CN112564301A - 导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构及方法，能量发射端采用多段导轨式无线能量发射线圈结构，多个无线能量发射线圈沿长度方向依次水平排列放置，且电流方向为同相位设置；在每一个无线能量发射线圈内部均设置有辅助线圈，该辅助线圈的电流方向与对应一个无线能量发射线圈的电流方向也为同相位设置，且辅助线圈与无线能量发射线圈之间的耦合效果与相邻两段无线能量发射线圈的耦合效果相反。其效果是：在每级发射线圈内部串入补偿线圈，通过引入额外的磁场耦合来抵消由于发射线圈距离太近引起的相互耦合，从而消除交叉耦合，提升系统性能，其方法同样还可以适用于静态无线充电系统中。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构及方法。
背景技术
无线充电技术具有灵活、可靠、安全等优点。在无人机、家电及电动汽车等领域应用越来越广泛。在多级导轨式动态无线充电应用场合中，如电动汽车、AGV、巡检机器人的无线充电系统，多级发射导轨之间由于相距较近，往往存在交叉耦合。交叉耦合的存在不仅使系统分析复杂化，还使得系统耦合效率降低、频率稳定性变差。
然而，现有技术中，研究多级发射导轨间交叉解耦的方法还相对较少。
发明内容
针对多级导轨式动态无线电能传输系统存在的交叉耦合问题，本发明提出一种在每级发射线圈内部串入补偿线圈的方式，通过引入额外的磁场耦合来抵消由于发射线圈距离太近引起的相互耦合，从而消除交叉耦合，提升系统性能。
为了实现上述目的，本发明首先提供一种导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，具体技术方案如下：
一种导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，其关键在于：能量发射端采用多段导轨式无线能量发射线圈结构，多个无线能量发射线圈沿长度方向依次水平排列放置，且电流方向为同相位设置；
在每一个无线能量发射线圈内部均设置有辅助线圈，该辅助线圈的电流方向与对应一个无线能量发射线圈的电流方向也为同相位设置，且辅助线圈与无线能量发射线圈之间的耦合效果与相邻两段无线能量发射线圈的耦合效果相反。
可选地，每一段无线能量发射线圈绕制成矩形线圈结构，每一个所述辅助线圈位于对应的一段无线能量发射线圈的中部。
可选地，每一个所述辅助线圈与对应一段无线能量发射线圈串联。
可选地，每一个所述辅助线圈与对应一段无线能量发射线圈处于同一平面，二者之间预留有线圈空白区域。
可选地，每一段导轨式无线能量发射线圈结构相同，相邻两段导轨式无线能量发射线圈的间距相同。
可选地，每一个所述辅助线圈与对应一段无线能量发射线圈采用同一根利兹线在同一平面上绕制而成。
基于上述结构，本发明还提出一种导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制方法，通过在每一段无线能量发射线圈的中间串入辅助线圈来抑制相邻两段能量发射线圈之间的耦合影响。具体按以下步骤进行：
S1：根据应用场景设定好无线能量发射线圈的尺寸和匝数以及相邻两段无线能量发射线圈之间的间距，通过仿真计算相邻两段无线能量发射线圈之间互感；
S2：根据无线能量发射线圈的宽度选取辅助线圈的初始尺寸；
S3：根据应用场景设定解耦范围；
S4：仿真计算发射线圈与辅助线圈的互感是否达到预设的解耦范围，如果未达到，则通过依次增加辅助线圈的匝数来改变互感值；如果达到，则根据最终尺寸和匝数确定辅助线圈的参数；
S5：根据步骤S1设定的无线能量发射线圈的尺寸和匝数以及步骤S4确定的辅助线圈的尺寸和匝数绕制每一段导轨式无线能量发射线圈结构。
可选地，步骤S3中首位两段无线能量发射线圈中的辅助线圈的解耦范围与非首位两段无线能量发射线圈中的辅助线圈的解耦范围对应边界值的比例为1:2。
本发明的显著效果是：
(1)本发明提出一种在每级发射线圈内部串入补偿线圈的方式，通过引入额外的磁场耦合来抵消由于发射线圈距离太近引起的相互耦合，从而消除交叉耦合，提升系统性能。
(2)本发明所述交叉解耦方法同样可以适用于静态无线充电系统中，实现多个发射线圈的交叉解耦。
附图说明
图1是本发明提供的基于补偿线圈串入的导轨式动态无线电能传输系统结构示意图；
图2是本发明提供的多级发射线圈结构示意图；
图3是本发明涉及的辅助线圈的设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
如图1、图2所示，本实施例提供一种导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，能量发射端采用多段导轨式无线能量发射线圈结构，多个无线能量发射线圈沿长度方向依次水平排列放置，且电流方向为同相位设置；
在每一个无线能量发射线圈内部均设置有辅助线圈，该辅助线圈的电流方向与对应一个无线能量发射线圈的电流方向也为同相位设置，且辅助线圈与无线能量发射线圈之间的耦合效果与相邻两段无线能量发射线圈的耦合效果相反。
从图中可以看出，多级发射导轨L1、L2、L3水平放置，其电流方向为同相位，构成动态无线电能传输系统发射轨道，接收线圈位于其正上方运动，分别与对应的线圈耦合以拾取能量。在多个发射导轨之间，由于排列距离过近，容易产生相互耦合M12、M23，导致系统分析复杂化，在这里，由于发射导轨较长，非相邻发射线圈之间的相互耦合可以忽略不计。本发明提出在发射线圈中串入小型的辅助线圈Lf1、Lf2、Lf3，放置于每一级发射导轨中心以减小其对其他发射线圈的耦合影响，同时设置辅助线圈电流与发射线圈电流同相位，因此辅助线圈与发射线圈产生互感M1、M2、M3，其耦合效果与相邻发射线圈间的耦合方向相反，通过选取合适的辅助线圈尺寸与匝数使得M1＝M12、M2＝M12+M23、M3＝M23，以抵消相互间交叉耦合，实现多级发射线圈之间的交叉解耦。
