一种输出电压恒定的双拾取三相动态无线电能传输系统的制作方法

本发明属于无线感应电能传输领域，尤其是一种输出电压恒定的双拾取三相动态无线电能传输系统。

背景技术：

感应电能传输技术已应用于轨道交通列车、电动汽车等大功率设备供电中，与传统通过导线直接物理接触的电能传输技术相比，感应电能传输技术工作过程中不存在接触火花、漏电、受雨雪尘土影响等问题，有效提高了供电安全性和可靠性，该技术已经广泛运用于内置式医疗装置、消费电子产品、照明和电动汽车等领域。

感应电能传输系统的工作原理为：工频交流电经过整流器整流成直流电，直流电在高频逆变器作用下变换成高频的交流电，高频的交流电在初级线圈上激发高频磁场；与初级线圈并不直接接触的次级能量拾取线圈耦合高频磁场感应出同频交变电压，经过次级电路的电能变换装置变换成负载所需的电能形式供给负载，实现能量的非接触式传输。

现有技术中保证无线电能传输系统输出恒定有多种方式，其中最接近的现有技术为专利号：cn201711038905.8的一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统，其通过相邻两发射线圈的重叠，使得所有发射线圈与接收线圈的互感和的波动达到最小，从而使系统的输出电压的波动达到最小，保证系统的输出电压恒定；该专利虽然能保证系统的输出电压恒定，但是其采用单拾取方式，原边线圈相互重叠，原边线圈之间的互感较大，无功交换多，输出功率小；因此需要一种能保证输出电压恒定的同时还能提高系统的输出功率的无线电能传输系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于：本发明提供了一种输出电压恒定的双拾取三相动态无线电能传输系统解决现有的无线感应电能传输系统在移动状态下输出电压波动大的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种输出电压恒定的双拾取三相动态无线电能传输系统，包括顺次连接的直流电源e、高频三相逆变器h、谐振单元、初级补偿电容、电磁耦合机构、次级补偿电容、整流滤波电路k和负载r，所述电磁耦合机构包括发送机构和接收机构，所述发送机构包括平板磁芯f1和设置在平板磁芯f1上的发射线圈，所述接收机构包括平板磁芯f2和设置在平板磁芯f2底端的双拾取接收线圈，所述双拾取接收线圈的长度为发射线圈长度的1.5倍。

优选地，所述双拾取接收线圈包括紧密设置的接收线圈s1和接收线圈s2，所述接收线圈s1和接收线圈s2同名端反向串联。

优选地，所述双拾取接收线圈与发射线圈宽度相等。

优选地，所述发射线圈包括发射线圈a1、发射线圈b1、发射线圈c1、发射线圈a2、发射线圈b2和发射线圈c2，相邻两发射线圈相互紧靠；发射线圈a1接入高频三相逆变器h的a相，发射线圈b1接入高频三相逆变器h的b相，发射线圈c1接入高频三相逆变器h的c相。

优选地，所述谐振单元包括谐振电感lpa、谐振电感lpb、谐振电感lpc、谐振电容cpa、谐振电容cpb和谐振电容cpc；初级补偿电容包括初级补偿电容cta、初级补偿电容ctb和初级补偿电容ctc，次级补偿电容包括次级补偿电容cs1和次级补偿电容cs2；

高频三相逆变器h的a相输出端依次通过谐振电感lpa、补偿电容cta与发射线圈a1即发射线圈lta相连，线圈lta另一端与直流电源e负极相连，谐振电容cpa并联在补偿电容cta和发射线圈lta两端；

高频三相逆变器h的b相输出端依次通过谐振电感lpb、补偿电容ctb与发射线圈b1即发射线圈ltb相连，线圈ltb另一端与直流电源e负极相连，谐振电容cpb并联在补偿电容ctb和发射线圈ltb两端；

高频三相逆变器h的c相输出端依次通过谐振电感lpc、补偿电容ctc与发射线圈c1即发射线圈ltc相连，线圈ltc另一端与直流电源e负极相连，谐振电容cpc并联在补偿电容ctc和发射线圈ltc两端；

