本發(fā)明涉及無線電能傳輸領域，具體涉及一種添加三極中繼線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術：

1、無線電能傳輸技術由于無需物理接觸、安全性高等特點在植入式醫(yī)療器械、電動汽車無線充電等領域受到應用。目前研究和應用最為廣泛的無線電能傳輸系統(tǒng)為使用兩個磁能線圈組的兩線圈系統(tǒng)，并且在發(fā)射側、接收側分別使用補償電容使發(fā)射側和接收側同時工作在自諧振狀態(tài)（傅文珍,張波,丘東元.基于諧振耦合的電能無線傳輸系統(tǒng)設計[j].機電工程,2011,28(06):746-749.），以提高無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。但是兩線圈傳輸系統(tǒng)的傳輸性能對發(fā)射線圈與接收線圈的相對位置高度敏感。一般將發(fā)射線圈和接收線圈軸向對準的擺放狀態(tài)稱為正對準狀態(tài)，此時線圈之間的耦合系數(shù)高，系統(tǒng)傳輸性能良好。而當接收線圈的位置在擺放平面內發(fā)生變化時，線圈之間的耦合系數(shù)隨之下降，線圈電流上升，導致系統(tǒng)效率降低、漏磁通密度升高，這阻礙了無線電能傳輸技術的應用和推廣。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服目前無線電能傳輸系統(tǒng)因接收線圈平面偏移導致的系統(tǒng)傳輸效率降低、漏磁通密度提高的問題，提供一種添加三極中繼線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)，同時通過參數(shù)設計使系統(tǒng)具備負載無關的恒流輸出以及輸入電壓和輸入電流之間零相位差的特性。

2、為了解決以上問題，本發(fā)明提出了一種添加三極中繼線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)。在發(fā)射線圈上方使用包含三個子線圈的三極中繼線圈，當接收線圈發(fā)生位置偏移時，它與不同的中繼線圈的互感發(fā)生不同的變化。通過對中繼線圈電抗的設計，可實現(xiàn)與接收線圈互感更大的中繼線圈流過更大的電流，其它中繼線圈流過相對較小的電流，從而減小線圈的寄生電阻產(chǎn)生的損耗，并降低充電區(qū)域周圍的漏磁通密度，提高了系統(tǒng)的抗偏移能力。同時，通過對發(fā)射線圈和接收線圈的電抗的參數(shù)設計，實現(xiàn)負載無關的恒流輸出以及輸入電流和輸入電壓的零相位差，保證了系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性和高功率因數(shù)。

3、本發(fā)明的目的至少通過如下技術方案之一實現(xiàn)。

4、一種添加三極中繼線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)，包括功率源模塊、逆變模塊、傳輸線圈模塊、整流模塊及負載；

5、功率源模塊包括理想電壓源，為逆變模塊、傳輸線圈模塊、整流模塊及負載提供電能；

6、當理想電壓源通電后，電能經(jīng)逆變模塊轉化為交流電，并輸入到傳輸線圈模塊的發(fā)射線圈；在傳輸線圈模塊中，由于發(fā)射線圈、三極中繼線圈和接收線圈之間有電磁耦合關系，發(fā)射線圈中的電能經(jīng)三極中繼線圈傳輸?shù)浇邮站€圈，同時，部分電能從發(fā)射線圈直接傳輸?shù)浇邮站€圈；三極中繼線圈中三個子線圈的電流強度與子線圈和接收線圈之間的耦合強度正相關；接收線圈的交流電經(jīng)整流模塊轉化為直流電，為負載供能。

7、進一步地，逆變模塊包括第一電容、第二電容、第一橋臂和第二橋臂；

8、傳輸線圈模塊包括電磁耦合的發(fā)射線圈、三極中繼線圈和接收線圈，發(fā)射線圈中的電能經(jīng)三極中繼線圈傳輸?shù)浇邮站€圈；發(fā)射線圈等效為包括發(fā)射線圈內阻、發(fā)射線圈電感和發(fā)射線圈補償電容（或外加電感器）的串聯(lián)電路，三極中繼線圈等效為三個包括中繼線圈內阻、中繼線圈電感和中繼線圈補償電容（或外加電感器）的串聯(lián)電路，接收線圈等效為包括接收線圈內阻、接收線圈電感和接收線圈諧振電容（或外加電感器）的串聯(lián)電路；

