本發(fā)明涉及移動(dòng)設(shè)備感應(yīng)電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種大功率感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的電磁耦合機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

自從1840年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象以來(lái)，感應(yīng)電能傳輸技術(shù)就一直被人們所關(guān)注和研究。在給移動(dòng)設(shè)備(如電力機(jī)車，地鐵機(jī)車，輕軌列車)進(jìn)行供電時(shí)，這種技術(shù)可以克服傳統(tǒng)的由導(dǎo)線直接接觸供電方式的諸如接觸火花、不安全裸露、生產(chǎn)和維護(hù)成本高、在化工領(lǐng)域易產(chǎn)生爆炸事故等缺點(diǎn)。感應(yīng)電能傳輸技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

一般的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)由兩部分組成，第一部分是一次側(cè)能量發(fā)射系統(tǒng)，它包含直流電源、高頻逆變器、諧振器、發(fā)射線圈等裝置，第二部分是二次側(cè)能量接收系統(tǒng)，它包含負(fù)載、整流器、諧振器、接收線圈等裝置。它的工作過(guò)程為：直流電源輸入的直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變器變?yōu)楦哳l交流電，發(fā)射線圈的高頻交流電通過(guò)發(fā)射線圈和接收線圈之間的電磁耦合在接收線圈上感應(yīng)出同頻交流電，同頻交流電通過(guò)整流器變?yōu)橹绷麟姽┙o負(fù)載，完成能量的非接觸式傳輸。

近年來(lái)，隨著插電式混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車的大力發(fā)展，感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)以其方便、環(huán)保、可靠、安全、使用周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)替代有線電能傳輸系統(tǒng)，成為了新的發(fā)展趨勢(shì)。目前絕大多數(shù)研究者關(guān)注感應(yīng)電能傳輸?shù)碾娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)效率，控制方法和磁場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)等方面的研究，只有很少研究者關(guān)注其大功率傳輸方面的研究。然而，大功率的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)在公共交通中的需求越來(lái)越大，系統(tǒng)所要提供的功率達(dá)到上百千瓦甚至更大。

為了增大感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的功率等級(jí)有三種主要的方法，第一種方法是通過(guò)在發(fā)射端并聯(lián)多個(gè)高頻逆變器增大發(fā)射功率容量，第二種方法是通過(guò)增加發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感提高傳輸功率，第三種方法是采用多個(gè)發(fā)射線圈和一個(gè)接收線圈的方式提高發(fā)射功率。第一種方法由于存在半導(dǎo)體承受應(yīng)力要求高和易產(chǎn)生循環(huán)電流的問(wèn)題，其可靠性和安全性較低。第二種方法由于受到線圈尺寸限制和大尺寸、大電感線圈容易產(chǎn)生諧振高壓的問(wèn)題往往并不可行。第三種方法存在需要增加額外的電容來(lái)抵消多個(gè)發(fā)射線圈之間的互感和一個(gè)接收端難以滿足用戶電能需求的缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)空間緊湊和對(duì)半導(dǎo)體承受應(yīng)力要求低的大功率感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)具有巨大的市場(chǎng)前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效縮小線圈空間，提高系統(tǒng)傳輸功率容量的大功率感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的電磁耦合機(jī)構(gòu)，以解決傳統(tǒng)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中的熱耗散快、組件限制、短時(shí)間過(guò)載的問(wèn)題。技術(shù)方案如下：

一種大功率感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的電磁耦合機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括集成在發(fā)射端的單極性線圈L_t1和雙極性線圈L_t2，以及與之相隔一段距離集成在接收端的單極性線圈L_r1和雙極性線圈L_r2；雙極性線圈L_t2和L_r2均包括面積相等極性相反且對(duì)稱的兩個(gè)部分，單極性線圈L_t1緊貼于雙極性線圈L_t2，單極性線圈L_r1緊貼于雙極性線圈L_r2；且上述四個(gè)線圈相互平行，各線圈中心點(diǎn)連線所在的直線垂直于線圈平面，各線圈的對(duì)稱軸相互平行。

