一种基于平面-曲面解耦线圈的旋转机构无线电能与信号并行传输技术

程 豪 周 玮 张泽恒 张一鸣 麦瑞坤

(西南交通大学电气工程学院 成都 611756)

摘要 在船舶、风电机组及轨道交通等领域,对转轴的状态监测越来越重要。如何为安装于旋转机构上的监测系统提供稳定可靠的电能,成为亟待解决且具有挑战性的难题。无线电能与信号并行传输是一个可行方案,它既适用于旋转结构的特殊应用场合,能够提供稳定可靠的电能,又能够实现轴端状态数据的回传,实时监测转轴的健康状态。但是,对于一些较大轴径的旋转机构,系统将会面临两个问题:①接收线圈过长,会导致损耗严重,且接收线圈包裹整个转轴,线圈整体全部通电,会产生严重的电磁辐射;②轴端接收侧的曲面能量线圈与信号线圈如何实现解耦。在此基础上,该文首先提出一种平面-曲面解耦线圈结构,分析能量线圈与信号线圈间的解耦关系。同时,系统的副边能量线圈采用分段方式,以减小电磁辐射和线圈损耗,并提出三母线的电路结构,克服线圈过渡段时的功率跌落。然后建立旋转机构无线电能与信号并行传输的等效电路,并分析系统的传输特性。最后,通过有限元法模拟和实验进行了验证。结果表明,所提平面-曲面解耦线圈结构,使得能量线圈与信号线圈之间的互感基本为0,三母线电路结构也将系统输出电压波动抑制在10%以内,实现了旋转机构无线电能与信号的并行传输,验证了所提方案的可行性。

关键词:旋转机构 电能与信号并行传输 平面-曲面解耦线圈 三母线电路结构

0 引言

随着我国工业化水平的不断提升,作为工业基础装备重要组成部分的旋转机构得到了广泛应用,旋转机构在航空航天、汽车制造、交通运输等领域发挥着重要作用。船舶的传动轴作为典型的大型工业设备旋转机构,其工作状态的实时监测对于确保船舶的航行安全、提高船舶运营效率、响应国家“双碳”战略具有重要意义。

图1给出船舶传动轴健康状态监测示意图,主要通过在旋转结构上装设高精度的状态传感器,如轴温传感器、应力传感器等。然而,传动轴等旋转部件在正常运行中处于高速旋转状态,无法通过线缆连接电源为监测传感器供电。目前,针对传动轴监测设备的供电方式主要包括电池供电和碳滑环供电两种。电池的寿命有限,需要频繁更换,难以维持监测设备长时间运行。此外,传动轴高速旋转时,碳滑环定转子之间时刻保持滑动接触,极易出现机械故障。因此,为传动轴上部署的监测设备供电具有挑战性。

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图1 船舶传动轴状态监测示意图

Fig.1 Ship transmission shaft condition

感应式电能传输(Inductive Power Transfer, IPT)作为一种新兴的供电技术[1-5],利用高频磁场进行电能传输,无需线缆接触供电,适用于传动轴等旋转机构的监测设备供电场景。然而,考虑到大型船舶的轴径较大,如果采用单一接收线圈的IPT系统,在运行过程中,整个接收线圈均通电,接收线圈上的损耗将非常大。此外,传动轴上装设有相应的电子设备,整个接收线圈带电造成的电磁干扰(Electro- Magnetic Interference, EMI)比较严重。因此,有学者研究了分段式IPT系统[6-7],通过将转轴划分为若干个区域,并在每个区域配置IPT系统的接收端,转轴旋转至特定位置只有对应的接收端工作,大大降低了系统的EMI以及线圈的功率损耗,同时提升了系统的传输效率。但是分段式IPT系统在接收端过渡段时,即接收端由转轴从第n-1个接收线圈正对发射线圈旋转至第n个接收线圈正对发射线圈的过程,发射线圈与接收线圈的正对面积减小,导致系统的互感降低,进而出现电压跌落,功率不稳定的问题。

