[发明专利]滑环无线输电系统的磁屏蔽线圈结构及其参数优化方法

权利要求书

1.滑环无线输电系统的磁屏蔽线圈结构，其特征在于：包含滑环底座、滑环、高频逆变电源、原边线圈、第一谐振电容电路板、副边线圈、第二谐振电容电路板、绕线圆筒、第一支架、第二支架、第一屏蔽线圈、第三谐振电容电路板、第二屏蔽线圈和第四谐振电容电路板；所述滑环底座承载有滑环，并固定于中心位置，所述滑环表面缠绕有副边线圈，所述副边线圈与第二谐振电容电路板连接构成串联补偿结构，所述绕线圆筒套装于滑环的外侧，其表面缠绕有原边线圈，所述原边线圈与第一谐振电容电路板连接构成串联补偿结构，所述高频逆变电源的一端与第一谐振电容电路板相连，其另一端与原边线圈相连，所述第一支架和第二支架分别置于滑环轴向的正方向和反方向，并与滑环构成一个整体，能够随滑环一起转动，所述第一支架和第二支架为外带环形凹槽的空心圆柱结构，所述第一支架的凹槽内绕有第一屏蔽线圈，并与第三谐振电容电路板连接构成串联补偿结构，所述第二支架的凹槽内绕有第二屏蔽线圈，并与第四谐振电容电路板连接构成串联补偿结构，所述第三谐振电容电路板固定于第一支架的内部，所述第四谐振电容电路板固定于第二支架的内部。

2.根据权利要求1所述的滑环无线输电系统的磁屏蔽线圈结构，其特征在于：所述第二谐振电容电路板固定于第二支架的内部，与滑环底座构成一个整体，能够随滑环一起转动。

3.根据权利要求1所述的滑环无线输电系统的磁屏蔽线圈结构，其特征在于：所述第一屏蔽线圈和第二屏蔽线圈完全一致，所述第三谐振电容电路板和第四谐振电容电路板完全一致。

4.权利要求1-3任意一项所述滑环无线输电系统的磁屏蔽线圈结构的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将原边线圈的电感L₁和第一谐振电容电路板的电容C₁组成的支路以及副边线圈的电感L₂和第二谐振电容电路板的电容C₂组成的支路视作串联拓扑，其达到谐振状态时满足：ω²L₁C₁＝ω²L₂C₂＝1，ω为滑环无线输电系统的谐振角频率；将第一屏蔽线圈的电感L₃和第三谐振电容电路板的电容C₃组成的支路以及第二屏蔽线圈的电感L₄和第四谐振电容电路板的电容C₄组成的支路视作串联拓扑，其达到谐振状态时满足：ω²L₃C₃＝ω²L₄C₄＝0.95²，第一屏蔽线圈的等效阻抗第二屏蔽线圈的等效阻抗

2)线圈的螺旋线在空间中某点的磁场微元能够被计算为：

式中，a为螺旋线半径，b为螺距，θ₁是螺旋线的旋转角，0＜θ₁＜2nπ，μ₀为真空磁导率，I为电流源的电流值，r、θ₂是柱面坐标系的xoy面上的投影P的极坐标，z为柱面坐标系的纵坐标，n为圆柱螺旋线匝数，a_x、a_y、a_z是直角坐标系下x、y、z三个方向的单位方向向量，是直角坐标系下x、y、z三个方向的磁场微元，A为螺旋线在目标面积分式的空间系数；磁场微元的坐标系数用kx、ky、kz来表示，则有：

设位于滑环轴向正方向的圆形目标面半径为r_t，高为z_t，忽略第二屏蔽线圈产生的影响，则其磁场密度膜积分φ_a为：

φ_a＝∫∫|B₁|r_tdθ₂dz_t+∫∫|B₂|r_tdθ₂dz_t+∫∫|B₃|r_tdθ₂dz_t

设位于滑环轴向负方向的圆形目标面半径为r_t，高为-z_t，忽略第一屏蔽线圈产生的影响则其磁场密度膜积分φ_b为：

φ_b＝∫∫|B₁|r_tdθ₂d(-z_t)+∫∫|B₂|r_tdθ₂d(-z_t)+∫∫|B₄|r_tdθ₂d(-z_t)