進(jìn)一步的，所述四個(gè)線圈在空間結(jié)構(gòu)上，自上而下的排列順序?yàn)殡p極性線圈L_t2、單極性線圈L_t1、雙極性線圈L_r2、單極性線圈L_r1。

更進(jìn)一步的，所述四個(gè)線圈在空間結(jié)構(gòu)上，自上而下的排列順序?yàn)閱螛O性線圈L_t1、雙極性線圈L_t2、雙極性線圈L_r2、單極性線圈L_r1。

更進(jìn)一步的，所述四個(gè)線圈在空間結(jié)構(gòu)上，自上而下的排列順序?yàn)閱螛O性線圈L_t1、雙極性線圈L_t2、單極性線圈L_r1、雙極性線圈L_r2。

更進(jìn)一步的，所述四個(gè)線圈在空間結(jié)構(gòu)上，自上而下的排列順序?yàn)殡p極性線圈L_t2、單極性線圈L_t1、單極性線圈L_r1、雙極性線圈L_r2。

更進(jìn)一步的，還包括輸入端均并聯(lián)在直流源U_dc上的高頻逆變器H₁和高頻逆變器H₂；

高頻逆變器H₁的上輸出端連接到初級(jí)電感L_ft1的上端，初級(jí)電感L_ft1的下端分別連接到初級(jí)電容C_ft1和初級(jí)補(bǔ)償電容C_t1的上端，初級(jí)補(bǔ)償電容C_t1的下端連接到單極性線圈L_t1的上端，單極性線圈L_t1的下端分別連接到初級(jí)電容C_ft1的下端和高頻逆變器H₁的下輸出端；單極性線圈L_r1的上端連接到次級(jí)補(bǔ)償電容C_r1的上端，次級(jí)補(bǔ)償電容C_r1的下端分別連接到次級(jí)電容C_fr1的上端和次級(jí)電感L_fr1的上端，次級(jí)電感L_fr1的下端連接到整流器K₁的上輸入端，整流器K₁的下輸入端分別連接到單極性線圈L_r1的下端和次級(jí)電容C_fr1的下端，整流器K₁的正輸出端分別連接到整流器電容C_d1的正極和負(fù)載電阻R_L的右端，整流器K₁的負(fù)輸出端分別連接到整流器電容C_d1的負(fù)極和負(fù)載電阻R_L的左端；

高頻逆變器H₂的上輸出端連接到初級(jí)電感L_ft2的上端，初級(jí)電感L_ft2的下端分別連接到初級(jí)電容C_ft2和初級(jí)補(bǔ)償電容C_t2的上端，初級(jí)補(bǔ)償電容C_t2的下端連接到雙極性線圈L_t2的上端，雙極性線圈L_t2的下端分別連接到初級(jí)電容C_ft2的下端和高頻逆變器H₂的下輸出端；雙極性線圈L_r2的上端連接到次級(jí)補(bǔ)償電容C_r2的上端，次級(jí)補(bǔ)償電容C_r2的下端分別連接到次級(jí)電容C_fr2的上端和次級(jí)電感L_fr2的上端，次級(jí)電感L_fr2的下端連接到整流器K₂的上輸入端，整流器K₂的下輸入端分別連接到雙極性線圈L_r2的下端和次級(jí)電容C_fr2的下端，整流器K₂的正輸出端分別連接到整流器電容C_d2的正極和負(fù)載電阻R_L的右端，整流器K₂的負(fù)輸出端分別連接到整流器電容C_d2的負(fù)極和負(fù)載電阻R_L的左端。

更進(jìn)一步的，電路中各電容和電感的屬性滿足以下約束關(guān)系：

其中，為ω系統(tǒng)工作角頻率，為初級(jí)電感L_ft1的電感值，為初級(jí)電容C_ft1的電容值，為初級(jí)電感L_ft2的電感值，為初級(jí)電容C_ft2的電容值；為次級(jí)電感L_fr1的電感值，為次級(jí)電容C_fr1的電容值，為次級(jí)電感L_fr2的電感值，為次級(jí)電容C_fr2的電容值；