现有的分段式IPT系统主要包括分段接收器直接串联/并联连接到单个整流器的交流端口和分段接收器分别连接到多个整流器,并且整流器的直流端口串联/并联连接四种电路结构,直接应用于旋转机构的无线电能传输会存在一些问题。整流器交流端口串联结构,相当于将分段线圈串联形成长线圈,仍然会存在较强的电磁辐射和线圈损耗。整流器交流端口并联结构,在某些轴径较大的转轴应用场景,连接整流器交流端口的线路会很长,造成额外的损耗和电磁辐射。整流器直流端口串联结构,虽然能够实现多个接收器输出电压的叠加,但是系统的输出电流将通过所有的整流器二极管,在接收器较多的情况下,二极管导通压降会导致系统输出电压下降和功率损耗增大。整流器直流端口并联结构,在转轴旋转过程中始终保证与发射线圈耦合面积最大的接收器输出功率,但是在接收线圈过渡段的时候,耦合面积减小会导致系统输出电压下降,功率不稳。因此,需要设计一种兼顾输出波动与系统损耗的电路结构。

同时,仅实现电能的无线传输并不足以满足监测传动轴工作状态的需求,监测传感器采集到的转速、温度等关键信息需要实时精确地传输至地面端进行数据处理分析,以监测传动轴的健康状态。目前的解决方案是在传动轴与地面端两侧各放置一个信号接收装置,以确保信号的稳定传输。这种方法不仅占用了有限的船舱空间,增加了系统的复杂性和成本,而且在金属船舱环境下,信号的传输效果仍然受到较大影响。随着无线电能传输技术的发展,为了实现系统的控制信息传输,提高系统的传输效率,进行了相应的无线电能与信号并行传输技术研究[8-9],该技术有望解决传动轴端状态信息传输至地面端存在的难题。

目前,无线电能与信号并行传输主要分为共享通道式、电能调制式和分离通道式三种[10-12]。共享通道式采用同一通道进行电能和信号的传输,电能传输容易对信号产生较强的串扰,需要增加额外的隔离电路,系统设计比较复杂[13-14]。电能调制式通过对电能发送端的电压幅值进行调制,以实现电能与信号的并行传输,该方法对电能传输的影响较大[15-16]。分离通道式采用物理上独立的两个传输通道分别传输电能与信号[17-18],在两个通道的耦合机构距离足够远的情况下,它们之间的交叉耦合可以忽略不计,能够实现电能与信号传输之间的零串扰。但考虑到船舶传动轴附近的安装空间较小,想要在有限空间内消除电能与信号传输之间的串扰,需要研究双通道耦合机构之间的解耦方法。文献[19]中提出多层结构的隔离方案以实现非期望耦合线圈间的磁交叉去耦。文献[20]提出了一种双同心解耦线圈的优化设计方案。目前,关于无线电能与信号并行传输的线圈解耦研究主要围绕平面-平面、曲面-曲面的线圈结构[21-24],没有针对平面-曲面结构的线圈解耦方法研究,并且没有围绕应用于旋转机构场景下,分段接收线圈与信号线圈解耦的相应研究。

综上所述,本文针对船舶传动轴等旋转机构的特定应用场景,提出了一种新的平面-曲面线圈解耦结构与整流后级三母线的电路结构,消除了系统两侧能量线圈与信号线圈之间的交叉耦合,实现了电能传输与信号传输之间的零串扰,同时保证分段接收线圈过渡段时系统输出波动降低,为船舶传动轴等旋转机构的状态监测提供了可行的新思路。

1 系统耦合机构建模分析

1.1 系统耦合结构

图2为本文所提出的系统平面-曲面解耦线圈结构示意图。图2a给出副边能量通道采用n个分段的双极DD线圈结构围绕在传动轴上,信号通道采用两个具有相同半径的同轴线圈串联组成,两个线圈的绕向相反,使得线圈中的电流反向,本文将其命名为双极环形(Bipolar Ring-Coils, BRC)线圈。系统的原边耦合机构装设在地面端,安装条件不受旋转结构限制,采用传统的DDQ线圈结构如图2b所示。图3进一步给出了多方位的耦合机构示意图。

