特高压输电线路上在线监测设备用无线电能传输耦合机构的制作方法

1.本发明属于空间传感器无线电能传输技术领域，具体涉及特高压输电线路上 在线监测设备用无线电能传输耦合机构。


背景技术：

2.随着国家电力行业的深入发展，高压、超高压乃至特高压输电线路成为电力 输送的中坚力量。通常会在高压输电线路上安装在线监测设备来及时反馈输电线 路的状态信息。高压输电线路在线监测设备能够对输电线路的工作状态进行全方 位，多功能的实时监测，特别是在恶劣气候或外界环境下，由于在线监测设备的 使用即时反馈了监测信息，防患于未然。然而随着在线监测技术的普及，供电问 题成为了在线监测设备亟待解决的问题之一。
3.作为新型供电模式的无线电能传输技术，由于其为电力驱动的电子设备提供 了一个新的能量获取方式，具有高安全性、高可靠性、高自由度等优点，在电动 汽车、消费电子，智能家居等应用场景下有着巨大的发展潜力。磁耦合谐振式无 线电能传输技术利用发射端将电能转换为高频交变电磁场，将电能隔空传递至接 收端。磁耦合谐振式无线电能传输因其传输距离远、功率等级高被广泛应用于中 远距离的充电领域中。磁耦合器是在磁耦合谐振式无线电能传输能量转换的关键 环节，其结构、参数设计直接关联到系统性能。然而，在远距离的无线电能传输 领域，为了适应更长的传输距离和更大的传输电流，以现有技术1 (cn113644756a)“无线电能传输的多发射线圈形成磁波束聚焦的方法及装置
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为代表，将多个发射线圈的圆心按照等边三角形排列，形成磁感应强度为0的抵 消平面，调整发射线圈之间的距离，对比发射线圈之间互感的变化，在发射线圈 之间的互感最小时，即获得多个发射线圈阵列的最优结构。通过最优结构，将多 个发射线圈产生的磁场波束汇聚到接收线圈，能够最大限度的提高能量传输效率， 以达到提高无线充电传输距离的目标。但是，这样的磁耦合器存在磁耦合机构尺 寸大，磁芯材料利用率低等亟待解决的问题。
4.此外，对于远距离无线电能传输系统，一次电流较大时可能出现铁芯饱和。 如图1，为单发射线圈磁芯内部磁通密度沿水平方向分布图，当发射端只有一个 发射线圈且磁芯沿长边的厚度是均匀的，则铁芯内的磁通密度沿长边的分布是不 均匀的，通过有限元仿真结果可知，此时的磁链集中在线圈下方即磁芯中心的地 方，磁通密度在磁芯中心位置最高，在线圈覆盖下的磁芯外围磁通迅速降低，此 时在磁芯边缘仍采用同等厚度的磁芯使得磁芯利用率低。
5.综上，需要研究一种适用于500kv输电线路远距离传输的在线监测设备用 无线电能传输耦合机构。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种特高压输电线 路上在线监测设备用无线电能传输耦合机构，通过优化发射端的内部结构，提升 磁通密度分布
的均匀性，从而使得无线电能传输耦合机构的磁芯利用率显著提高， 更加适合于远距离大电流的无线电能传输。
7.本发明采用如下的技术方案。
8.一种特高压输电线路上在线监测设备用无线电能传输耦合机构，机构主体包 括：发射端和接收端；发射端包括发射线圈和发射端磁芯，接收端包括接收线圈 和接收端磁芯。
9.本发明提出的无线电能传输耦合机构中，发射线圈包括串联连接的第一线圈 和第二线圈；
10.发射端磁芯包括第一磁芯块、第二磁芯块、第三磁芯块、第四磁芯块和第五 磁芯块；
11.第一线圈绕制在第一磁芯块的一端，第二线圈绕制在第一磁芯块的另一端；
12.第一磁芯块的一端连接第二磁芯块的一端，第二磁芯块的另一端连接第四磁 芯块；
13.第一磁芯块的另一端连接第三磁芯块的一端，第三磁芯块的另一端连接第五 磁芯块；
14.其中，第二磁芯块和第三磁芯块高度相同，且第二磁芯块和第三磁芯块的高 度低于第一磁芯块的高度；第四磁芯块和第五磁芯块高度相同，且第四磁芯块和 第五磁芯块的高度低于第二磁芯块和第三磁芯块的高度。
15.第一磁芯块、第四磁芯块和第五磁芯块上均等间距的梳齿状布置磁芯片。
16.磁芯片为铁氧体片；铁氧体片的宽度为0.1～1cm，梳齿状布置的间距与铁氧 体片的宽度相同。
