套筒对嵌式电场耦合机构及其构成的EC-WPT系统

摘要

本发明提供了一种套筒对嵌式电场耦合机构及其构成的EC‑WPT系统，装置包括外套筒和内套筒；外套筒包括第一金属环柱面，套设于所述第一金属环柱面下半段内部的第二金属环柱面，填充于第一金属环柱面与第二金属环柱面之间的第一绝缘介质层；内套筒包括第三金属环柱面，套设于第三金属环柱面上半段外部的第四金属环柱面，填充于第三金属环柱面与第四金属环柱面之间的第二绝缘介质层；第二金属环柱面与第四金属环柱面的长度相同，第二金属环柱面与第四金属环柱面端面相对。其效果是：结构紧凑，具有负耦合系数，用其构建形成的EC‑WPT系统，非常适用于旋转机构的无线能量传输，而且具有较好的漏电场抑制效果，系统分析过程简单，参数设计容易。

权利要求

1.一种套筒对嵌式电场耦合机构，其特征在于：包括外套筒和内套筒；

所述外套筒包括第一金属环柱面，套设于所述第一金属环柱面下半段内部的第二金属环柱面，填充于所述第一金属环柱面与所述第二金属环柱面之间的第一绝缘介质层；

所述内套筒包括第三金属环柱面，套设于所述第三金属环柱面上半段外部的第四金属环柱面，填充于所述第三金属环柱面与所述第四金属环柱面之间的第二绝缘介质层；

所述第二金属环柱面与所述第四金属环柱面的长度相同，且当所述内套筒套设于所述外套筒内部时，所述第二金属环柱面与所述第四金属环柱面端面相对。

2.根据权利要求1所述的套筒对嵌式电场耦合机构，其特征在于：所述外套筒和所述内套筒一个作为发射端，另一个作为接收端。

3.根据权利要求1或2所述的套筒对嵌式电场耦合机构，其特征在于：所述第一金属环柱面和所述第三金属环柱面的长度相同，所述第二金属环柱面与所述第四金属环柱面的长度相同，所述第二金属环柱面的下端与所述第一金属环柱面的下端齐平，第四金属环柱面的上端与所述第三金属环柱面的上端齐平，在第二金属环柱面与第四金属环柱面的端面之间预留有高度为dc的空气间隙，第一金属环柱面与第四金属环柱面之间的距离、第二金属环柱面与第三金属环柱面之间的距离为传输距离，也为dc。

4.根据权利要求3所述的套筒对嵌式电场耦合机构，其特征在于：所述第一金属环柱面、第二金属环柱面、第三金属环柱面以及第四金属环柱面的材料和厚度均相同，所述第一绝缘介质层和所述第二绝缘介质层的材料和厚度均相同。

5.一种采用权利要求1-4任一所述的套筒对嵌式电场耦合机构构成的EC-WPT系统，其特征在于：在发射端还设置有直流电源E，高频逆变电路以及原边LC谐振补偿电路，在所述原边LC谐振补偿电路中并联补偿电容Cx1的两端分别电性连接外套筒或内套筒中的两个金属环柱面；

在接收端还设置有副边LC谐振补偿电路、整流滤波电路以及负载电路，在所述副边LC谐振补偿电路中补偿电容Cx2的两端分别电性连接内套筒或外套筒中的两个金属环柱面。

6.根据权利要求5所述的EC-WPT系统，其特征在于：将外套筒作为发射端，内套筒作为接受端，根据所述第一金属环柱面、第二金属环柱面、第三金属环柱面以及第四金属环柱面构成的交叉耦合模型，利用外套筒和内套筒的材质和尺寸可以得到交叉耦合模型中电容Cij(i,j＝1,2,3,4)的值，然后将其等效为CCC-π模型进行系统分析时，其相互关系为：C1为耦合机构原边等效电容，C2为耦合机构副边等效电容，CM为耦合机构原副互容，LM为耦合机构互容的等效电感。

7.根据权利要求6所述的EC-WPT系统，其特征在于：在对其进行参数设置时，先根据等效后的CLC-π模型确定输入阻抗；

其中：

中间变量α＝ω2LMC11，n1＝LM/L1，n2＝LM/L2，n3＝C22/C11，系统负载品质因数为Q＝ωL2/Re，L1为原边补偿电感，L2为副边补偿电感，C11＝Cx1+C1表示电容Cx1和电容C1的并联等效电容，C22＝Cx2+C2表示电容Cx2和电容C2的并联等效电容；Re为等效负载；ω为系统谐振角频率；