此外,系统副边BRC线圈与DD线圈的解耦方法是受传统DDQ线圈的启发而提出的[25-26]。若参照能量线圈的绕制方式,将信号线圈绕制为平面Q线圈后再围绕于传动轴表面,在传动轴转动过程中会出现信号线圈过渡段情况,信号通道的耦合强度显著降低,会导致高速传输的信号受到影响。因此,本文提出了BRC线圈结构,两个串联的线圈在DD线圈产生的磁通方向一致,通过DD线圈的总磁通量为0,实现了BRC线圈与DD线圈的解耦,解耦效果不仅与传统DDQ线圈相同,而且避免了信号线圈过渡段的问题,提高了信号传输的稳定性。下面给出了BRC线圈与DD线圈解耦的理论推导和实验验证。

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图2 系统平面-曲面线圈耦合结构示意图

Fig.2 Schematic diagram of system plane-curved coil coupling structure

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图3 耦合机构多方位示意图

Fig.3 Multi-directional diagram of coupling mechanism

1.2 耦合机构等效电路模型

图4给出了系统副边BRC线圈和DD线圈的等效电路模型,规定DD线圈的磁通正方向为轴向朝外。因为流经电感Lsb1和电感Lsb2的电流方向相反,所以两个电感的同名端位于不同侧。而它们穿过DD线圈的磁通方向刚好一正一反,在等效电路上的表现形式为BRC线圈电感Lsb1Lsb2的同名端分别在DD线圈电感Lsg的同侧和异侧。利用电路理论,将线圈间的交叉耦合等效为与电感串联的电流控制电压源(Current Controlled Voltage Source, CCVS),可以得到图4b所示的等效电路。图中,Isb为流经电感Lsb1Lsb2的电流,Isg为流经电感Lsg的电流。Mb1g1Mb2g1分别为电感Lsg与电感Lsb1Lsb2的互感,Mb1b2为电感Lsb1Lsb2的互感。width=24,height=18width=24,height=18分别为电感Lsg中流过的电流在电感Lsb1Lsb2上产生的电压,width=24,height=18width=24.95,height=18分别为电感Lsb1和电感Lsb2中流过的电流在电感Lsg上产生的电压。

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图4 副边耦合机构等效电路

Fig.4 Secondary side coupling mechanism equivalent circuit diagram

根据基尔霍夫电压定律列写出线圈端口的电压表达式为

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式中,width=11,height=10为系统的频率;width=17,height=16为BRC线圈两端的电压;width=17,height=18为DD线圈两端的电压。流控电压源width=15,height=18i= b1, b2, g1; j=b1, b2, g1)可以表示为

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考虑线圈之间的同名端及电流流向,式(1)可以进一步列写为

width=168.95,height=60.95 (3)

定义

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式(3)可简化为

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式中,Lsb为BRC线圈的自感,由两个串联环形线圈的自感之和减去两者之间的互感得到;Lsg为DD线圈的自感;Meq为BRC线圈和DD线圈之间的互感。当Meq=0,即满足式(6)时,DD线圈与BRC线圈之间实现解耦。

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由于BRC线圈与DD线圈的解耦方法是从DDQ解耦线圈启发而得,副边耦合机构等效示意图如图5所示,当DDQ线圈中的DD线圈左右两边电流大小相同,方向相反,Q线圈的电流为零。并且DD线圈结构满足la=lbha=hb以及线圈匝数和线径均相等的条件,其中lalb分别是DD线圈左右部分的宽度,hahb分别为DD线圈左右部分的高度。此时DD线圈产生的左右磁场方向相反,穿过Q线圈的磁通量之和为0,因此,DDQ线圈之间的互感为0。图5中,DD线圈水平段的电流具有相同的值和相反的方向,线圈结构是对称的,水平段电流产生的磁场相互抵消。在此基础上,只有垂直段上的电流影响两个线圈之间的去耦,为了使线圈结构适用于旋转机构,将Q线圈垂直段通过z轴缠绕形成串联的同轴环形线圈(BRC线圈),BRC线圈与DD线圈呈对称结构,根据线圈磁场的无源闭合特性,分析DD线圈穿过BRC线圈的磁通路径,可以得到DD线圈在BRC线圈上产生的磁通效果与在Q线圈上完全一致。因此,DD线圈左右两边产生的磁通在穿过BRC线圈的磁耦合效果相互抵消,width=27,height=17= width=27,height=17,由此可得

