本發(fā)明涉及一種基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的磁路耦合機構(gòu)，屬于無線電能傳輸技術(shù)。

背景技術(shù)：

無線電能傳輸技術(shù)(wirelesspowertransfer，簡稱wpt)最早誕生于十九世紀的美國，其是一種借助空間無形軟介質(zhì)(如磁場、電場、激光、微波等)，實現(xiàn)電能由源設備傳遞至受電設備的全新電能接入模式。該技術(shù)實現(xiàn)共受電設備之間電氣隔離，因此從根本上杜絕了傳統(tǒng)有線供電模式帶來的器件磨損、接觸不良、接觸火花等問題，是一種潔凈、安全、靈活的新型供電模式，被美國《技術(shù)評論》雜志評選為未來十大科研方向之一。

基于電磁感應耦合原理的無線電能傳輸(inductivecoupledpowertransfer，簡稱icpt)技術(shù)以其功率傳輸容量大、效率高等特點，得到廣泛的關(guān)注與研究，現(xiàn)有的icpt技術(shù)都是以高頻逆變器輸出方波中的基波分量進行能量傳輸，但其會存在一些如輸出電壓調(diào)節(jié)范圍不夠?qū)?、調(diào)壓精度及系統(tǒng)效率不夠高等問題。因此基于諧波的高頻特性與能量特性、一種基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統(tǒng)被提出，通過在逆變器輸出之后建立基波能量通路與諧波能量通路，對逆變方波中的基波及諧波分量進行提取、利用，通過諧波能量通路的加入，不僅提高了整個系統(tǒng)的調(diào)壓范圍，而且利用諧波傳輸能量可以提高系統(tǒng)傳輸效率。該系統(tǒng)與常規(guī)基波通路單獨工作方式相比，還可以解決傳統(tǒng)移相控制方式中移相角不能過小的技術(shù)難題，使系統(tǒng)輸出電壓可以從零開始調(diào)節(jié)，增大系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)精度。

無線電能傳輸系統(tǒng)中磁路耦合機構(gòu)性能的好壞直接表征了無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)劣，因此無線電能傳輸系統(tǒng)中磁路機構(gòu)的研究設計就變得尤為重要，衡量無線電能傳輸磁路耦合機構(gòu)性能最關(guān)鍵的指標就是耦合系數(shù)k，它可以考量一個磁路機構(gòu)的耦合程度，k值越大表明磁路機構(gòu)耦合越緊密，磁路耦合機構(gòu)效率也就越高。

但在基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中，存在一個亟待解決的問題，就是基波能量通路的磁路耦合機構(gòu)與諧波能量通路的磁路耦合磁路機構(gòu)之間不能存在耦合關(guān)系或耦合關(guān)系很小，可以忽略不計，否則其會使整個系統(tǒng)無法正常運行。因此為使系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定工作，其原副邊磁路耦合機構(gòu)的設計不僅要具有較高的k值，而且使基波能量通路的磁路耦合機構(gòu)與諧波能量通路的磁路耦合機構(gòu)之間的影響很小，以至于其可以忽略不計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的磁路耦合機構(gòu)，該機構(gòu)不但具有較高的耦合系數(shù)，而且可以消除基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中基波能量通路磁路耦合機構(gòu)與諧波能量通路磁路機構(gòu)之間的影響，從而使整個系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定工作。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基波-諧波雙通路并行感應無線電能傳輸系統(tǒng)的磁路耦合機構(gòu)，包括原邊能量發(fā)射部分和副邊能量拾取部分，原邊能量發(fā)射部分和副邊能量拾取部分相對設置且相互平行；原邊能量發(fā)射部分和副邊能量拾取部分均為三層結(jié)構(gòu)，具體為磁芯層、基波線圈層和諧波線圈層，基波線圈層和諧波線圈層均由利茲線繞制而成，磁芯層是由結(jié)構(gòu)尺寸相同的一組鐵氧體條組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，基波線圈層和諧波線圈層均是由兩個間隔設置的結(jié)構(gòu)尺寸相同的矩形線圈組成，基波線圈層和諧波線圈層正交疊放。

優(yōu)選的，所述磁芯層的鐵氧體條縱橫交叉排列，形成中心對稱結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格均勻分布，磁芯層、基波線圈層和諧波線圈層中心對齊放置，且三者的外輪廓邊平行。

優(yōu)選的，所述原邊能量發(fā)射部分和副邊能量拾取部分的結(jié)構(gòu)尺寸相同，基波線圈層和諧波線圈層的結(jié)構(gòu)尺寸相同。

優(yōu)選的，所述磁芯層、基波線圈層和諧波線圈層滿足以下尺寸要求：

b＝l-d×n×2

其中：b為鐵氧體條的長度，l為單個矩形線圈的外輪廓長度，d為繞制矩形線圈的利茲線的直徑，n為單個矩形線圈的線圈匝數(shù)。

優(yōu)選的，構(gòu)成基波線圈層或諧波線圈層的兩個矩形線圈的間距滿足以下尺寸要求：

其中：a為兩個矩形線圈的外輪廓間距，w為單個矩形線圈的外輪廓寬度。

有益效果：本發(fā)明提供的基波-諧波雙通路并行感應無線電能傳輸系統(tǒng)的磁路耦合機構(gòu)，不但具有較高的耦合系數(shù)，而且可以消除基波-諧波雙通路無線電能傳輸系統(tǒng)基波能量通路與諧波能量通路磁路機構(gòu)之間的影響，從而可以使基波-諧波雙通路無線電能傳輸系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作。