為初級(jí)補(bǔ)償電容C_t1和單極性線圈L_t1等效的初級(jí)合成電感L_T1的電感值，且

式中，為單極性線圈L_t1的電感值，為初級(jí)補(bǔ)償電容C_t1的電容值；

為初級(jí)補(bǔ)償電容C_t2和雙極性線圈L_t2等效的初級(jí)合成電感L_T2的電感值，且

式中，為雙極性線圈L_t2的電感值，為級(jí)補(bǔ)償電容C_t2的電容值；

為次級(jí)補(bǔ)償電容C_r1和單極性線圈L_r1等效的次級(jí)合成電感L_R1的電感值，且

式中，為單極性線圈L_r1的電感值，為次級(jí)補(bǔ)償電容C_r1的電容值；

為次級(jí)補(bǔ)償電容C_r2和雙極性線圈L_r2等效的次級(jí)合成電感L_R2的電感值，且

式中，為雙極性線圈L_r2的電感值，為次級(jí)補(bǔ)償電容C_r2的電容值。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明中雙向線圈和單級(jí)線圈相互解耦，使線圈更緊湊，縮小了線圈空間，減小了半導(dǎo)體承受應(yīng)力要求，提高了傳輸功率，解決了傳統(tǒng)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中的熱耗散快、組件限制、短時(shí)間過(guò)載的問(wèn)題；將雙向線圈和單級(jí)線圈集成在發(fā)射端和接收端，每個(gè)線圈都裝配一個(gè)并聯(lián)在同一個(gè)直流電源上的逆變器或者并聯(lián)在同一個(gè)負(fù)載上的整流器，電路結(jié)構(gòu)采用感應(yīng)電能傳輸中的雙邊LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，有效提高了系統(tǒng)傳輸功率容量。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明雙極性線圈的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明單極性線圈的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3a為本發(fā)明四個(gè)線圈第一種空間結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3b為本發(fā)明四個(gè)線圈第二種空間結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3c為本發(fā)明四個(gè)線圈第三種空間結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3d為本發(fā)明四個(gè)線圈第四種空間結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。一種大功率感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的電磁耦合機(jī)構(gòu)，包括耦機(jī)構(gòu)合部分和電路部分。其中，耦合機(jī)構(gòu)部分包括集成在發(fā)射端的單極性線圈L_t1和雙極性線圈L_t2，以及與之相隔一段距離集成在接收端的單極性線圈L_r1和雙極性線圈L_r2。雙極性線圈L_t2和L_r2均包括面積相等極性相反且對(duì)稱的兩個(gè)部分，如圖1所示。單極性線圈L_t1緊貼于雙極性線圈L_t2，單極性線圈L_r1緊貼于雙極性線圈L_r2。單極性線圈結(jié)構(gòu)如圖2所示。且上述四個(gè)線圈相互平行，各線圈中心點(diǎn)連線所在的直線垂直于線圈平面，各線圈的對(duì)稱軸相互平行。且四個(gè)線圈L_t2、L_t1、L_r2、L_r1的空間結(jié)構(gòu)有四種：

第一種空間結(jié)構(gòu)從主視的角度以從上到下排列的順序是雙極性線圈L_t2，單極性線圈L_t1，雙極性線圈L_r2，單極性線圈L_r1，如圖3a所示。

第二種空間結(jié)構(gòu)從主視的角度以從上到下排列的順序是單極性線圈L_t1，雙極性線圈L_t2，雙極性線圈L_r2，單極性線圈L_r1，如圖3b所示。

第三種空間結(jié)構(gòu)從主視的角度以從上到下排列的順序是單極性線圈L_t1，雙極性線圈L_t2，單極性線圈L_r1，雙極性線圈L_r2，如圖3c所示。

第四種空間結(jié)構(gòu)從主視的角度以從上到下排列的順序是雙極性線圈L_t2，單極性線圈L_t1，單極性線圈L_r1，雙極性線圈L_r2，如圖3d所示。