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图5 副边耦合机构等效示意图

Fig.5 Equivalent diagram of the secondary side coupling mechanism

显然,BRC线圈与DD线圈之间的互感为零,两线圈之间实现了解耦效果。

2 系统电路结构及分析

系统采用本文所提平面-曲面解耦线圈结构,使得能量线圈与信号线圈之间完全解耦。系统电能与信号并行传输的系统电路结构如图6所示。图中,Ein为输入直流电源,S1~S4为构成全桥逆变器的开关管,L1为补偿电感,C1CpCs1Csn为补偿电容,Lp为发射线圈的自感,Ls1Lsn为分段接收线圈的自感,Mp1Mpn为发射线圈与分段接收线圈的互感,VD1~VD4为二极管,CL1CLn为整流后级的稳压电容,RL为系统的输出负载。能量通道采用LCC-S补偿拓扑的分段式IPT 系统,以实现系统的恒压输出。分段式IPT系统的整流后级采用三母线的电路结构,实现系统过渡段时相邻两个能量线圈的输出叠加,达到平稳输出的效果。信号通道采用幅移键控(Amplitude-Shift Keying, ASK)调制的方式,通过设计的信号传输电路,将传动轴上采集到的状态信息实时传输至地面端进行数据分析,满足传动轴健康状态的监测需求。

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图6 系统电路结构

Fig.6 System circuit structure diagram

2.1 能量通道传输特性

图7给出了系统能量传输通道的等效电路。系统采用LCC-S型补偿拓扑,实现恒压输出。整流后级采用三母线的电路结构,实现系统电能输出的波动抑制。三母线的电路结构通过在接收侧将线圈分成n段(n=2xx=2, 3, 4,…),线圈依据序号的奇偶性可分为两组:第一组为奇数序号线圈;第二组为偶数序号线圈,同组线圈之间是并联连接,不同组线圈之间是串联连接。母线1负责连接奇数组线圈,母线3负责连接偶数组线圈,母线2负责将两组线圈串联起来。在接收侧旋转的任意时刻,每组线圈中只有与发射线圈互感最大的线圈会有电流流过,即任意时刻只有两个接收线圈同时工作。

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图7 能量传输通道等效电路

Fig.7 Equivalent circuit diagram of energy transmission channel

综上所述,在旋转过程中系统共有三种工作模式,分别是:①发射线圈正对一个奇数组的接收线圈;②发射线圈处于奇偶组相邻两个接收线圈的过渡段;③发射线圈正对一个偶数组的接收线圈。无论转至何种工作模式,三母线电路结构都能保证相邻线圈输出叠加的效果,抑制系统的输出波动。

因此,以线圈1和线圈2同时工作为例进行分析计算,系统的能量传输通道简化等效电路如图8所示。在系统各个补偿元件满足谐振状态的条件下,列写回路电流方程可以得到

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式中,RL1RL2分别为接收端1和接收端2整理器直流侧的等效负载;Uout为系统的输出电压。由此可见,在补偿网络参数确定且忽略寄生参数时,系统的电压增益与等效互感成正比。因此,整流后级采用三母线的电路结构后,系统的等效互感能够实现相邻线圈互感叠加的效果,有效地降低了过渡段的输出波动,通过优化线圈耦合机构的结构参数进一步减小等效互感的波动范围,较好地实现系统输出电压的平稳特性。

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图8 能量传输通道简化等效电路

Fig.8 Simplified equivalent circuit diagram of energy transmission channel

2.2 信号传输电路设计

本文采用ASK调制,它具有调制电路简单、带宽要求低、载波频率单一等优点。图9所示为ASK调制原理,采用的芯片为CD4051B。图中,uz为高频的正弦信号载波,ug为数字矩形脉冲信号,两者输入ASK调制电路。当ug=0时,调制输出电压为0,表示数字信号0;当ug=1时,调制输出uz电压,表示数字信号1。调制后的信号经比例放大电路放大后,通过隔离变压器注入主电路。因此,如图9所示,可以将a、b两点的电压uab等效为us的电压源。

