一种应用于三相动态无线供电系统的分布发射线圈结构

本发明属于无线电能传输和轨道交通，特别是涉及一种应用于三相动态无线供电系统的分布发射线圈结构。

背景技术：

1、无线供电方式由于其具有非接触传输能量的特点，大大改善了传统有线供电方式电气安全性差，灵活性差等问题。新型供电方式根据接收侧可否移动可分为静态无线供电方式和动态无线供电方式。

2、对于动态无线供电方式，接收侧可以在运动过程中实现能量的不间断传输，目前在电动汽车领域具有很大的应用前景。国内外各研究机构针对动态无线供电系统进行了许多研究，对于动态无线供电系统，在充电过程中会不断移动，导致发射线圈和接收线圈之间的互感发生变化，进而造成输出功率的波动。当发射端产生的行波磁场中仅含有基波行波磁场时，接收端输出电压恒定，与接收端位置无关，因此改善动态无线供电系统中的输出功率波动，可以转化为改善行波磁场中的谐波磁场成分。输出功率波动较大会给接收端的器件应力和系统稳定性带来巨大的负面影响，因此这是目前亟需解决的难题。

3、本发明所述的分布式发射线圈结构通过合理设计发射线圈间距的长度值，能够抑制三相动态无线供电系统在接收端平面产生的行波磁场谐波分量，可以实现系统输出功率的稳定，从根本上解决上述由于功率波动带来的问题。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决目前三相动态无线供电系统中输出功率波动大的问题，提出了一种应用于三相动态无线供电系统的分布发射线圈结构。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种应用于三相动态无线供电系统的分布发射线圈结构，所述分布发射线圈结构每一相由多条线圈组成，所述多条线圈通过端侧串联的方式连接在一起，能够保证通有相同的电流，平行于x轴方向上的多条线圈紧凑连接，而对于平行于y轴的多条线圈沿x轴方向相差△xt的距离分布放置，且多条线圈之间等距；通过合理设计分布式发射线圈中相邻两匝线圈的间距△xt，消除发射线圈的谐波行波磁场，实现抑制三相动态无线供电系统中输出功率的波动的目的。

3、进一步地，所述的分布式发射线圈相邻两匝线圈之间的距离△xt设计方法具体为：

4、以三相分布式结构中的a相线圈为例，当该线圈通入直流ia＝i0时，a相线圈在接收端平面产生基波磁场，各匝线圈独自产生的基波磁场具有相同的幅值bz-1和极距τ，但在空间上沿x轴方向相差△xt的距离分布；

5、各匝线圈产生的基波磁场在相位上相差γ1，其中γ1与△xt有关，满足：

6、

7、a相线圈产生的总基波磁场bz-a1等于各匝线圈产生的基波磁场的相量和，由相量图中的几何关系可知，总基波磁场bz-a1的幅值满足：

8、

9、其中kdt-1的表达式满足：

10、

11、易证kdt-1≤1，将kdt-1定义为发射端基波分布系数，用于表示发射线圈采用分布式结构后，基波磁场bz-a1的幅值衰减；其中下标dt表示distributed transmitter coil，即分布发射线圈，数字表示行波磁场谐波次数；

12、各匝线圈独自产生的i次谐波磁场在空间上仍沿x轴方向相差△xt的距离分布，然而，由于i次谐波磁场的极距τi仅为基波极距τ的1/i，各匝线圈产生的i次谐波磁场在相位上相差γi为基波的i倍，即：

13、

14、由相量图中的几何关系可知，i次谐波磁场bz-ai的幅值满足：

15、

16、其中kdt-i的表达式满足：

17、

18、相应地，将kdt-i定义为发射端i次谐波分布系数，用于表示分布发射线圈中i次谐波磁场bz-ai的幅值衰减；

19、为了使i次谐波磁场bz-ai的幅值为0，发射端i次谐波分布系数kdt-i满足：

20、kdt-i＝0  (7)

