，一种带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，包括：直流电源模块、发射端电能转换模块、发射线圈、N个单极 NFP中继结构、N个接收线圈、N个接收端电能转换模块和N个在线监测设备负载，N≥1，且N为整数；

所述的直流电源模块、发射端电能转换模块、发射线圈依次连接；

所述的第一接收线圈、第一接收端电能转换模块、第一在线监测设备负载依次连接；所述的第二接收线圈、第二接收端电能转换模块、第二在线监测设备负载依次连接；...；所述的第N接收线圈、第N接收端电能转换模块、第N在线监测设备负载依次连接；

所述的发射线圈分别所述的第一单极NFP中继结构、第二单极NFP中继结构、...、第N单极NFP中继结构通过磁耦合谐振式无线电能传输方式依次无线连接；

所述第一单极NFP中继结构与所述第一接收线圈通过磁耦合谐振式无线电能传输方式无线连接；所述第二单极NFP中继结构与所述第二接收线圈通过磁耦合谐振式无线电能传输方式无线连接；...；所述第N单极NFP中继结构与所述第N接收线圈通过磁耦合谐振式无线电能传输方式无线连接。

所述直流电源模块用于提供稳定的电能支持，电能通过所述的发射端电能转换模块、发射线圈、第i单极NFP中继结构和第i接收线圈，以磁耦合谐振式无线电能传输的方式为第i在线监测设备负载同时供电，i∈[1,N]；

所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈分布于所述发射线圈外部的 360°空间内，以辐射状均匀展开，i∈[1,N]；

所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈分别处于以所述发射线圈为中心的同心圆周上，且所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈都与所述发射线圈处于同一直线上，所述第i单极NFP中继结构到所述发射线圈和所述所述第i接收线圈的距离相等，i∈[1,N]；

所述发射线圈采用由平面式矩形线圈绕圆柱形铁氧体磁芯弯曲得到的新型筒状结构，发射线圈能够在360°空间内产生较为强烈均匀的高频交变磁场，磁场以发射线圈为中心呈辐射状散开。

所述第i接收线圈高度与发射线圈均相等，且都采用平面式矩形线圈结构， i∈[1,N]；

所述第i单极NFP中继由下层10mil厚度的介质衬底、上层liz线绕制的平面式矩形中继线圈及其谐振补偿电容构成，介质衬底的使用既能增加无线能量的传输距离，又降低了与其他电气设备间的电磁干扰，i∈[1,N]；

所述第i单极NFP中继结构的长宽都与所述第i接收线圈外径相等，i∈ [1,N]。

如图1所示，为是本实用新型一个实施例带有单极NFP中继结构的360°全方位一对多无线电能传输系统的整体结构示意图。所述的单极NFP中继结构、接收线圈、接收端电能转换模块和在线监测设备负载的数量均为N＝6；所述直流电源模块选型为48V直流电源；所述发射端电能转换模块选型为双倍频单相全桥逆变拓扑电路；所述N个接收端电能转换模块选型均为带有UC3842芯片的整流稳压电路；所述N个在线监测设备负载选型阻值根据实际需求确定。

如图2所示，在上述带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统中，所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈分布于发射线圈外部的360°空间内，以辐射状均匀展开，i∈[1,N]。

进一步地，所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈分别处于以发射线圈为中心的同心圆周上，且每组所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈处于同一直线上，所述第i单极NFP中继结构到发射线圈和所述第i接收线圈的距离相等，i∈[1,N]。

本实用新型的一个实施例包括6组耦合机构，相邻耦合机构的中心线呈60°夹角；所述第i单极NFP中继结构到同组发射线圈和所述第i接收线圈的距离都为30cm，i∈[1,N]。

如图3所示，在上述带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统中，发射线圈采用由平面式矩形线圈绕圆柱形铁氧体磁芯弯曲得到的新型筒状结构，发射线圈能够在360°空间内产生强烈均匀的高频交变磁场，磁场以发射线圈为中心呈辐射状散开。

在本实用新型的一个实施例中，首先采用多股liz线从内向外顺时针紧密绕制一个平面式矩形线圈，其内部矩形部分长60πcm、宽40cm，匝间距为3cm，匝数为5，将上述线圈绕内部半径35cm、外部半径40cm、高30cm的空心圆柱形铁氧体磁芯弯曲得到发射线圈。

如图4所示，在上述带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统中，所述第i接收线圈高度与发射线圈相等，且都采用平面式矩形线圈结构。