当Im1＝Im2＝0时；根据系统输出功率需求，先调整α或Q，再确定系统参数；

当Re1＝Re2＝0时，根据系统输出功率需求，先调整n3，再确定系统参数；

当上述条件都不满足时，则调整系统谐振频率。

说明书

套筒对嵌式电场耦合机构及其构成的EC-WPT系统

技术领域

[0001] 本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种套筒对嵌式电场耦合机构及其构成的EC-WPT系统。

背景技术

[0002] 电场耦合式无线电能传输(Electric-Field Coupled Wireless Power Transfer，EC-WPT)技术是一种以位于金属极板之间的交变电场作为能量传输媒介的新兴技术，电场耦合机构简易轻薄，成本低，形状易变；在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。目前，已有很多专家和学者围绕EC-WPT技术在电动汽车充电、移动机器人、消费电子、生物移植等方面的应用展开了研究，取得了众多研究成果。

[0003] 针对传统的EC-WPT耦合机构的不足之处，一种层叠式耦合机构受到关注，其结构相比传统的耦合机构而言更能节省电能传输面积，更适合实际应用。

[0004] 参考文献：Zhang H,Lu F,Hofmann H,et al.AFour-Plate Compact Capacitive Coupler Design and LCL-Compensated Topology for Capacitive Power Transfer in Electric Vehicle  Charging Applications.IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(12):8541-8551.针对层叠式耦合机构，设计了一种发射端和接收端对称式的LCL补偿网络，并将其应用于电动汽车无线充电。

[0005] 参考文献：苏玉刚,傅群锋,马浚豪等.电场耦合电能传输系统层叠式耦合机构漏电场抑制方法.电力系统自动化,2019,43(02):130-141.针对层叠式耦合机构漏电场抑制问题，提出一种改进型的层叠式耦合机构，利用耦合机构自身的特性，将高压极板置于内侧，低压极板置于外侧，有效地减少了漏电场的对外辐射。

[0006] 但层叠式耦合机构也可以具有各种耦合形式，现有文献仅仅是对平板式耦合机构的建模、耦合特性和安全性进行了研究，而且所采用的平板式耦合机构的两块接收极板和发射极板完全对称，并没有考虑极板处在不同的位置时耦合机构特性发生的内在变化。实际上，对于任意形式的耦合机构而言，在不同耦合面积和传输距离的情况下，其耦合系数是不一样的，可能出现正耦合系数、零耦合系数和负耦合系数的情况。

发明内容

[0007] 基于上述情况，本发明针对耦合机构可旋转的应用场合，提出了一种套筒对嵌式电场耦合机构，通过采用具有负耦合系数的金属套筒对嵌式结构，以保证在满足所需传输距离的情况下，进一步减小耦合机构体积。

[0008] 为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

[0009] 一种套筒对嵌式电场耦合机构，其关键在于：包括外套筒和内套筒；

[0010] 所述外套筒包括第一金属环柱面，套设于所述第一金属环柱面下半段内部的第二金属环柱面，填充于所述第一金属环柱面与所述第二金属环柱面之间的第一绝缘介质层；

[0011] 所述内套筒包括第三金属环柱面，套设于所述第三金属环柱面上半段外部的第四金属环柱面，填充于所述第三金属环柱面与所述第四金属环柱面之间的第二绝缘介质层；

[0012] 所述第二金属环柱面与所述第四金属环柱面的长度相同，且当所述内套筒套设于所述外套筒内部时，所述第二金属环柱面与所述第四金属环柱面端面相对。

[0013] 可选地，所述外套筒和所述内套筒一个作为发射端，另一个作为接收端。

[0014] 可选地，所述第一金属环柱面和所述第三金属环柱面的长度相同，所述第二金属环柱面与所述第四金属环柱面的长度相同，所述第二金属环柱面的下端与所述第一金属环柱面的下端齐平，第四金属环柱面的上端与所述第三金属环柱面的上端齐平，在第二金属环柱面与第四金属环柱面的端面之间预留有高度为dc的空气间隙，第一金属环柱面与第四金属环柱面之间的距离、第二金属环柱面与第三金属环柱面之间的距离为传输距离，也为dc。

[0015] 可选地，所述第一金属环柱面、第二金属环柱面、第三金属环柱面以及第四金属环柱面的材料和厚度均相同，所述第一绝缘介质层和所述第二绝缘介质层的材料和厚度均相同。