接收线圈s1即接收线圈ls1的同名端通过次级补偿电容cs1与整流滤波电路k一输入端相连，接收线圈s2即接收线圈ls2的同名端通过次级补偿电容cs2与整流滤波电路k另一输入端相连，接收线圈ls1另一端与接收线圈ls2另一端相连，整流滤波电路k输出端连接负载r。

优选地，所述双拾取接收线圈总感应电压计算如下：

其中，表示高频三相逆变器h输出a相相电压，mas1表示a相发射线圈对接收线圈ls1的互感，mbs1表示b相发射线圈对接收线圈ls1的互感，mcs1表示c相发射线圈对接收线圈ls1的互感，mas2表示a相发射线圈对接收线圈ls2的互感，mbs2表示b相发射线圈对接收线圈ls2的互感，mcs2表示c相发射线圈对接收线圈ls2的互感，lpa表示谐振电感。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过优化接收线圈与发射线圈的长度比，平板磁芯f1、发射线圈和双拾取接收线圈位置合理设置，使得系统的感应电压波动达到最小，系统输出电压恒定；

2.本发明结构简单，只需优化设计接收线圈的结构，无需控制电路，没有复杂的控制策略，系统方便实施并且可靠性高；

3.本发明采用双拾取线圈结构，增加了系统输出功率，最高达93％；

4.本发明的系统不受接收线圈位置的影响，在轨道任意位置都能够输出相同的电压，可以实现动态感应电能传输。

5.本发明的初级线圈没有相互重叠，初级线圈之间的互感较小，无功交换更少，系统效率高，输出功率大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的电路结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的等效电路图；

图4是本发明的不同拾取线圈长度的互感和取值图；

图5是本发明的不同拾取线圈长度互感和方差图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

一种输出电压恒定的双拾取三相动态无线电能传输系统，

解决的技术问题：无线感应电能传输系统在移动状态下输出电压波动大；

达到的技术效果：原边线圈没有相互重叠，原边线圈之间的互感较小，无功交换更少，系统效率高，采用双拾取线圈结构，输出功率大；优化接收线圈与发射线圈的长度比，使得系统的感应电压波动达到最小，系统输出电压恒定；

采用的技术手段：电磁耦合机构包括发送机构和接收机构，所述发送机构包括平板磁芯f1和设置在平板磁芯f1上的发射线圈，所述接收机构包括平板磁芯f2和设置在平板磁芯f2底端的双拾取接收线圈，所述双拾取接收线圈的长度为发射线圈长度的1.5倍；

双拾取接收线圈包括紧密设置的接收线圈s1和接收线圈s2，接收线圈s1和接收线圈s2同名端反向串联。双拾取接收线圈与发射线圈宽度相等。

发射线圈包括发射线圈a1、发射线圈b1、发射线圈c1、发射线圈a2、发射线圈b2和发射线圈c2，相邻两发射线圈相互紧靠；发射线圈a1接入高频三相逆变器h的a相，发射线圈b1接入高频三相逆变器h的b相，发射线圈c1接入高频三相逆变器h的c相。

谐振单元包括谐振电感lpa、谐振电感lpb、谐振电感lpc、谐振电容cpa、谐振电容cpb和谐振电容cpc；初级补偿电容包括初级补偿电容cta、初级补偿电容ctb和初级补偿电容ctc，次级补偿电容包括次级补偿电容cs1和次级补偿电容cs2；

高频三相逆变器h的a相输出端依次通过谐振电感lpa、补偿电容cta与发射线圈a1即发射线圈lta相连，线圈lta另一端与直流电源e负极相连，谐振电容cpa并联在补偿电容cta和发射线圈lta两端；

高频三相逆变器h的b相输出端依次通过谐振电感lpb、补偿电容ctb与发射线圈b1即发射线圈ltb相连，线圈ltb另一端与直流电源e负极相连，谐振电容cpb并联在补偿电容ctb和发射线圈ltb两端；

高频三相逆变器h的c相输出端依次通过谐振电感lpc、补偿电容ctc与发射线圈c1即发射线圈ltc相连，线圈ltc另一端与直流电源e负极相连，谐振电容cpc并联在补偿电容ctc和发射线圈ltc两端；

接收线圈s1即接收线圈ls1的同名端通过次级补偿电容cs1与整流滤波电路k一输入端相连，接收线圈s2即接收线圈ls2的同名端通过次级补偿电容cs2与整流滤波电路k另一输入端相连，接收线圈ls1另一端与接收线圈ls2另一端相连，整流滤波电路k输出端连接负载r。

