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CN114598236A - 基于可变电容的无线电机系统 - Google Patents

基于可变电容的无线电机系统 Download PDF

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CN114598236A CN202210312815.8A CN202210312815A CN114598236A CN 114598236 A CN114598236 A CN 114598236A CN 202210312815 A CN202210312815 A CN 202210312815A CN 114598236 A CN114598236 A CN 114598236A
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Abstract

本发明公开了一种基于可变电容的无线电机系统，包括发射端、接收端、开关磁阻电机，所述发射端包括可变电容，利用所述可变电容控制器调节延时角，输出两路互补的PWM波控制所述电容两端的电压，改变对外电路等效电容容值，从而调节发射线圈的谐振频率，所述发射线圈与发射端谐振电容谐振，将能量发送至所述接收端，所述接收端接收所述发射端传输的能量并产生电流驱动所述开关磁阻电机。本发明通过调节可变电容延时角，改变对外电路等效电容容值，从而调节发射线圈的谐振频率，实现了利用可变电容构成谐振网络进行多频率谐振，从而提高了无线电机系统的功率密度和可靠性，促进了无线电机系统的模块化发展。

Description

基于可变电容的无线电机系统
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种基于可变电容的无线电机系统。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术借助空间中的能量载体(如电场，磁场等)将能量从电源传输至负载侧。在电磁波产生的交变磁场中，根据距离场源的远近可将其分为远场(辐射场)和近场(感应场)。而根据无线电能传输依赖的载体不同，近场无线电能传输通常又可分为电场耦合式和磁场耦合式无线电能传输。由于磁场对人体的危害较小，传输功率较大，传输效率较高，以及基于电场耦合式无线电能传输技术在电容极板制造工艺上所遇到的瓶颈，目前磁场耦合式无线电能传输在产业界及学术界受到了较多的关注。
磁场耦合式无线电能传输又可分为感应式和谐振式。如图1谐振式的基本原理图所示，记发射线圈与发射端谐振电容的阻抗为X1，接收线圈与接收端谐振电容的阻抗为X2，负载阻抗为R。该系统中当交流电压源的频率使发射线圈与发射端谐振电容，接收线圈与接收端谐振电容谐振时，接收线圈折算至发射端的阻抗为
Figure BDA0003568991640000011
忽略器件的寄生参数，负载得到的功率为
Figure BDA0003568991640000012
其中Us为交流电压源电压的有效值。此时负载获得的功率最大。当发射线圈与发射端谐振电容，接收线圈与接收端谐振电容不处在谐振状态时，负载得到的有功功率为
Figure BDA0003568991640000021
此时负载得到的有功功率小于处于谐振状态时负载得到的有功功率，即只要调制交流电压源输出的频率ω可控制电源向负载传输的有功功率。基于此原理，可以实现单发射线圈向多接收线圈分时传输能量。
如图2所示，目前，无线电机因其无需电气连接，便于维护，可靠性高的优点，在众多工业场景中得到了广泛应用，较直流电机而言，开关磁阻电机在本体结构，可靠性，成本，高速性能等方面均具有显著优势，因此近年来在航空航天，飞轮储能等领域均有应用。开关磁阻电机的基本原理是磁阻最小原理，即磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，因而转子的磁极总是会闭合到与定子通电的磁极处在同一轴线位置。在图2的系统中，通过控制电容补偿网络中电容的接入与断开，可以改变发射线圈的谐振频率，从而向不同的负载线圈传送能量，进而驱动开关磁阻电机。然而，该设计具有不可避免的缺陷：谐振电容的容值仅能在有限个值之内变化，且通常需要多个电容并联以提升电容的容值，不利于谐振电容的模块化，集成化与功率密度的提高。因此需要设计一种通过可变电容改变对外电路等效电容，且利于谐振电容模块化、集成化的无线电机系统。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于解决现有技术中谐振电容的容值仅能在有限个值之内变化，且谐振电容不能模块化、集成化的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于可变电容的无线电机系统，包括：