四個(gè)線圈相互之間存在互感，單極性線圈L_t1和雙極性線圈L_t2之間有互感M_t1t2，單極性線圈L_t1和單極性線圈L_r1之間有互感M_t1r1，單極性線圈L_t1和雙極性線圈L_r2之間有互感M_t1r2，雙極性線圈L_t2和單極性線圈L_r1之間有互感M_t2r1，雙極性線圈L_t2和雙極性線圈L_r2有互感M_t2r2。

因?yàn)殡p極性線圈分為兩個(gè)面積相等極性相反的對(duì)稱的部分，而且單極性線圈的對(duì)稱軸和雙極性線圈的對(duì)稱軸組成的平面垂直于線圈平面，所以單極性線圈上電流激發(fā)磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通量會(huì)對(duì)稱地穿過(guò)雙極性線圈的兩個(gè)線圈且方向相反。對(duì)于雙極性線圈來(lái)說(shuō)，單極性線圈產(chǎn)生的磁通量為零，兩線圈之間的互感就為零，換言之，單極性線圈與雙極性線圈相互解耦，因此存在以下關(guān)系：

M_t1t2＝M_t1r2＝M_t2r1＝0

這就相當(dāng)于只有發(fā)射端的單極性線圈L_t1和雙極性線圈L_t2分別向接收端的單極性線圈L_r1和雙極性線圈L_r2傳輸能量。該耦合機(jī)構(gòu)部分的結(jié)構(gòu)可使線圈更緊湊，從而縮小了線圈空間，減小了半導(dǎo)體承受應(yīng)力要求，提高了傳輸功率，解決了傳統(tǒng)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中的熱耗散快、組件限制、短時(shí)間過(guò)載的問(wèn)題。

本實(shí)施例的電路部分包括輸入端均并聯(lián)在直流源U_dc上的高頻逆變器H₁和高頻逆變器H₂。

高頻逆變器H₁的上輸出端連接到初級(jí)電感L_ft1的上端，初級(jí)電感L_ft1的下端分別連接到初級(jí)電容C_ft1和初級(jí)補(bǔ)償電容C_t1的上端，初級(jí)補(bǔ)償電容C_t1的下端連接到單極性線圈L_t1的上端，單極性線圈L_t1的下端分別連接到初級(jí)電容C_ft1的下端和高頻逆變器H₁的下輸出端；單極性線圈L_r1的上端連接到次級(jí)補(bǔ)償電容C_r1的上端，次級(jí)補(bǔ)償電容C_r1的下端分別連接到次級(jí)電容C_fr1的上端和次級(jí)電感L_fr1的上端，次級(jí)電感L_fr1的下端連接到整流器K₁的上輸入端，整流器K₁的下輸入端分別連接到單極性線圈L_r1的下端和次級(jí)電容C_fr1的下端，整流器K₁的正輸出端分別連接到整流器電容C_d1的正極和負(fù)載電阻R_L的右端，整流器K₁的負(fù)輸出端分別連接到整流器電容C_d1的負(fù)極和負(fù)載電阻R_L的左端。

高頻逆變器H₂的上輸出端連接到初級(jí)電感L_ft2的上端，初級(jí)電感L_ft2的下端分別連接到初級(jí)電容C_ft2和初級(jí)補(bǔ)償電容C_t2的上端，初級(jí)補(bǔ)償電容C_t2的下端連接到雙極性線圈L_t2的上端，雙極性線圈L_t2的下端分別連接到初級(jí)電容C_ft2的下端和高頻逆變器H₂的下輸出端；雙極性線圈L_r2的上端連接到次級(jí)補(bǔ)償電容C_r2的上端，次級(jí)補(bǔ)償電容C_r2的下端分別連接到次級(jí)電容C_fr2的上端和次級(jí)電感L_fr2的上端，次級(jí)電感L_fr2的下端連接到整流器K₂的上輸入端，整流器K₂的下輸入端分別連接到雙極性線圈L_r2的下端和次級(jí)電容C_fr2的下端，整流器K₂的正輸出端分別連接到整流器電容C_d2的正極和負(fù)載電阻R_L的右端，整流器K₂的負(fù)輸出端分別連接到整流器電容C_d2的負(fù)極和負(fù)載電阻R_L的左端。

