采用伞形绝缘子的多中继MC-WPT系统及其线圈参数确定方法

本发明涉及磁耦合无线电能传输(mc-wpt)，尤其涉及采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统及其线圈参数确定方法。

背景技术：

1、磁耦合无线电能传输(magnetically-coupled wireless power transfer,mc-wpt)技术具有天然的电气隔离特性，通过嵌入中继线圈能够延伸传输距离实现米级范围内的高效率传输。将该技术运用于高压输电线路在线监测设备供电，能够在实现无线电能传输的同时满足不同电压等级高压输电线安全绝缘距离的要求，在解决高压输电线路在线监测设备终端可靠供电问题具有广阔的应用前景。大小伞形绝缘子结构在淋雨和融冰条件下防闪络性能都较好，且结构设计相对简单，因此得到了更广泛的应用。

2、现有的多中继mc-wpt系统耦合机构多采用等大小的线圈结构形式，无法满足大小伞形等多种形式的绝缘子应用。

技术实现思路

1、本发明提供采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统及其线圈参数确定方法，解决的技术问题在于：如何在多中继mc-wpt系统耦合机构应用大小伞形绝缘子结构，并使系统具有较高的传输效率和输出功率。

2、为解决以上技术问题，本发明提供采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统，设有多中继耦合机构，该多中继耦合机构包括大小交替的n个伞形绝缘子，以及等间隔d顺序嵌设在所述大小交替伞形绝缘子中的发射线圈、n-2个中继线圈和接收线圈，n为大于等于3的奇数；所述大小交替伞形绝缘子的第奇数个绝缘子采用相同的大伞裙、第偶数个绝缘子采用相同的小伞裙；所述发射线圈、第偶数个中继线圈、接收线圈采用线圈外半径为r、线径为ra、匝数为nr、匝间距为da的大平面圆形螺旋线圈，第奇数个中继线圈采用外半径为r、线径为ra、匝数为nr、匝间距为da的小平面圆形螺旋线圈；该多中继耦合机构的参数满足约束条件：

3、

4、其中，rmd表示根据绝缘子芯棒尺寸确定的线圈最小内径，p1和p2分别为绝缘子芯棒外缘到大伞裙和小伞裙的外缘的距离，表示向下取整，d表示传输总距离。

5、优选地，线径ra和匝间距da根据工程应用场景需求确定；传输总距离d根据高压输电线路电压等级所要求安全绝缘距离所确定；线圈个数n根据绝缘子规格确定。

6、优选地，大线圈外半径r、小线圈外半径r、大线圈匝数nr、小线圈匝数nr采用如下步骤确定：

7、以系统效率和输出功率为优化目标函数，表示为线圈参数r、r、nr、nr与系统效率和输出功率的计算关系式；

8、根据约束条件确定r、r的变化范围，并在r、r的变化范围内确定具体半径时的匝数变化范围；

9、计算r、r的变化范围内每一具体半径时的匝数变化范围内的每一匝数的系统效率和输出功率；

10、确定最大系统效率所对应的r、r、nr、nr为实现系统最大传输效率的线圈参数；确定系统最大输出功率所对应的r、r、nr、nr为实现系统最大输出功率的线圈参数；

11、根据实际需求确定选择实现系统最大传输效率的线圈参数还是实现系统最大输出功率的线圈参数。

12、优选地，该多中继耦合机构采用lcc-s型补偿拓扑，即发射线圈采用lcc型补偿网络，所有中继线圈和接收线圈采用s型补偿网络，且发射线圈的自感l1需满足l1>lf1，lf1为lcc型补偿网络中的串联补偿电感。

13、本发明还提供一种采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统的线圈参数确定方法，其关键在于，包括步骤：

14、s1、确定系统电路结构以及除r、r、nr、nr外的其他参数；

15、s2、确定与r、r、nr、nr相关的系统传输效率表达式和系统输出功率表达式；

16、s3、根据约束条件确定r、r的变化范围，并在r、r的变化范围内确定具体半径时的匝数变化范围，并根据系统传输效率表达式和系统输出功率表达式计算r、r的变化范围内每一具体半径时的匝数变化范围内的每一匝数的系统效率和输出功率；

17、s4、确定最大系统效率所对应的r、r、nr、nr为实现系统最大传输效率的线圈参数；确定系统最大输出功率所对应的r、r、nr、nr为实现系统最大输出功率的线圈参数；

18、s5、根据实际需求确定选择实现系统最大传输效率的线圈参数还是实现系统最大输出功率的线圈参数。

19、进一步地，所述步骤s3具体包括步骤：

20、s31、确定r的循环增量rg和r的循环增量rg，以及在r、r的变化范围内确定r、r的初始值r0、r0；

21、s32、从r0、r0开始，每次增加rg和rg，并执行步骤s33至s36的循环；

22、s33、判断当前r、r是否超出外径变化范围，若否则根据约束条件确定当前r、r所对应的匝数变化范围，并确定线圈匝数初始值然后进入步骤s34，若是则跳转至步骤s4；

23、s34、判断当前线圈匝数值是否超出该外径的匝数变化范围，若是则返回至步骤s33，若否则计算当前线圈匝数值所对应的效率和输出功率，并进入步骤s35；

24、s35、与当前最大效率、最大输出功率进行对比，保存较大值作为当前最大效率、最大输出功率，并进入步骤s36；

25、s36、匝数加1后返回至步骤s34。

26、进一步地，在步骤s32中，交替增加rg、rg，每次增加rg或rg，执行一次步骤s33至s36的循环。

27、进一步地，在步骤s36中，匝数加1的线圈是步骤s32中增加了循环增量的线圈。

28、进一步地，在步骤s1中，系统电路结构为采用lcc-s型补偿拓扑，即发射线圈采用lcc型补偿网络，所有中继线圈和接收线圈采用s型补偿网络，且发射线圈的自感l1需满足l1>lf1，lf1为lcc型补偿网络中的串联补偿电感。