17.第一线圈和第二线圈的尺寸相同，均为长方形螺线管型线圈。
18.第一线圈和第二线圈为同一根利兹线同方向绕制而成。
19.第一线圈和第二线圈的间距为0.25～0.5l，其中l为发射端磁芯的总长度。
20.第一磁芯块为长方体铁氧体条，长度为0.25～0.5l，其中l为发射端磁芯的 总长度。
21.第二磁芯块和第三磁芯块均为长方体铁氧体条；第二磁芯块和第三磁芯块的 长度相同，均为0.25～0.1l；第二磁芯块和第三磁芯块的高度相同，均为0.6～0.9h， 其中h为第一磁芯块的高度。
22.第四磁芯块和第五磁芯块均为长方体铁氧体条，第四磁芯块和第五磁芯块的 长度相同，均为第二磁芯块和第三磁芯块的长度；第四磁芯块和第五磁芯块的高 度相同，均为0.3～0.5h，其中h为第一磁芯块的高度。
23.接收端线圈为扁平螺线管型，绕制在接收端磁芯上。
24.优选地，接收端磁芯的形状包括长方体。
25.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，通过将发射线圈分为串联的两部 分并在线圈中间添加梳齿状铁氧体片，线圈外设置阶梯状磁芯，在第二节阶梯上 设置梳齿状铁氧体片，使得发射端铁氧体内磁通密度分布均匀，防止发射端磁芯 饱和，提高发射端磁芯利用率，适用于远距离大电流的无线电能传输系统。
附图说明
26.图1是单发射线圈磁芯内部磁通密度沿水平方向分布图；
27.图2是本发明一种特高压输电线路上在线监测设备用无线电能传输耦合机 构的原理示意图；
28.图3是本发明一实施例中发射端的示意图；
29.图4是本发明一实施例中接收端的示意图；
30.图2至4中的附图标记说明如下：
31.1-发射线圈；1a-第一线圈；1b-第二线圈；
32.2-发射端磁芯；21-第一磁芯块；22-第二磁芯块；23-第三磁芯块；24-第四磁 芯块；25-第五磁芯块；
33.3-接收线圈；4-接收端磁芯；5-磁芯片；
34.l-发射端磁芯的总长度，也是接收端磁芯的总长度；
35.图5是本发明优选实施例中，单发射线圈和两段串联发射线圈磁芯内部磁通 密度分布的对比示意图；
36.图6是本发明优选实施例中，单发射线圈、两段串联发射线圈和本发明提出 的发射线圈磁芯内部磁通密度分布的对比示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本 发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
38.如图2，一种500kv输电线路上在线监测设备用无线电能传输耦合机构，机 构主体包括：发射端和接收端；发射端包括发射线圈1和发射端磁芯2，接收端 包括接收线圈3和接收端磁芯4。
39.本发明优选实施例中，无线电能传输耦合机构的传输距离为4～5l，其中l 为发射端磁芯2的总长度。本发明优选实施例中，l还是接收端磁芯4的总长 度。
40.如图3，本发明提出的无线电能传输耦合机构中，发射线圈1包括串联连接 的第一线圈1a和第二线圈1b；
41.发射端磁芯2包括第一磁芯块21、第二磁芯块22、第三磁芯块23、第四磁 芯块24和第五磁芯块25；
42.第一线圈1a绕制在第一磁芯块21的一端，第二线圈1b绕制在第一磁芯块 21的另一端；
43.第一磁芯块21的一端连接第二磁芯块22的一端，第二磁芯块22的另一端 连接第四磁芯块24；
44.第一磁芯块21的另一端连接第三磁芯块23的一端，第三磁芯块23的另一 端连接第五磁芯块25；
45.其中，第二磁芯块22和第三磁芯块23高度相同，且第二磁芯块22和第三 磁芯块23的高度低于第一磁芯块21的高度；第四磁芯块24和第五磁芯块25高 度相同，且第四磁芯块24和第五磁芯块25的高度低于第二磁芯块22和第三磁 芯块23的高度。
46.第一磁芯块21、第四磁芯块24和第五磁芯块25上均等间距的梳齿状布置 磁芯片
5。
47.磁芯片5为铁氧体片；铁氧体片的宽度为0.1～1cm，梳齿状布置的间距与铁 氧体片的宽度相同。
48.第一线圈1a和第二线圈1b的尺寸相同，均为长方形螺线管型线圈。