[0016] 基于上述耦合机构，本发明还提出一种EC-WPT系统，采用上文所述的套筒对嵌式电场耦合机构，其中：

[0017] 在发射端还设置有直流电源E，高频逆变电路以及原边LC谐振补偿电路，在所述原边LC谐振补偿电路中并联补偿电容Cx1的两端分别电性连接外套筒或内套筒中的两个金属环柱面；

[0018] 在接收端还设置有副边LC谐振补偿电路、整流滤波电路以及负载电路，在所述副边LC谐振补偿电路中补偿电容Cx2的两端分别电性连接内套筒或外套筒中的两个金属环柱面。

[0019] 可选地，将外套筒作为发射端，内套筒作为接受端，根据所述第一金属环柱面、第二金属环柱面、第三金属环柱面以及第四金属环柱面构成的交叉耦合模型，利用外套筒和内套筒的材质和尺寸可以得到交叉耦合模型中电容Cij(i,j＝1,2,3,4)的值，然后将其等效为CLC-π模型进行系统分析时，其相互关系为：

[0020]

[0021]

[0022]

[0023]

[0024] C1为耦合机构原边等效电容，C2为耦合机构副边等效电容，CM为耦合机构原副互容，LM为耦合机构互容的等效电感。

[0025] 可选地，在对其进行参数设置时，先根据等效后的CLC-π模型确定输入阻抗；

[0026]

[0027] 其中：

[0028] 中间变量α＝ω2LMC11，n1＝LM/L1，n2＝LM/L2，n3＝C22/C11，系统负载品质因数为Q＝ωL2/Re，L1为原边补偿电感，L2为副边补偿电感，C11＝Cx1+C1表示电容Cx1和电容C1的并联等效电容，C22＝Cx2+C2表示电容Cx2和电容C2的并联等效电容；Re为等效负载；ω为系统谐振角频率；

[0029] 当Im1＝Im2＝0时；根据系统输出功率需求，先调整α或Q，再确定系统参数；

[0030] 当Re1＝Re2＝0时，根据系统输出功率需求，先调整n3，再确定系统参数；

[0031] 当上述条件都不满足时，则调整系统谐振频率。

[0032] 本发明的有益效果：

[0033] 本发明提出的电场耦合机构采用套筒对嵌形式，结构紧凑，具有负耦合系数，用其构建形成的EC-WPT系统，非常适用于旋转机构的无线能量传输，而且具有较好的漏电场抑制效果，系统分析过程简单，参数设计容易，便于工业化制造。

附图说明

[0034] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

[0035] 图1为本发明的电场耦合机构安装结构示意图；

[0036] 图2为图1中外套筒的结构示意图；

[0037] 图3为图1中外套筒的横截面图；

[0038] 图4为图1中内套筒的结构示意图；

[0039] 图5为图1中内套筒的横截面图；

[0040] 图6为本发明具体实施例中电场耦合机构的参数设计关系图；

[0041] 图7(a)为本发明具体实施例中电场耦合机构的交叉耦合模型图；

[0042] 图7(b)为图7(a)的CCC-π(三电容)等效模型图；

[0043] 图8为本发明具体实施例中构成的EC-WPT系统电路原理图；

[0044] 图9(a)为图8的六电容交叉耦合电路模型图；

[0045] 图9(b)为图9(a)的CLC-π等效电路模型；

[0046] 图10为本发明具体实施例中EC-WPT系统的参数设计流程图；

[0047] 图11为本发明具体实施例中的逆变输出电压和电流波形图；

[0048] 图12为本发明具体实施例中的输入电压和输出电压波形图。

具体实施方式

[0049] 下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0050] 需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

[0051] 如图1-图5所示，本实施例提供的一种用于旋转机构的套筒对嵌式电场耦合机构，包括外套筒和内套筒；所述外套筒包括第一金属环柱面1，套设于所述第一金属环柱面1下半段内部的第二金属环柱面2，填充于所述第一金属环柱面1与所述第二金属环柱面2之间的第一绝缘介质层3；

[0052] 所述内套筒包括第三金属环柱面4，套设于所述第三金属环柱面4上半段外部的第四金属环柱面5，填充于所述第三金属环柱面4与所述第四金属环柱面5之间的第二绝缘介质层6；