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图9 信号发射电路原理

Fig.9 Schematic diagram of signal transmitting circuit

调制信号发送成功后,需要将信号检测电阻上的信号拾取出来。如图10所示为信号接收解调原理。信号检测电阻上的电压经隔离变压器输入带通滤波电路,消除系统的干扰噪声,然后通过包络解调电路得到包络波形以还原数字信号,数字信号传输给STM32单片机后根据相应的通信协议显示所传递的信息。

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图10 信号接收电路原理

Fig.10 Schematic diagram of signal receiving circuit

3 有限元仿真分析

为了验证所提出的平面-曲面解耦线圈,基于Ansys Maxwell进行了三维有限元仿真,仿真模型如图11所示,系统接收侧将能量线圈分成4段。为了分析BRC线圈和DD线圈之间的耦合关系,将BRC线圈上的激励设置为幅值1 A,频率100 kHz的AC交流电,左右两个环形线圈电流之间的相位差为180°,DD线圈上的电流设置为0 A。如果两个线圈之间解耦,那么穿过DD线圈的磁通量应该为0。

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图11 Maxwell仿真模型示意图

Fig.11 Maxwell simulation model diagram

磁通量可以由width=107,height=21计算,其中B和dS分别为磁感应强度和面元的矢量,q B和dS之间的夹角。由于DD线圈左右两边的绕向相反,因此dS的参考方向也相反。此外,BRC线圈和DD线圈结构完全对称,BRC线圈产生的磁感应强度B也相对于线圈的轴线左右对称。xy截面磁场强度示意图和xy截面磁力线分布示意图分别如图12和图13所示,任意取一点A,它对称的点为D,两点的磁感应强度幅值|B1|=|B2|,磁感应强度B与面元dS的夹角为q1+q2=p,可以得到

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图12 xz截面磁场强度示意图

Fig.12 xz section magnetic field strength diagram

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图13 xz截面磁力线分布示意图

Fig.13 xz section magnetic field lines diagram

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因此,DD线圈两边任意对称点的磁通量积分和为0,图14给出了z分量的磁感应强度云图,能够清晰地看到,DD线圈左右侧的磁感应强度基本对称,进一步验证了前面的分析。

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图14 z分量磁感应强度云图

Fig.14 z-component magnetic induction cloud image

为了更直观地表示BRC线圈与DD线圈之间的解耦关系,利用Maxwell仿真了转轴从接收线圈1转向接收线圈2的90°旋转过程中,系统原副边各线圈之间的互感参数。图15为旋转过程中的线圈互感波动曲线。

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图15 0~90°旋转中互感参数波动曲线

Fig.15 Fluctuation curves of mutual inductance parameters during 0 to 90° rotation

图15中,Mps1Mps2分别为发射侧能量线圈与接收侧能量线圈1和能量线圈2的互感,Mb为信号线圈之间的互感,MpbMsb分别为系统原、副边同侧能量线圈与信号线圈之间的互感。由图15可知,在转轴的旋转过程中,Mps1Mps2呈相反的变化趋势,代表与发射侧能量线圈正对的接收线圈逐渐由线圈1转向线圈2。Mps1Mps2相加的值波动很小,波动范围小于2 mH。结合2.1节推导的输出电压表达式,验证了采用三母线的电路结构能够实现系统的输出平稳。MpbMsb基本为0,验证了所提平面-曲面解耦线圈的去耦特性,同时,Mb在旋转过程中保持恒定,能够实现信号的高速稳定传输。

4 实验验证

为了验证所提出的平面-曲面解耦线圈对于分段式IPT系统能量与信号并行传输的适用性,以及三母线电路结构对分段式IPT系统输出波动抑制效果,搭建了系统的实验样机如图16所示。基于所提出的平面-曲面解耦线圈,系统耦合机构的发射侧安装于地面端,采用传统的DDQ线圈结构,实现能量与信号线圈之间的解耦。接收侧的能量线圈采用DD线圈结构装设于金属转轴上,BRC线圈用于信号接收线圈,安装在接收侧能量线圈的外侧,整体耦合机构呈对称性,副边能量线圈与信号线圈之间也实现解耦功能,系统的重要参数见表1,能量通道实际工作效率为87.68%,输入和输出的电路状态如图17所示。

