一种应用于大功率无线电能传输的方形线圈优化结构的制作方法

本发明属于无线电能传输领域，特别是涉及到一种应用于大功率无线电能传输的方形线圈优化结构。

背景技术：

随着工业技术、科技的发展，用电领域不断扩展，对电气设备的功能、应用领域及适应性带来极大的挑战，传统的导线传输电能方式的弊端也日益凸显。

高铁列车是电网中的一种超大功率的特殊负载，随着列车不断提速，通过两者滑动接触获取电能的方式使得高速弓网关系复杂多变，严重制约了高速铁路的发展。在高速运行状态下易发生离线、打弧、磨损等问题，并且线路覆冰会引起线路断电，也会对列车受电弓造成损坏，影响系统供电可靠性，因此在实际工程建造过程中存在高安全性、高平顺性、高稳定性、高可靠性、高精确度等五大要求，要确保上述要求的实现，关键是处理好受电弓与接触网之间的关系。而无线电能传输(wirelesspowertransfer，wpt)解决了传统的有线电力输送带来的不可靠和不安全的问题，为人类的生活带来了极大的便利。无线电能传输技术作为一种新型的供电技术不但可以对机车进行高效、大容量的无线供电，而且可以避免受电弓与接触网导线之间材料磨损、弓网电弧等问题，具有十分诱人的应用前景。

感应式无线电能传输(inductivelycoupledpowertransfer,icpt)技术是一种极具应用前景的电能传输技术。该技术具有实现简单、开关频率低、运行可靠、负载范围宽等优点，是实现短距离、大功率能量传输的最优途径，在近些年获得了广泛关注。对于感应式传输系统而言，耦合线圈的参数变化对无线电能传输系统的传输性能的影响是至关重要的，高品质的耦合线圈对系统的传输效率、传输功率和传输距离等有着直接的影响。耦合线圈在实际工作过程中的发射和接收部分之间存在很大的间隙，存在较高的漏磁现象，而这一现象会导致耦合性能的急剧下降，从而使得整个系统的传输效率大大下降，该现象在大功率传能系统的应用中尤为明显。为了提高wpt系统的传输效率，设计与优化耦合线圈的形状和结构便显得尤为重要。然而在实际应用中，由于工作空间受限，往往导致线圈尺寸不能过大，这就需要考虑如何在保证传输性能的前提下缩小线圈尺寸；此外，为了设计出适用于轨道交通等大功率、高效率的无线传能系统，耦合线圈与传输特性的优化设计也将是不可回避的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提出一种应用于大功率无线电能传输的方形线圈优化结构，具有更好地传输性能，并且传输功率更高，传输效率更高。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种应用于大功率无线电能传输的方形线圈优化结构，包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈和接收线圈都为方形线圈优化结构，所述新型方形线圈的结构中，发射线圈由四个小型方形线圈串联构成，四个线圈的绕均为逆时针，四个线圈的电流方向从上到下为：逆时针-顺时针-顺时针-逆时针，一条对角线上的两个线圈的磁场方向向下，另外一条对角线上的两个线圈的磁场方向向上；接收线圈同样由四个小型方形线圈串联构成，四个线圈的绕向均为顺时针，四个线圈的电流方向从上到下为：顺时针-逆时针-逆时针-顺时针，四个一条对角线上的两个线圈的磁场方向向上，另外一条对角线上的两个线圈的磁场方向向下。

进一步的，所述发射线圈为多匝的方形线圈优化结构，并且串联有电容补偿电路。

进一步的，所述接收线圈为多匝的方形线圈优化结构，并且串联有电容补偿电路。

进一步的，所述发射线圈与高频信号发生器、功率放大器、电源侧阻抗匹配电路共同构成发射系统。

进一步的，所述接收线圈与接收侧负载共同构成接收系统。

进一步的，所述发射线圈与接收线圈为对称结构或非对称结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的一种新型的应用于大功率无线电能传输的方形线圈优化结构，与传统无线电能传输系统两线圈结构和“double-d”线圈结构相比，该结构在激励电压和线圈电感量相同的情况下，发射功率较高，线圈周围的磁通密度大于其他两种线圈结构，而且磁场的分布相较于“double-d”的线圈结构来说，磁场分布较为均匀，磁场密度分布更加密集，磁场强度较大的面积较多，因此抗偏移能力更强，使得该结构相较于“double-d”线圈结构具有更好的传输性能。