发射端，包括可变电容，所述可变电容与逆变器和发射线圈串联连接，其中，所述两个MOSFET栅极与可变电容控制器连接，构成可变电容控制端，所述可变电容控制端与电容并联，用于利用所述可变电容控制器调节延时角，输出两路互补的PWM波控制所述电容两端的电压，改变对外电路等效电容容值后传输能量至所述接收端；
接收端，用于接收所述发射端传输的能量并产生电流驱动开关磁阻电机。
优选地，所述对外电路等效电容容值Csc计算公式如下：
Figure BDA0003568991640000031
其中，Cα为不控电容的容值，α为PWM脉冲信号的延时角。
优选地，所述开关磁阻电机与传感器连接，所述传感器用于采集所述开关磁阻电机转速及位置信息；
所述传感器包括：
位置传感器，用于检测所述开关磁阻电机转子所处位置及状态；
速度传感器，用于采集所述开关磁阻电机的转速信息。
优选地，所述传感器与蓝牙装置连接，用于将所述传感器采集到的信息传输至所述发射端。
优选地，所述发射端中总控制器，分别与所述逆变器和所述可变电容连接，用于将所述蓝牙装置传输的信息与目标角速度作差，计算出所述开关磁阻电机所需电流，控制逆变器输出交流电方波的频率和脉宽，并改变所述可变电容的控制信号。
优选地，所述可变电容控制器根据所述总控制器的调节信号调节延时角。
优选地，所述接收端中接收端谐振网络，与桥式整流桥连接，用于接收所述发射端传输的能量并产生电流；
所述桥式整流器，与开关磁阻电机连接，用于将所述接收端谐振网络产生的电流转换为直流电，驱动所述开关磁阻电机。
优选地，所述接收端谐振网络包括：
多个接收线圈，每个接收线圈都连接一个桥式整流器，所述多个接收线圈中，每个接收线圈具有不同谐振频率，通过改变所述发射线圈的谐振频率，指定接收线圈接收能量。
优选地，所述桥式整流器使用不控整流桥。
优选地，包括如权利要求1-9中任意一项所述的基于可变电容的无线电机系统。
本发明所提供的一种基于可变电容的无线电机系统，其所述可变电容包括两个MOSFET、电容和可变电容控制器，利用所述可变电容控制器调节PWM脉冲信号的延时角，输出两路互补的PWM波控制所述电容两端的电压，改变对外电路等效电容容值，从而改变所述发射线圈的谐振频率，进而驱动所述开关磁阻电机，解决了现有技术中谐振电容的容值仅能在有限个值之内变化的问题，实现了谐振电容的模块化、集成化，提升了无线电机系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为谐振式的基本原理图；
图2为现有无线电机系统结构示意图；
图3为本发明所提供基于可变电容的无线电机系统的结构示意图；
图4为6/4极开关磁阻电机电流导通角示意图；
图5为本发明所提供的一种基于可变电容的无线电机系统的控制框图；
其中，直流电源1，直流电容2，逆变器3，总控制器4，蓝牙5，可变电容6，可变电容内部结构图7，发射线圈8，接收端谐振网络9，桥式整流器10，开关磁阻电机11，位置传感器12，蓝牙13。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于可变电容的无线电机系统，提高了功率密度，实现了谐振电容模块化、集成化发展。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图3，本发明提供的基于可变电容的无线电机系统，包括：
发射端、接收端、开关磁阻电机、传感器、蓝牙。
所述发射端，包括可变电容，所述可变电容与逆变器和发射线圈串联连接，其中，所述可变电容中两个二极管分别与两个MOSFET并联，所述两个MOSFET栅极与可变电容控制器连接，构成可变电容控制端，所述可变电容控制端与电容并联，用于利用所述可变电容控制器调节延时角，输出两路互补的PWM波控制所述电容两端的电压，改变对外电路等效电容容值后传输能量至所述接收端；
直流电源，可由220V市电整流得到；
直流电容，用于稳定整流得到的直流电；
所述传感器与开关磁阻电机连接，包括：
位置传感器，用于检测所述开关磁阻电机所处位置及状态；
速度传感器，用于采集所述开关磁阻电机的转速信息。
所述蓝牙装置，用于将所述传感器采集到的信息传输至所述总控制器；
所述总控制器，用于将所述传感器采集到的信号与目标角速度做差，计算出所述开关磁阻电机所需电流，控制所述逆变器输出交流电方波的频率和脉宽，并发送调节信号至所述可变电容；
所述逆变器，用于将直流电逆变为与所述发射线圈谐振频率相同的交流电；
所述发射线圈，用于与发射端谐振电容谐振，发射能量。
所述接收端包括接收端谐振网络、桥式整流器；
所述接收端谐振网络，用于接收所述发射线圈发射的能量，其中，所述接收端谐振网络包括多个接收线圈，所述多个接收线圈中，每个接收线圈具有不同谐振频率，通过改变所述发射线圈的谐振频率，指定接收线圈接收能量。
所述桥式整流器，使用不控整流桥，用于将所述接收端谐振网络转化的交流电能整流为直流电驱动所述开关磁阻电机。
本实施例以6/4极开关磁阻电机为例，如图4所示，记其三相分别为A相、B相和C相，各相的电流导通角均为120°，所述发射端分时选择接收功率的相，当开关磁阻电机的定子磁极接收到来自发射端的电流时，定子将产生相应的磁通，根据磁阻最小原理，磁通将沿着磁阻最小的路径闭合，即转子将会旋转至其轴与定子磁极的轴重合处。分时向定子的各个磁极通以电流，产生相应的磁通，即可使转子旋转360度。