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图16 系统实验装置

Fig.16 System experimental device diagram

理想情况下,系统原副边的同侧线圈之间满足解耦条件时,能量线圈与信号线圈之间的互感为0,系统的功率传输并不会在信号通路产生串扰,进而影响信号的传输。

图18给出了仅传输信号时的信号波形,可以看出信号通路能够实现较好地传输,信号传输速率为9 600 bit/s。图19给出了功率和信号并行传输时的信号波形,此时虽然存在些许的开关噪声波形,但是信号仍能顺利地传输解调出来,可见能量线圈与信号线圈之间满足解耦关系,系统功率的传输并不会影响信号通路,验证了所提平面-曲面解耦线圈的可行性。

表1 系统关键参数

Tab.1 System key parameters

参 数数 值 直流输入电压Ein/V72 系统工作频率fp/kHz100 信号载波频率fs/MHz10.7 负载电阻Rout/W36 输出电压Uout/V60 载波幅值Us/V5 信号传输速率Vs/(bit/s)9 600

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图17 系统能量通道功率分析

Fig.17 System energy channel power analysis diagram

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图18 仅信号传输时的信号波形

Fig.18 Signal waveforms only when the signal is transmitted

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图19 功率和信号并行传输时的信号波形

Fig.19 Signal waveforms when power and signal are transmitted in parallel

此外,为了更加直观地展现同侧线圈之间解耦关系,图20给出了能量线圈在信号线圈上产生的串扰电压波形,即IPT系统只进行功率传输时,原副边能量线圈电流在信号线圈上感应产生的开路电压波形。图中,IpIs分别为流过发射线圈和接收线圈的电流,UpUs分别为能量线圈在原副边信号线圈上感应产生的开路电压。

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图20 信号线圈串扰波形

Fig.20 Signal coil crosstalk waveforms

由图20可见,系统工作频率为100 kHz的开路电压UpUs均可被开关噪声所忽略。根据感应电压表达式(10),可得系统原副边能量线圈与信号线圈之间的互感MepMes均忽略不计,进一步验证了本文所提出的平面-曲面线圈的解耦特性。

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式中,Mep为原边发射线圈与信号线圈之间的互感;Mes为副边发射线圈与信号线圈之间的互感。

此外,图21给出了分段式IPT系统在旋转过程中输出电压的波动,以验证所提三母线结构电路的输出波动抑制效果。

本文第2节提出在分段式IPT系统整流后级采用三母线的电路结构,使得副边相邻线圈与发射线圈之间的互感之和是输出电压波动的关键因素。在系统旋转过程中,副边线圈过渡段时相邻线圈的互感相加值跌落较小,负载输出电压仅降低近6 V,输出电压的波动率在10%以内,验证了所提三母线电路结构的稳定输出特性。同时,相较于传统的串联连接结构,该方法中负载电流无需流过所有整流器,最多流经同时工作的2个接收线圈后端整流,整流器损耗更小;相较于传统的并联连接结构,实现了相邻线圈的输出叠加,系统的输出波动更小。因此,采用的三母线电路结构具有更加良好的输出波动抑制特性。

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图21 负载输出电压波动

Fig.21 Load output voltage fluctuation

5 结论

本文提出了一种适用于船舶传动轴等旋转机构的平面-曲面解耦线圈,用于IPT系统能量与信号的并行传输。给出了BRC线圈的结构及等效电路模型,在此基础上分析了BRC线圈与DD线圈之间的解耦方法,同时采用了三母线的电路结构抑制分段IPT系统过渡段时的输出波动。基于有限元仿真分析了平面-曲面线圈周围的磁场大小和方向,以更深入地了解去耦原理。最后,搭建了功率为100 W,信号传输速率为9 600 bit/s的实验样机,实验结果表明,所提出的平面-曲面线圈结构具有良好的解耦特性,能量通道与信号通道相对独立,实现了信号的高速有效传输,同时,采用的三母线电路结构成功地将输出波动范围抑制在10%以内,验证了该方法的有效性。未来的研究方向是优化信号线圈的结构参数,改善信号通道的传输特性,实现更加高速精确的信号传输,为船舶传动轴等旋转机构的状态监测提供高效可行的方案。

参考文献

[1] 李中启, 张晨曦, 王建斌, 等. 基于变频重构S/SP拓扑的无线电能传输系统恒流恒压研究[J]. 电工技术学报, 2024, 39(15): 4718-4732.