具体实施时，每一段导轨式无线能量发射线圈结构相同，相邻两段导轨式无线能量发射线圈的间距相同，每一段无线能量发射线圈绕制成矩形线圈结构，每一个所述辅助线圈位于对应的一段无线能量发射线圈的中部，每一个所述辅助线圈与对应一段无线能量发射线圈采用同一根利兹线在同一平面上绕制而成，呈串联关系。
从图中还可以看出，每一个所述辅助线圈与对应一段无线能量发射线圈处于同一平面，二者之间预留有线圈空白区域。
结合图3可以看出，本实施例还给出了一种导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制方法，采用上文所述的导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，主要通过在每一段无线能量发射线圈的中间串入辅助线圈来抑制相邻两段能量发射线圈之间的耦合影响。实施过程中主要按以下步骤进行：
S1：根据应用场景设定好无线能量发射线圈的尺寸和匝数以及相邻两段无线能量发射线圈之间的间距，通过仿真计算相邻两段无线能量发射线圈之间互感；
S2：根据无线能量发射线圈的宽度选取辅助线圈的初始尺寸；
S3：根据应用场景设定解耦范围；
S4：仿真计算发射线圈与辅助线圈的互感是否达到预设的解耦范围，如果未达到，则通过依次增加辅助线圈的匝数来改变互感值；如果达到，则根据最终尺寸和匝数确定辅助线圈的参数；
S5：根据步骤S1设定的无线能量发射线圈的尺寸和匝数以及步骤S4确定的辅助线圈的尺寸和匝数绕制每一段导轨式无线能量发射线圈结构。
结合图3而言，第一级发射线圈和最后一级发射线圈由于相邻的线圈只有一组，因此在对其相应的线圈进行设计时进行了区别对待，本实施例通过选取误差系数k来确定解耦范围，因此步骤S3中首位两段无线能量发射线圈中的辅助线圈的解耦范围与非首位两段无线能量发射线圈中的辅助线圈的解耦范围对应边界值的比例为1:2。
具体从图中可以看出，如果属于第一级发射线圈或最后一级发射线圈，其发射线圈与辅助线圈之间的互感应满足条件(1-k)M≤Mn≤(1+k)M，如果不属于第一级发射线圈或最后一级发射线圈，其发射线圈与辅助线圈之间的互感应满足条件2(1-k)M≤Mn≤2(1+k)M，其中M表示步骤S1中通过仿真计算出的相邻两段无线能量发射线圈之间互感，Mn表示步骤S4中通过仿真计算出的发射线圈与辅助线圈之间的互感。
通过采用上述结构或方法，能够有效消除交叉耦合，提升导轨式无线电能传输系统的性能。
最后需要说明的是，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，其特征在于：能量发射端采用多段导轨式无线能量发射线圈结构，多个无线能量发射线圈沿长度方向依次水平排列放置，且电流方向为同相位设置；
在每一个无线能量发射线圈内部均设置有辅助线圈，该辅助线圈的电流方向与对应一个无线能量发射线圈的电流方向也为同相位设置，且辅助线圈与无线能量发射线圈之间的耦合效果与相邻两段无线能量发射线圈的耦合效果相反。
2.根据权利要求1所述的导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，其特征在于：每一段无线能量发射线圈绕制成矩形线圈结构，每一个所述辅助线圈位于对应的一段无线能量发射线圈的中部。
3.根据权利要求1或2所述的导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，其特征在于：每一个所述辅助线圈与对应一段无线能量发射线圈串联。
4.根据权利要求3所述的导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，其特征在于：每一个所述辅助线圈与对应一段无线能量发射线圈处于同一平面，二者之间预留有线圈空白区域。
5.根据权利要求4所述的导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，其特征在于：每一段导轨式无线能量发射线圈结构相同，相邻两段导轨式无线能量发射线圈的间距相同。
6.根据权利要求3所述的导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，其特征在于：每一个所述辅助线圈与对应一段无线能量发射线圈采用同一根利兹线在同一平面上绕制而成。
7.一种导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制方法，采用权利要求1-6任一所述的导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制结构，其特征在于：通过在每一段无线能量发射线圈的中间串入辅助线圈来抑制相邻两段能量发射线圈之间的耦合影响。
8.根据权利要求7所述导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制方法，其特征在于按以下步骤进行：
S1：根据应用场景设定好无线能量发射线圈的尺寸和匝数以及相邻两段无线能量发射线圈之间的间距，通过仿真计算相邻两段无线能量发射线圈之间互感；
S2：根据无线能量发射线圈的宽度选取辅助线圈的初始尺寸；
S3：根据应用场景设定解耦范围；
S4：仿真计算发射线圈与辅助线圈的互感是否达到预设的解耦范围，如果未达到，则通过依次增加辅助线圈的匝数来改变互感值；如果达到，则根据最终尺寸和匝数确定辅助线圈的参数；
S5：根据步骤S1设定的无线能量发射线圈的尺寸和匝数以及步骤S4确定的辅助线圈的尺寸和匝数绕制每一段导轨式无线能量发射线圈结构。
9.根据权利要求8所述导轨式无线电能传输系统中的交叉耦合抑制方法，其特征在于：步骤S3中首位两段无线能量发射线圈中的辅助线圈的解耦范围与非首位两段无线能量发射线圈中的辅助线圈的解耦范围对应边界值的比例为1:2。
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| CN104810933A (zh) * | 2015-04-30 | 2015-07-29 | 重庆大学 | 用于电动汽车动态无线供电的渗透型导轨结构 |
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