21、将式(4)和式(6)带入式(7)解得：

22、

23、综上，通过合理设计分布发射线圈的匝间距离△xt，实现消除i次谐波磁场的目的。

24、进一步地，若为了消除发射线圈产生的五次谐波磁场，该结构中通以相同电流的相邻两条线圈的间距△xt设计为：其中k＝1,2,3…n，n为大于等于1的正整数。

25、进一步地，若为了消除发射线圈产生的七次谐波磁场，该结构中通以相同电流的相邻两条线圈的间距△xt设计为：其中k＝1,2,3…n，n为大于等于1的正整数。

26、进一步地，若为了减弱发射线圈产生的五次谐波磁场和七次谐波磁场，该结构中通以相同电流的相邻两条线圈的间距△xt设计为：其中k＝1,2,3…n，n为大于等于1的正整数。

27、进一步地，为了最大化输出电压，使基波分布系数kdt-1最大，令上述匝间距表达式中的k＝1，即匝间距△xt设计为

28、本发明有益效果：

29、(1)本发明所述结构可以保证空间产生的行波磁场三次谐波为零；

30、(2)若将该结构中通以相同电流的相邻两条线圈的间距△xt设计为：其中k＝1,2,3…n，n为大于等于1的正整数，此时接收线圈所在的平面内的行波磁场5次谐波幅值为0，则还可消除在接收端平面产生的5次谐波磁场，在接收端随充电设备移动过程中，感应电动势不再有5次谐波含量，系统的输出电压更稳定；

31、(3)若将该结构中通以相同电流的相邻两条线圈的间距△xt设计为：其中k＝1,2,3…n，n为大于等于1的正整数，此时接收线圈所在的平面内的行波磁场7次谐波幅值为0，则还可消除在接收端平面产生的7次谐波磁场，在接收端随充电设备移动过程中，感应电动势不再有7次谐波含量，系统的输出电压更稳定；

32、(4)若将该结构中通以相同电流的相邻两条线圈的间距△xt设计为：其中k＝1,2,3…n，n为大于等于1的正整数，此时接收线圈所在的平面内的行波磁场7次谐波幅值为0，则还可同时抑制在接收端平面产生的5次和7次谐波磁场，在接收端随充电设备移动过程中，感应电动势5次谐波含量和7次谐波含量都减少，系统的输出电压更稳定。

技术特征：

1.一种应用于三相动态无线供电系统的分布发射线圈结构，其特征在于：所述分布发射线圈结构每一相由多条线圈组成，所述多条线圈通过端侧串联的方式连接在一起，能够保证通有相同的电流，平行于x轴方向上的多条线圈紧凑连接，而对于平行于y轴的多条线圈沿x轴方向相差△xt的距离分布放置，且多条线圈之间等距；通过合理设计分布式发射线圈中相邻两匝线圈的间距△xt，消除发射线圈的谐波行波磁场，实现抑制三相动态无线供电系统中输出功率的波动的目的。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述的分布式发射线圈相邻两匝线圈之间的距离△xt设计方法具体为：

3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，若为了消除发射线圈产生的五次谐波磁场，该结构中通以相同电流的相邻两条线圈的间距△xt设计为：其中k＝1,2,3…n，n为大于等于1的正整数。

4.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，若为了消除发射线圈产生的七次谐波磁场，该结构中通以相同电流的相邻两条线圈的间距△xt设计为：其中k＝1,2,3…n，n为大于等于1的正整数。

5.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，若为了减弱发射线圈产生的五次谐波磁场和七次谐波磁场，该结构中通以相同电流的相邻两条线圈的间距△xt设计为：其中k＝1,2,3…n，n为大于等于1的正整数。

6.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，为了最大化输出电压，使基波分布系数kdt-1最大，令上述匝间距表达式中的k＝1，即匝间距△xt设计为

技术总结
本发明提出一种应用于三相动态无线供电系统的分布发射线圈结构。通过优化线圈不同的结构，本发明所述结构利用分布式发射线圈来消除三相发射线圈产生的谐波行波磁场，使接收端所在的平面主要含有基波行波磁场，接收线圈在运动的过程中感应电压幅值基本不变，从而有效地抑制三相动态无线供电系统中输出电压的波动，实现输出电压的恒定。

技术研发人员：宋贝贝,孙天,崔淑梅,朱春波
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12