[0053] 所述第二金属环柱面2与所述第四金属环柱面5的长度相同，且当所述内套筒套设于所述外套筒内部时，所述第二金属环柱面2与所述第四金属环柱面5端面相对。

[0054] 结合附图6可以看出，套筒总共分为六层，由外到里依次是第一金属环柱面P1、第一绝缘介质D1、第二金属环柱面P2、第四金属环柱面P4、第二绝缘介质D2以及第三金属环柱面P3。耦合机构的发射端由P1、D1和P2构成图2、图3所示的外套筒结构，耦合机构接收端由P4、D2和P3构成图3、图4所示的内套筒结构，发射端和接收端相互嵌入，构成套筒对嵌式电场耦合机构；图中P1和P3的高度均为h1，P2和P4的高度均为h2，金属极材厚度为dp，绝缘介质厚度为dc，也为旋转机构所需要的无线传输距离。可以发现，耦合机构的发射端P2筒与接收端P4筒处于同一圆环面，但二者互相不接触，构成对嵌式结构，为了方便起见，将P2和P4的间距也设置为dc。

[0055] 基于图6所示的层叠式耦合机构，其六电容交叉耦合模型如图7(a)所示，可以将其进行简化为如图7(b)所示的CCC-π(三电容)模型，其中：

[0056]

[0057] 同理，基于图1所示的套筒对嵌式耦合机构的四块金属套筒也可构成六个交叉耦合电容Cij(i,j＝1,2,3,4)，根据其结构大小可知：C13C24-C14C23＜0。

[0058] 结合公式(1)可得互容CM＜0，因此根据耦合系数公式：

[0059]

[0060] 可知，kM<0，即本发明提出的套筒对嵌式耦合机构具有负耦合系数特性。

[0061] 基于上述耦合机构，本实施例还用其构成了一种EC-WPT系统，其电路图如图8所示，在发射端还设置有直流电源E，高频逆变电路以及原边LC谐振补偿电路，在所述原边LC谐振补偿电路中并联补偿电容Cx1的两端分别电性连接外套筒中的两个金属环柱面；

[0062] 在接收端还设置有副边LC谐振补偿电路、整流滤波电路以及负载电路，在所述副边LC谐振补偿电路中补偿电容Cx2的两端分别电性连接内套筒中的两个金属环柱面。

[0063] 针对耦合系数较大的耦合机构，可以适当增大Cx1和Cx2的值，保证系统具有较高的激励电压，以实现电能传输。图中L1和L2分别为发射端和接收端的串联补偿电感，结合相应的参数设计，实现系统的原边升压和副边降压，保证系统工作于全谐振状态，为负载供能。原边采用全桥逆变器将直流电变换成交流电为系统提供高频交流输入，副边采用全桥整流将交流电变换为直流电为等效负载电阻RL供能。图中vin为逆变输出的方波电压，其基波分量为vp，有效值为Vp。

[0064] 可以看出，本实施例构建了一种双侧LC补偿网络的EC-WPT系统，根据耦合机构的交叉耦合原理，将图8所示的系统电路等效为图9(a)所示的六电容交叉耦合等效电路模型，Re为等效负载电阻，且 C11为Cx1和C1的并联等效电容，C22为Cx2和C2的并联等效电容，其关系可以表示为：

[0065]

[0066] 对于任意电容C而言，若其所在交流电路系统的工作角频率为ω，其容抗可表示为：

[0067]

[0068] 由式(4)变换可知，对于任意电容，可以将其等效表示为某一电感，等效电感可表示为：

[0069]

[0070] 对于不同耦合情况的耦合机构而言，其互容可能出现负电容的情况，为了对电路参数进行合理的设计，可以采用式(5)将负电容等效为电感。因此，若耦合机构的耦合系数为负，可将图9(a)效为图9(b)所示的CLC-π(电容电感电容)等效电路模型，图中

[0071] 采用基波近似(fundamental harmonics approximation，FHA)方法对具有负耦合系数的EC-WPT系统电路进行分析，图9(b)中各级的输入阻抗可以表示为：

[0072]

[0073] 令α＝ω2LMC11，n1＝LM/L1，n2＝LM/L2，n3＝C22/C11，系统负载品质因数为Q＝ωL2/Re，则系统输入阻抗表示为：

[0074]

[0075] 式中：

[0076]

[0077] ①当Im1＝Im2＝0时，系统工作于ZPA状态，此时可推出：

[0078]

[0079] 此时系统输入阻抗可以表示为：

[0080]

[0081] 将(9)代入(10)可以得到：

[0082]