49.第一线圈1a和第二线圈1b为同一根利兹线同方向绕制而成。
50.第一线圈1a和第二线圈1b的间距为0.25～0.5l，其中l为发射端磁芯2的 总长度。本发明优选实施例中，l还是接收端磁芯4的总长度。
51.第一磁芯块21为长方体铁氧体条，长度为0.25～0.5l，其中l为发射端磁芯 2的总长度。本发明优选实施例中，l还是接收端磁芯4的总长度。
52.值得注意的是，本发明优选实施例中，第一磁芯块的长度是一种非限制性的 较优选择，本领域技术人员可以根据实际情况设计第一磁芯块的长度。
53.第二磁芯块22和第三磁芯块23均为长方体铁氧体条；第二磁芯块22和第 三磁芯块23的长度相同，均为0.25～0.1l；第二磁芯块22和第三磁芯块23的高 度相同，均为0.6～0.9h，其中h为第一磁芯块21的高度。本发明优选实施例中， h还是接收端磁芯4的高度。
54.值得注意的是，本发明优选实施例中，第二磁芯块和第三磁芯块的长度，第 二磁芯块和第三磁芯块的高度，均是一种非限制性的较优选择，本领域技术人员 可以根据实际情况设计第二磁芯块和第三磁芯块的长度和高度。
55.第四磁芯块24和第五磁芯块25均为长方体铁氧体条，第四磁芯块24和第 五磁芯块25的长度相同，均为第二磁芯块22和第三磁芯块23的长度；第四磁 芯块24和第五磁芯块25的高度相同，均为0.3～0.5h，其中h为第一磁芯块21 的高度。本发明优选实施例中，h还是接收端磁芯4的高度。
56.值得注意的是，本发明优选实施例中，第四磁芯块和第五磁芯块的长度，第 四磁芯块和第五磁芯块的高度，均是一种非限制性的较优选择，本领域技术人员 可以根据实际情况设计第四磁芯块和第五磁芯块的长度和高度。
57.如图4，接收端线圈3为扁平螺线管型，绕制在接收端磁芯4上。
58.优选地，接收端磁芯3的形状包括长方体。实际上，对于接收端磁芯3的形 状没有限制。
59.基于上述分析，为了防止铁芯饱和，需要降低单发射线圈下方产生的磁通尖 峰，本发明采用两个发射线圈同方向串联的方式作为发射源，如图5所示为单发 射线圈和两段串联发射线圈磁芯内部磁通密度沿水平方向分布图，由图可知采用 两段串联的发射线圈使得磁场在磁芯中形成两个较低磁通尖峰位，分别于线圈下 方，有效降低了磁芯中的磁通尖峰，起到了防止磁芯饱和的作用。
60.由图6可知，当采用两段串联发射线圈时两个线圈之间的磁芯中的磁通下 降，这种情况在磁芯长度远大于线圈长度时将更明显，同时磁芯边缘的磁通密度 较小，因此需要对磁芯进行优化设计。如图3所示为本发明与上述两种设计的发 射端磁芯中磁通密度分布效果对比图，由上分析可知，可根据磁通密度高低调整 磁芯厚度，本发明降低了线圈之间的磁芯高度，同时为了提高线圈之间的磁通密 度使其与两段串联发射线圈在磁芯内产生的磁通尖峰一致，本发明在线圈之间的 磁芯上添加了梳齿状磁片。在磁芯边缘同样通过降低磁芯高度同时添加梳齿状磁 片来使磁芯边缘磁链聚集，提高磁芯边缘处磁通密度，使磁
芯内整体磁通分布均 匀、减少了磁芯的用量，降低成本，同时采用梳齿状磁片相比于磁块更利于散热， 减少磁芯损耗，提高系统效率。
61.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，通过将发射线圈分为串联的两部 分并在线圈中间添加梳齿状铁氧体片，线圈外设置阶梯状磁芯，在第二节阶梯上 设置梳齿状铁氧体片，使得发射端铁氧体内磁通密度分布均匀，防止发射端磁芯 饱和，提高发射端磁芯利用率，适用于远距离大电流的无线电能传输系统。
62.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述， 但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽 的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限 制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明 的保护范围之内。