附圖說明

圖1為基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實施例1中原邊能量發(fā)射部分的繞線方式以及關(guān)鍵參數(shù)示意圖；

圖4為實施例1中各基波線圈與諧波線圈之間的耦合系數(shù)；

圖5為實施例1中所述的磁路耦合機構(gòu)的兩種鐵氧體磁芯層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為實施例2所述的磁路耦合機構(gòu)耦合系數(shù)k與線圈長度l的關(guān)系曲線圖；

圖7為實施例2所述的磁路耦合機構(gòu)耦合系數(shù)k與線圈寬度w的關(guān)系曲線圖；

圖8為實施例2所述的磁路耦合機構(gòu)耦合系數(shù)k與線圈之間的偏移距離a的關(guān)系曲線圖；

圖9為實施例2所述的磁路耦合機構(gòu)耦合系數(shù)k與磁芯厚度h的關(guān)系曲線圖；

圖10為實施例2所述的磁路耦合機構(gòu)耦合系數(shù)k與磁芯長度b的關(guān)系曲線圖；

圖11為實施例2所述的磁路耦合機構(gòu)耦合系數(shù)k與c的關(guān)系曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

實施例1

如圖1所示為基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統(tǒng)主電路拓撲，如圖2所示為實施例1的結(jié)構(gòu)圖，包括：原邊能量發(fā)射部分和副邊能量拾取部分：其中，原邊能量發(fā)射部分包括原邊磁芯層101、原邊基波能量發(fā)射線圈102和原邊諧波能量發(fā)射線圈103，原邊諧波能量發(fā)射線圈103放置在原邊基波能量發(fā)射線圈102的上方；副邊能量拾取部分包括副邊磁芯層201、副邊諧波能量發(fā)射線圈202和副邊基波能量發(fā)射線圈203，副邊諧波能量發(fā)射線圈202放置在副邊基波能量發(fā)射線圈203的上方。

原副邊線圈中的線圈的纏繞方式如圖3(a)所示，原邊基波線圈與原邊諧波線圈均是由兩個矩形線圈組成且兩個矩形線圈之間有一定的偏移距離，原邊基波線圈與原邊諧波線圈正交疊放，副邊基波線圈與副邊諧波線圈也均是由兩個矩形線圈組成且兩個矩形線圈之間有一定的偏移距離，副邊基波線圈與副邊諧波線圈正交疊放，原副邊線圈均是由利茲線繞制而成。

原邊磁芯層101和副邊磁芯層201均是由鐵氧體條縱橫交叉均勻排列組成，原邊磁芯層101和副邊磁芯層201整體呈中心對稱。組成原邊磁芯層101和副邊磁芯層201的鐵氧體條的長度分別與原邊線圈和副邊線圈的內(nèi)輪廓長度相等。

實施例1中的基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統(tǒng)磁路耦合機構(gòu)的原邊能量發(fā)射部分與副邊能量拾取部分的結(jié)構(gòu)相同，繞線方式也相同。以原邊能量發(fā)射部分為例，其繞線方式及關(guān)鍵參數(shù)如圖3所示：由原邊磁芯101與原邊基波能量發(fā)射線圈102、原邊諧波能量發(fā)射線圈103組成，整體結(jié)構(gòu)呈中心對稱。原邊基波能量發(fā)射線圈102與原邊諧波能量發(fā)射線圈103正交疊放。

圖4反映的是實施例1中原副邊線圈之間的耦合系數(shù)，共有6個耦合系數(shù)值，通過圖3的各項數(shù)據(jù)可以看出在實施例1中的基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統(tǒng)磁路耦合機構(gòu)中，基波能量通路與諧波能量通路的磁路耦合機構(gòu)的k值均是0.314，基波能量通路與諧波能量通路磁路機構(gòu)之間交叉耦合系數(shù)很小，分別是0.002和0.006，可以忽略不計。因此本發(fā)明的磁路機構(gòu)可以消除基波-諧波雙通路并行感應無線電能傳輸系統(tǒng)中基波能量通路與諧波能量通路磁路機構(gòu)之間的影響。

