一种可削弱电场辐射的CPT耦合器结构

本发明涉及无线电能传输领域，具体公开一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构，属于发电、变电或配电的。

背景技术：

1、与传统的有线充电和磁场耦合无线传能(inductive power transfer,ipt)方式相比，电场耦合无线传能(capacitive power transfer,cpt)具有成本低、重量轻、低电磁干扰(electro magnetic interference,emi)的优势，因而近年来得到迅速发展。然而，由于cpt网络耦合电容较小，其耦合器中将承受非常高的电压，这将导致耦合器外部产生电场辐射区域，过高的电场强度将会危害人体安全。

2、cpt系统的耦合器通常采用的四极板耦合器构成能量回路，同侧极板水平放置，由于边缘效应和交叉耦合将在空间内分布电场辐射区域。为了减小电场辐射，有研究提出了叠层式极板结构，将四块极板垂直放置在一起，可以减小对外辐射区域，然而这样的结构会减小原副边等效互容。还有研究提出基于屏蔽极板的六极板结构，在原有的水平式四极板基础的上方和下方增加屏蔽层极板，但这增加了极板面积，增加了耦合器的成本，同时通常情况下的屏蔽极板的范围较大，也会增加一定的耦合器占地面积。也有cpt系统采用八极板的叠层式耦合器，在每块极板的外部增加一块同面积的极板，这也具有一定的屏蔽效果，并且不会影响原副边等效互容，但使用的极板面积为原来的两倍，也会一定程度增加纵向的高度，增大耦合器体积，增加系统成本。

3、为降低cpt系统耦合器对外电场辐射区域，降低对人体带来的危害，当前所提出的cpt耦合器结构方法或增加极板面积，增加系统成本；或在相同的极板面积下会减小原副边等效互容。因此，削弱耦合器对外电场辐射强度的同时，不增加耦合器的极板的面积且保持原副边等效互容是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提出一种可降低电场耦合式无线传能系统中对外电场辐射强度的耦合器结构。本发明针对耦合器中存在的对外辐射电场区域会危害人体健康的现状，通过水平交错分布的耦合器结构实现有效减少对外辐射电场强度且不增加极板面积、维持原副边等效互容的发明目的，解决为降低对外电场辐射当前所提出的基于屏蔽层极板耦合器以增加极板面积为代价或基于叠层型耦合器结构以降低等效互容为代价的技术问题。

2、本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

3、一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构，包括与传统四极板耦合器极板总面积相同的4组极板，其中，2组极板位于原边侧，2组极板位于副边侧，原边侧的1组极板与副边侧的1组极板配对为一极板对，且相邻极板对电压相位相反；其中，每组极板至少包含2块极板，且每组极板中包含的极板在同一侧水平交错分布并通过导线连接。

4、作为一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构的再进一步优化方案，每组极板中包含的极板在同一侧水平交错分布具体为按照如下规则确定每组极板中各极板的分布布置：当前极板与前一块极板位于同一对角线上，当前极板与下一块极板位于同一对角线上。

5、作为一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构的更进一步优化方案，记位于原边侧的2组极板为a组极板和c组极板，位于副边侧的2组极板为b组极板和d组极板，各组极板在原边侧和副边侧水平分布后得到2(m×n)块极板，m、n均为正整数且不能同时为1，2(m×n)≠4，m和n分别表示在一侧水平面内x方向和y方向上的极板个数，记录各极板在同一侧水平面内的位于x或y方向上的位置坐标；

6、当m为奇数时，位于(m，2k+1)的极板为a组极板或c组极板，(m，2k)的极板为b组极板或d组极板；当m为偶数时，位于(m，2k+1)的极板为b组极板或d组极板，(m，2k)的极板为a组极板或c组极板；当n为奇数时，位于(2k+1，n)的极板为a组极板或c组极板，(2k，n)的极板为b组极板或d组极板；当n为偶数时，位于(2k+1，n)的极板为b组极板或d组极板，位于(2k，n)的极板为a组极板或c组极板，k为自然数。

7、作为一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构的更进一步优化方案，对于极板对中位于(α，β)的耦合极板，若α+β为偶数，则耦合极板中的副边极板为c组极板，耦合极板中的原边极板为a组极板；若α+β为偶数，则耦合极板中的副边极板为d组极板，耦合极板中的原边极板为b组极板。

8、作为一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构的更进一步优化方案，传统四极板耦合器极板总面积为s1＝4(la·lb)，每组极板中包含的极板在两侧水平交错分布后的极板总面积为s2＝2·m·n·(lm·ln)，s1＝s2，其中，la、lb分别为传统四极板耦合器中每块极板的长和宽，lm、ln分别为每组极板中每块极板的长和宽。

9、本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

10、(1)本发明提出可降低电场耦合式无线传能系统中对外电场辐射强度的耦合器结构，通过对传统四极板耦合器中的各极板进行水平交错分布设计，在施加相同的电压激励下，相比于传统的四极板结构可以有效降低对外电场辐射区域，降低对人体安全的危害。

11、(2)本发明所提出的结构在传统四极板结构相比，不改变原副边等效互容，不影响功率传输能力。

12、(3)本发明所提出的结构不用额外增加耦合器极板材料，无需增加系统耦合器成本。

技术特征：

1.一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构，其特征在于，包括与传统四极板耦合器极板总面积相同的4组极板，其中，2组极板位于原边侧，2组极板位于副边侧，原边侧的1组极板与副边侧的1组极板配对为一极板对，且相邻极板对电压相位相反；其中，每组极板至少包含2块极板，且每组极板中包含的极板在同一侧水平交错分布并通过导线连接。

2.根据权利要求1所述一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构，其特征在于，每组极板中包含的极板在同一侧水平交错分布具体为按照如下规则确定每组极板中各极板的分布布置：当前极板与前一块极板位于同一对角线上，当前极板与下一块极板位于同一对角线上。

3.根据权利要求1或2所述一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构，其特征在于，记位于原边侧的2组极板为a组极板和c组极板，位于副边侧的2组极板为b组极板和d组极板，各组极板在原边侧和副边侧水平分布后得到2(m×n)块极板，m、n均为正整数且不能同时为1，2(m×n)≠4，m和n分别表示在一侧水平面内x方向和y方向上的极板个数，记录各极板在同一侧水平面内的位于x或y方向上的位置坐标；

4.根据权利要求3所述一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构，其特征在于，对于极板对中位于(α，β)的耦合极板，若α+β为偶数，则耦合极板中的副边极板为c组极板，耦合极板中的原边极板为a组极板；若α+β为偶数，则耦合极板中的副边极板为d组极板，耦合极板中的原边极板为b组极板。

5.根据权利要求3所述一种可削弱电场辐射的cpt耦合器结构，其特征在于，所述传统四极板耦合器极板总面积为s1＝4(la·lb)，每组极板中包含的极板在两侧水平交错分布后的极板总面积为s2＝2·m·n·(lm·ln)，s1＝s2，其中，la、lb分别为传统四极板耦合器中每块极板的长和宽，lm、ln分别为每组极板中每块极板的长和宽。

技术总结
本发明涉及无线电能传输领域，公开一种可削弱电场辐射的CPT耦合器结构，属于发电、变电或配电的技术领域。该CPT耦合器结构通过将传统四极板耦合器分裂为任意个小极板进行交错分布，在不改变等效互容，不影响功率传输能力的前提下，该结构可以有效减少对外电场辐射强度，降低对人体带来的危害，并且无需增加额外的屏蔽层极板，不增加耦合器成本。

技术研发人员：曲小慧,李云笛,李成,刘景航,黄智聪
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/13