[发明专利]一种高效宽范围功率可调无线电能传输系统及控制方法

权利要求书

1.一种高效宽范围功率可调无线电能传输系统，其特征在于：该系统包括直流电源、高频逆变器、互感耦合磁路机构、原副边无功补偿机构、可变负载以及功率调节伺服控制机构，其中直流电源可以通过市电经过整流滤波获取，高频逆变器可以采用半桥式、全桥式或者推挽式等逆变电路；

所述的直流电源、高频逆变器、互感耦合磁路机构、原副边无功补偿机构和可变负载组成了一个典型的无线电能传输系统；

所述的功率调节伺服控制机构由负载电压检测电路、负载电流检测电路、数字信号处理器（DSP）、伺服控制器、电机以及电机与副边磁能拾取线圈之间的传动机构组成。

2.根据权利要求1所述的一种高效宽范围功率可调无线电能传输系统，其特征在于：互感耦合磁路机构是由原边磁能发射线圈和副边磁能拾取线圈组成，其中原边磁能发射线圈是由两个螺线管线圈构成，且两个螺线管线圈以并联方式连接在原边高频逆变器输出之后；副边磁能拾取线圈主要包含一个可在空间旋转的螺线管线圈。

3.根据权利要求1所述的一种高效宽范围功率可调无线电能传输系统，其特征在于：原边磁能发射线圈中两个螺线管线圈同垂直轴分布排列，且两个螺线管线圈材料、大小、匝数、电感参数完全一致，螺旋方向相同。

4.根据权利要求1所述的一种高效宽范围功率可调无线电能传输系统，其特征在于：副边磁能拾取线圈位于原边两个螺线管线圈之间中心位置，原边两个螺线管线圈之间间距大于副边磁能拾取线圈的直径和螺线管线圈长度，且副边磁能拾取线圈与原边两个螺线管线圈之间的具有相同的互感耦合关系。

5.根据权利要求1所述的一种高效宽范围功率可调无线电能传输系统，其特征在于：原边磁能发射线圈中两个螺线管线圈位置固定不变，副边磁能拾取线圈可在原边两个螺线管线圈之间的空间内围绕副边磁能拾取线圈水平轴旋转；副边磁能拾取线圈垂直轴线与原边两个螺线管线圈垂直轴线之间的夹角定义为线圈夹角α(0°≤α≤90°)，调节α即可改变副边磁能拾取线圈与磁场的感应耦合面的有效面积，从而改变原副边磁能线圈之间的耦合系数，达到调节系统输出功率的要求。

6.根据权利要求1所述的一种高效宽范围功率可调无线电能传输系统，其特征在于：原边磁能发射线圈中两个螺线管线圈和副边磁能拾取线圈的谐振补偿方式均采用串联电容谐振补偿结构；负载变化时，原副边磁能线圈同时采用串联谐振能保证系统输出频率的稳定性。

7.根据权利要求1所述的一种高效宽范围功率可调无线电能传输系统的控制方法，其特征在于：

（1）上电初始化：系统上电初始时刻，副边磁能拾取线圈垂直轴与原边两个螺线管线圈垂直轴位置呈正交分布，即线圈夹角α=90°，原副边磁能线圈之间的耦合系数为0，那么系统上电初始时刻，负载输出电压为0；

（2）设定负载功率需求值：设定负载需求功率，送入DSP芯片作为理论给定值；

（3）负载初始供电及负载输出电压和输出电流检测：线圈夹角α由90°减小一个电角度，从而使得负载拾取到一定的能量，通过电压互感器和电流互感器检测负载电压和电流；

（4）数据采样与处理：以数字信号处理器DSP作为控制核心，将负载电压和负载电流采样信号送入DSP芯片，通过计算获得实时负载输出功率，并与给定值进行比较，得到实际值与理论值误差；

（5）控制电机旋转角度，调节系统输出功率：根据误差信号，采用相关的控制算法，由DSP发出控制信号，经伺服控制器控制电机旋转，通过传动机构带动副边磁能拾取线圈精确调节线圈夹角α，改变原副边磁能线圈之间耦合系数，从而调节系统输出功率。