本实施例所提供的基于可变电容的无线电机系统，通过改变可变电容的容值可直接实现给任意个负载传输能量，使用可变电容代替现有技术中的电容补偿网络进行多频率谐振，从而提高了无线电机系统的功率密度和可靠性，促进了无线电机系统的模块化发展。使用不控整流桥更加便于所述无线电机后期的保养维护。
基于上述实施例，本实施例重点对所述基于可变电容的无线电机系统工作流程进行阐述，请参考图5，图5为本发明所提供的基于可变电容的无线电机系统的控制框图，具体操作步骤如下：
步骤S501：利用所述传感器采集所述开关磁阻电机的转速及位置信息；
步骤S502：利用所述蓝牙将所述传感器采集的开关磁阻电机信息发送至所述总控制器；
步骤S503：利用所述总控制器将所述蓝牙发送的信号与目标角速度做差，计算出所述开关磁阻电机所需电流，控制所述逆变器输出交流电方波的频率和脉宽，并调节可变电容的延时角；
步骤S504：所述可变电容控制器根据所述调节信号调节PWM脉冲信号的延时角α，输出两路互补的PWM波控制电容两端电压，改变对外电路等效电容容值Csc，从而调节发射线圈的谐振频率；
其中，所述对外电路等效电容容值计算公式如下：
Figure BDA0003568991640000071
Cα为不控电容的容值。
步骤S505：所述发射线圈与发射端谐振电容谐振，发射能量；
步骤S506：所述接收端谐振网络中与所述发射线圈谐振频率一致的接收线圈接收所述发射线圈发射的能量。
步骤S507：利用所述桥式整流器将所述交流电能整流为直流电，驱动所述开关磁阻电机。
本实施例所提供的基于可变电容的无线电机系统利用可变电容代替了现有技术中电容补偿网络进行谐振，通过所述可变电容调节PWM脉冲信号的延时角α，输出两路互补的PWM波控制电容两端电压，改变对外电路等效电容容值，从而调节发射线圈的谐振频率，实现了利用可变电容构成谐振网络进行多频率谐振，从而提高了无线电机系统的功率密度和可靠性，促进了无线电机系统的模块化发展。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的一种基于可变电容的无线电机系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于可变电容的无线电机系统，其特征在于，包括：
发射端，包括可变电容，所述可变电容与逆变器和发射线圈串联连接，其中，所述两个MOSFET栅极与可变电容控制器连接，构成可变电容控制端，所述可变电容控制端与电容并联，用于利用所述可变电容控制器调节延时角，输出两路互补的PWM波控制所述电容两端的电压，改变对外电路等效电容容值后传输能量至所述接收端；
接收端，用于接收所述发射端传输的能量并产生电流驱动开关磁阻电机。
2.如权利要求1所述基于可变电容的无线电机系统，其特征在于，所述对外电路等效电容容值Csc计算公式如下：
Figure FDA0003568991630000011
其中，Cα为不控电容的容值，α为PWM脉冲信号的延时角。
3.如权利要求1所述基于可变电容的无线电机系统，其特征在于，所述开关磁阻电机与传感器连接，所述传感器用于采集所述开关磁阻电机转速及位置信息；
所述传感器包括：
位置传感器，用于检测所述开关磁阻电机转子所处位置及状态；
速度传感器，用于采集所述开关磁阻电机的转速信息。
4.如权利要求3所述基于可变电容的无线电机系统，其特征在于，所述传感器与蓝牙装置连接，用于将所述传感器采集到的信息传输至所述发射端。
5.如权利要求4所述基于可变电容的无线电机系统，其特征在于，所述发射端中总控制器，分别与所述逆变器和所述可变电容连接，用于将所述蓝牙装置传输的信息与目标角速度作差，计算出所述开关磁阻电机所需电流，控制逆变器输出交流电方波的频率和脉宽，并改变所述可变电容的控制信号。
6.如权利要求5所述基于可变电容的无线电机系统，其特征在于，所述可变电容控制器根据所述总控制器的调节信号调节延时角。
7.如权利要求1所述基于可变电容的无线电机系统，其特征在于，所述接收端中接收端谐振网络，与桥式整流桥连接，用于接收所述发射端传输的能量并产生电流；
所述桥式整流器，与开关磁阻电机连接，用于将所述接收端谐振网络产生的电流转换为直流电，驱动所述开关磁阻电机。
8.如权利要求7所述基于可变电容的无线电机系统，其特征在于，所述接收端谐振网络包括：
多个接收线圈，每个接收线圈都连接一个桥式整流器，所述多个接收线圈中，每个接收线圈具有不同谐振频率，通过改变所述发射线圈的谐振频率，指定接收线圈接收能量。
9.如权利要求8所述基于可变电容的无线电机系统，其特征在于，所述桥式整流器使用不控整流桥。
10.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的基于可变电容的无线电机系统。
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