29、在步骤s1中，除r、r、nr、nr外的其他参数中，线径ra和匝间距da根据工程应用场景需求确定，传输总距离d根据高压输电线路电压等级所要求安全绝缘距离所确定，线圈个数n根据绝缘子规格确定。

30、本发明提供的采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统及其线圈参数确定方法，基于大小线圈交替的耦合机构能显著提升系统能效特性的分析，将多中继耦合机构设置成采用大小交替的伞形绝缘子，并等间隔d顺序嵌设发射线圈、中继线圈和接收线圈，发射线圈、第偶数个中继线圈、接收线圈采用线圈外半径为r、线径为ra、匝数为nr、匝间距为da的大平面圆形螺旋线圈，第奇数个中继线圈采用外半径为r、线径为ra、匝数为nr、匝间距为da的小平面圆形螺旋线圈。并且，为了获得较高的传输效率和输出功率，对r、nr、r、nr进行参数设计。实验结果表明，应用本发明的多中继mc-wpt系统相比普通等大小线圈结构形式，系统传输效率和输出功率均有大幅度的提升。

技术特征：

1.采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统，其特征在于，设有多中继耦合机构，该多中继耦合机构包括大小交替的n个伞形绝缘子，以及等间隔d顺序嵌设在所述大小交替伞形绝缘子中的发射线圈、n-2个中继线圈和接收线圈，n为大于等于3的奇数；所述大小交替伞形绝缘子的第奇数个绝缘子采用相同的大伞裙、第偶数个绝缘子采用相同的小伞裙；所述发射线圈、第偶数个中继线圈、接收线圈采用线圈外半径为r、线径为ra、匝数为nr、匝间距为da的大平面圆形螺旋线圈，第奇数个中继线圈采用外半径为r、线径为ra、匝数为nr、匝间距为da的小平面圆形螺旋线圈；该多中继耦合机构的参数满足约束条件：

2.根据权利要求1所述的采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统，其特征在于：线径ra和匝间距da根据工程应用场景需求确定；传输总距离d根据高压输电线路电压等级所要求安全绝缘距离所确定；线圈个数n根据绝缘子规格确定。

3.根据权利要求2所述的采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统，其特征在于，大线圈外半径r、小线圈外半径r、大线圈匝数nr、小线圈匝数nr采用如下步骤确定：

4.根据权利要求3所述的采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统，其特征在于：该多中继耦合机构采用lcc-s型补偿拓扑，即发射线圈采用lcc型补偿网络，所有中继线圈和接收线圈采用s型补偿网络，且发射线圈的自感l1需满足l1>lf1，lf1为lcc型补偿网络中的串联补偿电感。

5.根据权利要求1～4任一项所述的采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统的线圈参数确定方法，其特征在于，包括步骤：

6.根据权利要求5所述的采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统的线圈参数确定方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括步骤：

7.根据权利要求6所述的采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统的线圈参数确定方法，其特征在于：在步骤s32中，交替增加rg、rg，每次增加rg或rg，执行一次步骤s33至s36的循环。

8.根据权利要求6所述的采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统的线圈参数确定方法，其特征在于：在步骤s36中，匝数加1的线圈是步骤s32中增加了循环增量的线圈。

9.根据权利要求5所述的采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统的线圈参数确定方法，其特征在于：在步骤s1中，系统电路结构为采用lcc-s型补偿拓扑，即发射线圈采用lcc型补偿网络，所有中继线圈和接收线圈采用s型补偿网络，且发射线圈的自感l1需满足l1>lf1，lf1为lcc型补偿网络中的串联补偿电感。

10.根据权利要求5所述的采用伞形绝缘子的多中继mc-wpt系统的线圈参数确定方法，其特征在于：在步骤s1中，除r、r、nr、nr外的其他参数中，线径ra和匝间距da根据工程应用场景需求确定，传输总距离d根据高压输电线路电压等级所要求安全绝缘距离所确定，线圈个数n根据绝缘子规格确定。

技术总结本发明涉及磁耦合无线电能传输(MC‑WPT)技术领域，具体公开了一种采用伞形绝缘子的多中继MC‑WPT系统及其线圈参数确定方法，将多中继耦合机构设置成采用大小交替的伞形绝缘子，并等间隔d顺序嵌设发射线圈、中继线圈和接收线圈，发射线圈、第偶数个中继线圈、接收线圈采用线圈外半径为R、线径为r<subgt;a</subgt;、匝数为N<subgt;R</subgt;、匝间距为d<subgt;a</subgt;的大平面圆形螺旋线圈，第奇数个中继线圈采用外半径为r、线径为r<subgt;a</subgt;、匝数为N<subgt;r</subgt;、匝间距为d<subgt;a</subgt;的小平面圆形螺旋线圈。并且，为了获得较高的传输效率和输出功率，对R、N<subgt;R</subgt;、r、N<subgt;r</subgt;进行参数设计。实验结果表明，应用本发明的多中继MC‑WPT系统相比普通等大小线圈结构形式，系统传输效率和输出功率均有大幅度的提升。技术研发人员：左志平,陈柏合,王智慧,唐春森,简鸿博,吕涛受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25