式中，B₁是原边线圈产生的磁场，B₂是副边线圈产生的磁场，B₃是第一屏蔽线圈产生的磁场，B₄是第二屏蔽线圈产生的磁场；

3)原边线圈的半径等于滑环的半径r₁，副边线圈的半径等于绕线圆筒的半径r₂，第一屏蔽线圈的半径r₃和第二屏蔽线圈的半径r₄等于绕线圆筒的半径r₂，原边线圈的螺旋线电感L₁和副边线圈的螺旋线电感L₂根据滑环等效负载R_load所需的功率P_load确定，同时原边线圈与副边线圈之间的互感M₁₂被原副边线圈的电感确定；

滑环无线输电系统中的电流能够用以下的基尔霍夫电压定律回路方程确定：

式中，U_in为高频逆变电源输入电压，I₁、I₂、I₃、I₄分别为原边线圈、副边线圈、第一屏蔽线圈、第二屏蔽线圈的电流，M₁₃为原边线圈与第一屏蔽线圈的互感，M₁₄为原边线圈与第二屏蔽线圈的互感，M₂₃为副边线圈与第一屏蔽线圈的互感，M₂₄为副边线圈与第二屏蔽线圈的互感，M₃₄为第一屏蔽线圈与第二屏蔽线圈的互感，R₁为原边线圈的交流电阻，R₂为副边线圈的交流电阻，R₃为第一屏蔽线圈的交流电阻，R₄为第二屏蔽线圈的交流电阻，k₁₃为原边线圈与第一屏蔽线圈之间的耦合系数，k₁₄为原边线圈与第二屏蔽线圈之间的耦合系数，k₂₃为副边线圈与第一屏蔽线圈之间的耦合系数，k₂₄为副边线圈与第二屏蔽线圈之间的耦合系数，k₁₃、k₁₄、k₂₃、k₂₄小于0.004，忽略第一屏蔽线圈和第二屏蔽线圈对系统主线圈带来的感应电压，各线圈的交流电阻R₁、R₂、R₃、R₄均小于0.1Ω，忽略其带来的影响；线圈电流能够被计算为：

令φ_a对L_eq1进行求导等于0，得第一屏蔽线圈的最优屏蔽电感值L_meq1为：

式中：

k_x1、k_y1、k_z1是原边线圈在空间直角坐标系下的x、y、z三个方向的方向系数，k_x2、k_y2、k_z2是副边线圈在空间直角坐标系下的x、y、z三个方向的方向系数，k_x3、k_y3、k_z3是第一屏蔽线圈在空间直角坐标系下的x、y、z三个方向的方向系数，α为第一屏蔽线圈产生磁场在滑环轴向正方向的圆形目标面的空间系数，λ₁为原边线圈和第一屏蔽线圈产生磁场在滑环轴向正方向的圆形目标面的空间系数，β₁为副边线圈和第一屏蔽线圈产生磁场在滑环轴向正方向的圆形目标面的空间系数；

令φ_b对L_eq2进行求导等于0，得第二屏蔽线圈的最优屏蔽电感值L_meq2为：

式中：

k_x4、k_y4、k_z4是第二屏蔽线圈在空间直角坐标系下的x、y、z三个方向的方向系数，γ为第二屏蔽线圈产生磁场在滑环轴向正方向的圆形目标面的空间系数，λ₂为原边线圈和第二屏蔽线圈产生磁场在滑环轴向正方向的圆形目标面的空间系数，β₂为副边线圈和第二屏蔽线圈产生磁场在滑环轴向正方向的圆形目标面的空间系数。