基波-諧波雙通路并行感應無線電能傳輸系統(tǒng)中基波能量通路與諧波能量通路磁路耦合機構(gòu)的磁芯層的結(jié)構(gòu)有兩種形式如圖5表示，圖5(a)所示的磁芯層鐵氧體結(jié)構(gòu)，鐵氧體塊的尺寸為820×820×30mm，原副邊所用的鐵氧體的體積是40344cm³，耦合系數(shù)k是0.39843；圖5(b)所示的磁芯層鐵氧體結(jié)構(gòu)，鐵氧體條尺寸為820×30×30mm，原副邊所用的鐵氧體的體積是29250cm³，耦合系數(shù)k是0.40088，圖5(b)的磁芯層鐵氧體結(jié)構(gòu)所用的體積是圖5(a)所示的的磁芯層鐵氧體結(jié)構(gòu)的72.5％，而且耦合系數(shù)也略大，所以選擇圖5(b)作為本發(fā)明的磁路耦合機構(gòu)的鐵氧體磁芯層結(jié)構(gòu)。

實施例2

為方便進一步說明磁路耦合機構(gòu)的優(yōu)化構(gòu)成，我們設計原邊能量發(fā)射部分和副邊能量拾取部分的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，基波線圈層和諧波線圈層的結(jié)構(gòu)尺寸相同；磁芯層的鐵氧體條縱橫交叉排列，形成中心對稱結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格均勻分布，磁芯層、基波線圈層和諧波線圈層中心對齊放置，且三者的外輪廓邊平行。上文所述的磁路耦合機構(gòu)只是便于說明的原始模型，而不是最優(yōu)化的結(jié)果，下面結(jié)合圖3所示參數(shù)，運用控制變量法對磁路耦合機構(gòu)做進一步優(yōu)化分析。

將鐵氧體條的長度定義為b，鐵氧體條的厚度定義為h，鐵氧體條的寬度定義為s，鄰近兩個鐵氧體條之間的間距定義為t，將線圈的長度定義為l，將線圈的寬度定義為w，兩個矩形線圈之間的距離定義為a，利茲線的直徑定義為d，線圈的匝數(shù)定義為n，鄰近兩個鐵氧體條之間的距離t與線圈的內(nèi)輪廓的長度(l-d×n×2)之間的比值定義為c。圖5至圖10所示的曲線均是在原副邊氣息距離在200mm，d＝4mm，n＝10匝的條件下磁路耦合耦合系數(shù)k隨相關(guān)參數(shù)的關(guān)系曲線。

圖6表示的是不加磁芯的情況下，當線圈的寬度在400mm時，磁路耦合機構(gòu)的耦合系數(shù)k與線圈的長度l的關(guān)系曲線，耦合系數(shù)k隨著l的增加而增加，但當l的值在600mm以上時，耦合系數(shù)的增加很很緩慢。

圖7表示的是不加磁芯的情況下，當線圈的長度在800mm時，磁路耦合機構(gòu)的耦合系數(shù)k與線圈的寬度w的關(guān)系曲線，耦合系數(shù)k與w之間大約呈線性變化，對比圖5與圖6可以發(fā)現(xiàn)線圈的耦合系數(shù)對線圈寬度的變化較敏感。

圖8表示的是在不加磁芯的情況下，當線圈的寬度為400mm，長度為800mm時，磁路機構(gòu)的耦合系數(shù)k與兩個矩形線圈之間的距離a的關(guān)系曲線，耦合系數(shù)k隨著a的增大先增大后減小，在a＝150mm時，耦合系數(shù)達到最大值。

圖9表示的是當線圈的寬度為400mm，長度為800mm時，磁路機構(gòu)的耦合系數(shù)k與磁芯的厚度h的關(guān)系曲線，當磁芯的厚度h達到30mm時，耦合系數(shù)已達到最大值，磁芯的厚度h繼續(xù)增加，耦合系數(shù)也不會增加。

圖10表示的是當線圈的寬度為400mm，長度為800mm時，磁路機構(gòu)的耦合系數(shù)k與磁芯的長度b關(guān)系曲線，當磁芯的長度b達到720mm時，耦合系數(shù)已達到最大值，磁芯的長度繼續(xù)增加，耦合系數(shù)反而會降低。

圖11表示的是當線圈的寬度為400mm，長度為800mm時，選定鐵氧體的長度b為720mm，厚度為30mm，原副邊鐵氧體總體積為13608cm³情況下，磁路耦合機構(gòu)耦合系數(shù)與鐵氧體間距的關(guān)系曲線。耦合系數(shù)隨著c的增大而減小，在實際工程中應綜合考慮成本與耦合系數(shù)之間的關(guān)系，一般選擇c的值在0.1-0.2之間。

本發(fā)明中所述的“基波”是高頻逆變器產(chǎn)生的方波中的一次諧波分量，“諧波“是高頻逆變器產(chǎn)生的方波中三次諧波分量、五次諧波分量、七次諧波分量……中的一種，在本發(fā)明的實施例中利用的是高頻逆變器產(chǎn)生的方波中的基波分量與三次諧波分量來進行能量傳遞，在實際應用中可以根據(jù)需要來確定利用基波分量與某次諧波分量來進行能量傳遞。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。