所述的初級(jí)補(bǔ)償電容C_t1和單極性線圈L_t1等效為初級(jí)合成電感L_T1，次級(jí)補(bǔ)償電容C_r1和單極性線圈L_r1等效為次級(jí)合成電感L_R1，初級(jí)補(bǔ)償電容C_t2和雙極性線圈L_t2等效為初級(jí)合成電感L_T2,次級(jí)補(bǔ)償電容C_r2和雙極性線圈L_r2等效為次級(jí)合成電感L_R2，初級(jí)合成電感L_T1的等效電感值次級(jí)合成電感L_R1的等效電感值初級(jí)合成電感L_T2的等效電感值次級(jí)合成電感L_R2的等效電感值由下式確定；

式中ω為系統(tǒng)工作角頻率，為單極性線圈L_t1的電感值，為初級(jí)補(bǔ)償電容C_t1的電容值，為單極性線圈L_r1的電感值，為次級(jí)補(bǔ)償電容C_r1的電容值，為雙極性線圈L_t2的電感值，為初級(jí)補(bǔ)償電容C_t2的電容值，為雙極性線圈L_r2的電感值，為次級(jí)補(bǔ)償電容C_r2的電容值；

所述的初級(jí)電感L_ft1的電感值初級(jí)電容C_ft1的電容值初級(jí)合成電感L_T1的等效電感值次級(jí)合成電感L_R1的等效電感值次級(jí)電感L_fr1的電感值次級(jí)電容C_fr1的電容值初級(jí)電感L_ft2的電感值初級(jí)電容C_ft2的電容值初級(jí)合成電感L_T2的等效電感值次級(jí)合成電感L_R2的等效電感值次級(jí)電感L_fr2的電感值次級(jí)電容C_fr2的電容值有以下約束關(guān)系：

電路結(jié)構(gòu)部分的工作過(guò)程和原理是：

直流源U_dc產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變器H₁變成高頻交流電，該高頻交流電經(jīng)過(guò)LCC補(bǔ)償電路后在單極性線圈L_t1上激發(fā)出磁場(chǎng)，由于單極性線圈L_t1分別與雙極性線圈L_t2和雙極性線圈L_r2相互解耦，因此該磁場(chǎng)只在單極性線圈L_r1產(chǎn)生高頻交流電，該高頻交流電經(jīng)過(guò)LCC補(bǔ)償電路和整流器K₁后在負(fù)載電阻R_L上產(chǎn)生直流電。

同理，直流源U_dc產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變器H₂變成高頻交流電，該高頻交流電經(jīng)過(guò)LCC補(bǔ)償電路后在雙極性線圈L_t2上激發(fā)出磁場(chǎng)，由于雙極性線圈L_t2分別與單極性線圈L_t1和單極性線圈L_r1相互解耦，因此該磁場(chǎng)只在雙極性線圈L_r2產(chǎn)生高頻交流電，該高頻交流電經(jīng)過(guò)LCC補(bǔ)償電路和整流器K₂后在負(fù)載電阻R_L上產(chǎn)生直流電。

由于電路中LCC補(bǔ)償電路和其所在的發(fā)射端或接收端的線圈構(gòu)成了LCL諧振電路，諧振角頻率與電路中的電容和電阻是唯一相關(guān)的，與電路中的耦合互感和負(fù)載時(shí)是相互獨(dú)立的，因此整個(gè)電路可以視為同一直流源U_dc產(chǎn)生的兩路直流電經(jīng)過(guò)各自電路轉(zhuǎn)換后變?yōu)閮陕分绷麟姱B加在負(fù)載電阻R_L上，能量也相應(yīng)地從直流源U_dc產(chǎn)生后分別通過(guò)單極性線圈L_t1到單極性線圈L_r1和雙極性線圈L_t2到雙極性線圈L_r2兩個(gè)路徑獨(dú)立地傳輸?shù)截?fù)載電阻R_L上，有效提高了系統(tǒng)傳輸功率容量。