附图说明

图1本发明方形线圈优化结构的示意图；

图2(a)comsol仿真中距离新型方形线圈优化结构上方5mm处切面的磁场强度示意图；

图2(b)comsol仿真中距离新“double-d”线圈结构上方5mm处切面的磁场强度示意图；

图3(a)新型方形线圈优化结构磁场方向示意图；

图3(b)“double-d”线圈结构磁场方向示意图；

图3(c)新型方形线圈优化结构磁感线示意图；

图3(d)“double-d”线圈优化结构磁感线示意图；

图4新型方形线圈优化结构构成的无线电能传输系统的磁感线示意图；

表1两种线圈结构基本参数

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出一种应用于大功率无线电能传输的方形线圈优化结构。根据发射线圈与接收线圈绕向的不同，得到优于“double-d”线圈结构的传输性能，参照表1所给出的两种线圈结构的基本参数，可以得到在电感量、电压激励与工作频率均相同的情况下，新型方形线圈结构的阻抗较大，线圈发出的功率远大于“double-d”线圈结构，因此我们可以的得出，在感应式无线电能传输系统应用于大功率的场合，采用新型方形线圈结构可以降低所需电压等级，使线圈线径减小，也就意味着线圈体积可以进一步缩小，降低实际工程成本，此线圈结构更加适合应用在10kw功率等级及以上的高铁列车无线电能传输系统。在高铁列车的运行工程中，系统工作环境较为复杂，会出现上坡、下坡以及转弯等特殊情况，不能够对准存在偏移的情况。这种情况会导致功率从发射线圈传递到接收线圈时传输效率的显著降低和系统的不稳定性，这在实际上是不可容忍的。在新型方形线圈结构周围磁场强度较大，并且高磁场强度的线圈面积较大，意味着无线电能传输系统的鲁棒性更好，可以应对高铁列车复杂的工作环境。

本发明的无线电能传输线圈结构装置包括发射系统及接收系统，接收线圈通过与发射线圈谐振传递能量，接收线圈的谐振频率与发射线圈的谐振频率一致。

下面以图1作为具体应用的实例

发射系统包括dds高频信号发生器、功率放大器，电源侧阻抗匹配电路、新型方形发射线圈结构。

新型方形发射线圈边长为281mm，谐振频率为100khz，将电容补偿电路与多匝的新型方形发射线圈串联构成发射装置。

接收系统包括新型方形接收线圈结构和负载。

新型方形接收线圈边长为281mm，谐振频率为100khz，将电容补偿电路与多匝的新型方形接收线圈串联构成接收装置。

新型方形发射线圈与新型方形接收线圈都是新型方形线圈结构，所述新型方形线圈的结构中，发射线圈由四个小型方形线圈串联构成，四个线圈的绕均为逆时针，四个线圈的电流方向从上到下为：逆时针-顺时针-顺时针-逆时针，一条对角线上的两个线圈的磁场方向向下，另外一条对角线上的两个线圈的磁场方向向上；接收线圈同样由四个小型方形线圈串联构成，四个线圈的绕向均为顺时针，四个线圈的电流方向从上到下为：顺时针-逆时针-逆时针-顺时针，四个一条对角线上的两个线圈的磁场方向向上，另外一条对角线上的两个线圈的磁场方向向下。

图1中所述发射线圈与接收线圈可以为对称结构或非对称结构，发射线圈与接收线圈也可对调，具有相同的传能效果。dds高频信号发生器发出100khz的中低频信号，经功率放大器增大，经电容补偿电路到发射线圈。接收线圈接收到发射线圈发出的电能，经由电容补偿电路流向负载。

如图2所示，为comsol仿真中距离两种线圈结构上方5mm处切面的磁场强度示意图。我们可以看出，新型方形接收线圈周围颜色较深，且深色面积较大.

如图3所示，两种线圈结构的磁场方向与切面磁感线示意图。由图3(a)与图3(b)可知，新型方形发射线圈结构中，柱状结构更高，磁场强度较强，塌陷区域较小，磁场可以在某一水平面保持不变。由图3(c)与图3(d)可知，新型方形发射线圈结构中，磁感线从小线圈中磁感线更加密集，各个线圈间耦合程度较强，且线圈中心处磁场较强。

如图4所示，新型方形线圈优化结构构成的无线电能传输系统的磁感线示意图。由此磁场计算结果和磁力线的分布可知电能无线传输通道已经建立，发射线圈产生的磁感线绝大部分从接收线圈传出，两线圈耦合程度较强，接收线圈成功接收到电能。

表1列出了两种线圈结构的各项参数值。

表1两种线圈结构的各项参数值

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。