在本实用新型的一个实施例中，接收线圈由多股liz线从内向外顺时针紧密绕制而成，接收线圈内矩形部分长、宽都为32cm，线圈匝间距为2cm，匝数为 5。

如图5所示，在上述带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统中，所述第i单极NFP中继结构包括下层10mil厚度的介质衬底、上层liz线绕制的平面式矩形中继线圈及其谐振补偿电容，介质衬底的使用既能增加无线能量的传输距离，又降低了与其他电气设备间的电磁干扰；

进一步地，所述第i单极NFP中继结构的长宽都与接收线圈外径相等，单极NFP中继结构个数与接收线圈相等；

在本实用新型的一个实施例中，所述第i单极NFP中继结构中平面式矩形中继线圈由多股liz线从内向外顺时针紧密绕制而成，所述平面式矩形中继线圈内矩形部分长、宽都为30cm，线圈匝间距为2cm，匝数为5；所述第i单极NFP 中继结构的介质衬底为长、宽等于40cm的方形结构，i∈[1,N]。

下面结合图1至图5介绍具体实施方式为：首先由所述直流电源模块为系统提供电能支持；接下来，由所述发射端电能转换模块对电能进行逆变处理，以频率可控的高频交流电对所述发射线圈进行激励，所述发射线圈将能量以高频交变磁场的形式发射出去；经过所述第i个单极NFP中继结构的电能接力后，第i 个接收线圈从周围磁场中拾取电能，并经过第i个接收端电能转换模块的整流稳压处理后以12V的直流电为第i个在线监测设备负载供电，i∈[1,N]

尽管本说明书较多地使用了直流电源模块、发射端电能转换模块、发射线圈、单极NFP中继结构、接收线圈、接收端电能转换模块和在线监测设备负载等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本实用新型的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本实用新型专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本实用新型的保护范围之内，本实用新型的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，其特征在于，包括：直流电源模块、发射端电能转换模块、发射线圈、N个单极NFP中继结构、N个接收线圈、N个接收端电能转换模块和N个在线监测设备负载，N≥1，且N为整数；

所述的直流电源模块、发射端电能转换模块、发射线圈依次连接；

所述的第一接收线圈、第一接收端电能转换模块、第一在线监测设备负载依次连接；所述的第二接收线圈、第二接收端电能转换模块、第二在线监测设备负载依次连接；...；所述的第N接收线圈、第N接收端电能转换模块、第N在线监测设备负载依次连接；

所述的发射线圈分别所述的第一单极NFP中继结构、第二单极NFP中继结构、...、第N单极NFP中继结构通过磁耦合谐振式无线电能传输方式依次无线连接；

所述第一单极NFP中继结构与所述第一接收线圈通过磁耦合谐振式无线电能传输方式无线连接；所述第二单极NFP中继结构与所述第二接收线圈通过磁耦合谐振式无线电能传输方式无线连接；...；所述第N单极NFP中继结构与所述第N接收线圈通过磁耦合谐振式无线电能传输方式无线连接。

2.根据权利要求1所述的带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，其特征在于：所述直流电源模块用于提供稳定的电能支持，电能通过所述的发射端电能转换模块、发射线圈、第i单极NFP中继结构和第i接收线圈，以磁耦合谐振式无线电能传输的方式为第i在线监测设备负载同时供电，i∈[1,N]。

3.根据权利要求1所述的带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，其特征在于：所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈分布于所述发射线圈外部的360°空间内，以辐射状均匀展开，i∈[1,N]。

4.根据权利要求1所述的带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，其特征在于：所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈分别处于以所述发射线圈为中心的同心圆周上，且所述第i单极NFP中继结构和所述第i接收线圈都与所述发射线圈处于同一直线上，所述第i单极NFP中继结构到所述发射线圈和所述第i接收线圈的距离相等，i∈[1,N]。

5.根据权利要求1所述的带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，其特征在于：所述发射线圈采用由平面式矩形线圈绕圆柱形铁氧体磁芯弯曲得到的新型筒状结构，发射线圈能够在360°空间内产生较为强烈均匀的高频交变磁场，磁场以发射线圈为中心呈辐射状散开。

6.根据权利要求1所述的带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，其特征在于：所述第i接收线圈高度与发射线圈均相等，且都采用平面式矩形线圈结构，i∈[1,N]。

7.根据权利要求1所述的带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，其特征在于：所述第i单极NFP中继由下层10mil厚度的介质衬底、上层liz线绕制的平面式矩形中继线圈及其谐振补偿电容构成，介质衬底的使用既能增加无线能量的传输距离，又降低了与其他电气设备间的电磁干扰，i∈[1,N]。

8.根据权利要求1所述的带有单极NFP中继结构的无线电能传输系统，其特征在于：所述第i单极NFP中继结构的长宽都与所述第i接收线圈外径相等，i∈[1,N]。

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