[0083] 由上述分析可以推出系统输出电压 与输入电压 之比为：

[0084]

[0085] 因此，若要增大输出电压以增大系统输出功率，只需增大α或减小Q。当Q＝α-1时，由(11)可知输入阻抗与等效负载电阻相等，由(12)可知输出电压和输入电压的大小相等，但输入电压的相位超前输出电压90°。

[0086] ②当Re1＝Re2＝0时，系统也工作于ZPA状态，可以推出：

[0087]

[0088] 系统输入阻抗可表示为：

[0089]

[0090] 将(13)代入(14)可将输入阻抗简化为：

[0091] Zin＝n32Re  (15)

[0092] 同理可以得到输出电压 与输入电压 之比为：

[0093]

[0094] 当n3＝1时，系统输入阻抗等于负载等效电阻，输出电压和输入电压的大小相等，相位相反，且有n2＝n1(n2-1)，考虑到系统串联补偿电感不宜过大，n1和n2的取值应同时较大，显然不能满足要求，因此这对于LM较大的情况不适用。

[0095] 基于上述分析，给出了如图10所示的参数设计流程图。图中根据应用设定耦合机构的材料和介质材料，以及耦合机构的几何尺寸。耦合机构的尺寸包括对金属套筒和介质的尺寸和材料，其中套筒高度h1和h2、极板厚度为dp和介质厚度和P2和P4间距为dc。

[0096] 系统工作频率根据一般经验给定，若Im1＝Im2＝0，可根据式(12)电压增益表达式调整Q和α的值保证输出功率满足要求，若Re1＝Re2＝0，可根据式(16)电压增益表达式调整n3的值保证输出功率满足要求。

[0097] 为了进一步体现本发明的技术效果，本实施例以图1所示的耦合机构为例，选用铜作为金属套筒的材料，选用亚克力作为介质材料。其中h1为100mm，h2为48.5mm，dc为3mm，dp＝1mm。对其进行有限元仿真，给出了耦合机构的交叉耦合电容，并结合式(1)计算出了C1、C2和CM的值，如表1所示。

[0098] 表1：交叉耦合电容仿真值和等效计算值

[0099]

[0100] 针对工作频率为700kHz，等效负载电阻为30Ω的应用场合。

[0101] (1)当Im1＝Im2＝0时，若n1＝n2，则L1＝L2，由式(9)可知，n3＝1，即C11＝C22。由式(5)可以推出，LM＝1.775mH，若满足Q2＝β-1，可以得到如表2所示系统参数。

[0102] 表2：系统参数

[0103]

[0104] (2)当Re1＝Re2＝0时，若n3＝1，由式(13)可以推出n2＝n1(n2-1)，针对LM＝1.775mH的情况，前文分析可知实部为零时，对LM较大的情况不适用，因此可以不考虑这种情况。

[0105] 基于图9(a)所示的电路结构，在MATLAB/Simulink仿真平台下建立系统仿真模型。将表1和表2中的参数带入仿真模型中对系统进行仿真。逆变输出电压和电流波形如图11所示，可以看出逆变输出电压和电流波形同相位，说明系统工作在ZPA状态，系统全谐振，保证系统等效负载电阻能拾取到较高的电能。图12所示为系统逆变输出电压与系统输出电压波形，可见系统输出电压相位超前输入电压90°，输出电压幅值约为76V，输出电压和输入电压的大小关系满足 通过上述的分析，验证了式(12)关系的准确性。

[0106] 为了降低电场的对外辐射，具体实施时还对两种电气连接方式下的耦合机构进行有限元仿真：(1)将耦合机构的最外侧的一层金属筒P1与对地电压相对较低的一端相连，其他金属筒P2、P3和P4则放置于P1内部；(2)将耦合机构的最外侧的一层金属筒P1与对地电压相对较高的一端相连，其他金属筒P2、P3和P4则放置于P1内部。通过Maxwell有限元仿真得到了在不同接线方式下套筒对嵌式耦合机构周围的电场分布特性图可以发现采用(1)类接线方式，耦合机构对漏电场的抑制作用更好。

[0107] 综上所述，本发明通过提供一种用于旋转机构的套筒对嵌式电场耦合机构及其构成的EC-WPT系统，可以工作在ZPA状态并高效的进行无线能量传输，耦合机构和系统参数设计过程简单，容易实现，为旋转机构的无线供电提供一种很好的解决方案。

[0108] 此外，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。