9、整流模塊包括第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管和濾波電容；

10、逆變模塊ⅰ的第一電容和第二電容串聯(lián)，第一橋臂和第二橋臂串聯(lián)，電容串聯(lián)支路、橋臂串聯(lián)支路和理想電壓源并聯(lián)；逆變模塊ⅰ的第一電容、第二電容之間，以及第一橋臂和第二橋臂之間分別引出線與傳輸線圈模塊中的發(fā)射線圈的兩端相連；

11、整流模塊的第一二極管和第二二極管串聯(lián)，第三二極管和第四二極管串聯(lián)，濾波電容、負載和串聯(lián)的第一二極管、第二二極管，以及串聯(lián)的第三二極管、第四二極管并聯(lián)；第一二極管、第二二極管之間，以及第三二極管、第四二極管之間，分別引出線與傳輸線圈模塊中的接收線圈的兩端相連。

12、進一步地，所述三極中繼線圈為由三個子線圈疊放而成的圓形結構；

13、三極中繼線圈中，將該圓形結構以120°的圓心角進行劃分，形成3個子線圈放置區(qū)域；三個子線圈為類扇形形狀，且形狀、面積相同；將三個子線圈分別放置在劃分的子線圈放置區(qū)域中，且互相重疊放置，以實現(xiàn)任意兩個子線圈之間的磁解耦；

14、由于三個子線圈在平面內的位置不同，三個子線圈和接收線圈的電磁耦合強度也不同；在電能經(jīng)三極中繼線圈傳輸?shù)浇邮站€圈的過程中，與接收線圈耦合強度高的子線圈流過更大的電流，傳輸更多的電能，以此實現(xiàn)在接收線圈位置改變的情況下傳輸線圈磁場的定向跟隨。

15、進一步地，三極中繼線圈中的三個子線圈各自單獨形成閉合回路，不與其它模塊相連。

16、進一步地，負載為純阻性質。

17、進一步地，所述第一橋臂和第二橋臂均由開關管和反向并聯(lián)二極管構成。

18、進一步地，無線電能傳輸系統(tǒng)的輸入阻抗為實數(shù)，以實現(xiàn)輸入電壓和輸入電流的零相位差，通過以下參數(shù)設置實現(xiàn)：

19、忽略所有線圈的寄生電阻時，傳輸線圈模塊中的接收線圈的電抗?jié)M足關系：；

20、其中，三極中繼線圈的子線圈的電抗分別為、、，接收線圈的電抗為，為虛數(shù)單位，為角頻率，滿足，為系統(tǒng)工作頻率；、分別為三極中繼線圈的第個子線圈的自感和補償電容，，、分別為接收線圈的自感和補償電容；三極中繼線圈和接收線圈的互感抗分別為、、，為三極中繼線圈的第個子線圈與接收線圈之間的互感，。

21、進一步地，輸出電流具有負載無關的恒流特性，通過以下參數(shù)設置實現(xiàn)：

22、忽略所有線圈的寄生電阻時，發(fā)射線圈的電抗?jié)M足關系：，其中，發(fā)射線圈的電抗為，、分別為發(fā)射線圈的自感和補償電容；發(fā)射線圈和三極中繼線圈的互感抗分別為、、，為三極中繼線圈的第個子線圈與發(fā)射線圈之間的互感，。

23、進一步地，若傳輸線圈模塊的所有線圈中，存在有線圈的補償電容計算值為負值，則該線圈的補償電容替換為外加電感器，將外加電感器與該線圈串聯(lián)，并根據(jù)確定外加電感器的取值。

24、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果：

25、本發(fā)明中，三極中繼線圈的電抗影響了系統(tǒng)的電流分布，通過設置中繼線圈的電抗數(shù)值，可實現(xiàn)在接收線圈偏移范圍內系統(tǒng)的總體效率最優(yōu)。

26、三極中繼線圈的結構設計和電抗數(shù)值設計提高了無線電能傳輸系統(tǒng)的抗偏移能力。三極中繼線圈的子線圈分布在二維平面內的不同位置，因此，當接收線圈發(fā)生平面偏移時，其與三極中繼線圈的子線圈之間的互感有著不同的變化趨勢。以接收線圈偏移范圍內系統(tǒng)的總體效率最優(yōu)為目標設計中繼線圈的電抗數(shù)值，實現(xiàn)三極中繼線圈的子線圈的電流根據(jù)其與接收線圈的互感進行自適應調整，與接收線圈的互感更大的子中繼線圈流過更大的電流，其它線圈流過相對較小的電流，從而提高系統(tǒng)效率，減少充電區(qū)域的漏磁通密度。同時，系統(tǒng)具備負載無關的恒流輸出以及輸入電流和輸入電壓之間零相位差的特性。