双拾取接收线圈总感应电压计算如下：

其中，表示高频三相逆变器h输出a相相电压，mas1表示a相发射线圈对接收线圈ls1的互感，mbs1表示b相发射线圈对接收线圈ls1的互感，mcs1表示c相发射线圈对接收线圈ls1的互感，mas2表示a相发射线圈对接收线圈ls2的互感，mbs2表示b相发射线圈对接收线圈ls2的互感，mcs2表示c相发射线圈对接收线圈ls2的互感，lpa表示谐振电感；

初级线圈因其为无限长轨道，因此其的个数不限；发射线圈、谐振单元和接收线圈的电感值根据不同的输出等级、输出电压电流要求取值从几十微亨到几千微亨；

工作原理：由双拾取接收线圈总感应电压计算公式可知，当三相逆变器输出相电压和谐振电感lpa保持不变时，总感应电压只与互感的和有关，通过计算分析可得到不同拾取线圈长度下互感和的值，如图4所示，其中ls表示拾取线圈的长度，利用方差来衡量波动幅度的大小，可以得到不同拾取线圈长度时互感和的方差大小，如图5所示；根据实验可得，双拾取接收线圈的长度为发射线圈长度的1.5倍时，互感和的方差最小即互感和最小，纵感应电压的波动最小，系统的输出电压稳定。

实施例1

双拾取接收线圈总感应电压计算如下：

其中，表示高频三相逆变器h输出a相相电压，mas1表示a相发射线圈对接收线圈ls1的互感，mbs1表示b相发射线圈对接收线圈ls1的互感，mcs1表示c相发射线圈对接收线圈ls1的互感，mas2表示a相发射线圈对接收线圈ls2的互感，mbs2表示b相发射线圈对接收线圈ls2的互感，mcs2表示c相发射线圈对接收线圈ls2的互感，lpa表示谐振电感

谐振电容(cp)的电容值计算如下：

补偿电容(ct)的电容值计算如下：

次级补偿电容(cs)的电容值计算如下：

其中，ω为系统工作角频率，和分别为发射线圈、谐振单元和接收线圈的电感值；接收线圈长度为30cm时，为190μh；发射线圈长度为20cm时，约为110μh；取值为80μh；

接收线圈s1、接收线圈s2和平板磁芯f沿发射线圈a1、发射线圈b1、发射线圈c1、发射线圈a2、发射线圈b2、发射线圈c2排列的方向前后运动；

本实施例设置6个发射线圈，其中发射线圈a1、发射线圈b1、发射线圈c1、对应逆变器h的a相、b相、c相，组成一组，剩余3个组成另一组，不同组并联在同一个逆变器上；

工频交流电经过整流器整流成直流电，直流电在高频逆变器作用下变换成高频的交流电；高频的交流电在初级线圈上激发高频磁场，与初级线圈并不直接接触的次级双拾取线圈耦合高频磁场感应出同频交变电压，经过次级电路的电能变换装置变换成负载所需的电能形式供给负载，实现能量的非接触式传输；

根据图4和图5所示，当发射线圈取值20cm时，从图中可以看出，拾取线圈长度为30cm时，互感和的方差最小即互感和的波动最小，此时总感应电压的波动也最小，系统输出电压稳定，根据计算输出功率达到93％。

实施例2

接收线圈长度为45cm时，约为320μh；发射线圈长度为30cm时，约为190μh；取值为80μh。通过实验和计算得出，满足平板磁芯f1上设置发射线圈和平板磁芯f1下设置双拾取接收线圈，接收线圈与发射线圈的长度比为1.5:1，系统的感应电压波动达到最小，均能保证输出电压稳定，输出功率达91％。

实施例3

接收线圈长度为40cm时，约为160μh；发射线圈长度为25cm时，约为270μh；取值为80μh。通过实验和计算得出，满足平板磁芯f1上设置发射线圈和平板磁芯f1下设置双拾取接收线圈，接收线圈与发射线圈的长度比为1.5:1，系统的感应电压波动达到最小，均能保证输出电压稳定，输出功率达到90％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。