Li Zhongqi, Zhang Chenxi, Wang Jianbin, et al. Research on constant current and constant voltage of WPT system based on variable frequency recon- figuration S/SP topology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(15): 4718-4732.

[2] 陈永洪, 黎祎阳, 杨斌, 等. 基于多中继线圈结构的无线电能传输系统恒流/恒压输出方法[J]. 电力系统自动化, 2022, 46(20): 147-154.

Chen Yonghong, Li Yiyang, Yang Bin, et al. Constant-current/constant-voltage output method for wireless power transfer system based on multi-relay coil structure[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46(20): 147-154.

[3] 王旭, 郭彦杰, 王瑞民, 等. 无线电能传输系统恒流输出控制方法研究[J]. 电力电子技术, 2024, 58(6): 99-101, 140.

Wang Xu, Guo Yanjie, Wang Ruimin, et al. Research on the constant current output control method of wireless power transfer system[J]. Power Electronics, 2024, 58(6): 99-101, 140.

[4] 王瑞民, 宋桂英, 郭彦杰, 等. 无线电能传输系统最大效率跟踪控制研究[J]. 电力电子技术, 2024, 58(2): 43-46.

Wang Ruimin, Song Guiying, Guo Yanjie, et al. Research on maximum efficiency tracking control of wireless power transfer systems[J]. Power Electronics, 2024, 58(2): 43-46.

[5] 陈伟华, 宋宇航, 闫孝姮, 等. 心脏起搏器无线电能传输LCC-LCC磁集成印刷螺旋线圈研究[J]. 电工技术学报, 2024, 39(17): 5289-5299.

Chen Weihua, Song Yuhang, Yan Xiaoheng, et al. Research on wireless power transmission for cardiac pacemakers using LCC-LCC magnetic integrated printed spiral coil[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2024, 39(17): 5289-5299.

[6] 高浚凯, 齐红丽, 王天泽, 等. 一种应用于不同轴径转轴的感应供电平面阵列线圈结构[J]. 电子测量与仪器学报, 2020, 34(4): 65-71.

Gao Junkai, Qi Hongli, Wang Tianze, et al. Inductive power transfer planar array coil structure applied to shafts of different shaft diameters[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2020, 34(4): 65-71.

[7] Lee E S, Kim M Y, Kang S M, et al. Segmented IPT coil design for continuous multiple charging of an electrified monorail system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2022, 37(3): 3636-3649.

[8] 秦庆磊, 王中训, 穆鹏华. 脉冲调制式无线电能与信息同步传输系统设计[J]. 电源学报, 2023, 21(6): 94-101.

Qin Qinglei, Wang Zhongxun, Mu Penghua. Design of synchronous transmission system of radio energy and information under pulse modulation[J]. Journal of Power Supply, 2023, 21(6): 94-101.

[9] 苏玉刚, 邓晨琳, 胡宏晟, 等. 基于电场耦合的电能信号并行传输系统串扰抑制方法[J]. 电工技术学报, 2024, 39(6): 1613-1626.

Su Yugang, Deng Chenlin, Hu Hongsheng, et al. Crosstalk suppression method for electric-field coupled power and signal parallel transmission system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(6): 1613-1626.

[10] Li Hongchang, Chen Shunxin, Fang Jingyang, et al. Frequency-modulated phase shift keying communi- cation for MEPT control of wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 36(5): 4954-4959.

[11] Li Xiaofei, Zheng Fan, Wang Heshou, et al. A simultaneous power and data transfer method for dynamic wireless charging electric vehicles[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2024, 12(1): 328-340.

[12] 宋纯, 柴琳, 陆江华, 等. 3FSK能量调制式无线功率与信息同步传输技术[J]. 电源学报, 2023, 21(6): 66-73.

Song Chun, Chai Lin, Lu Jianghua, et al. 3FSK energy modulated simultaneous wireless power and information transfer technology[J]. Journal of Power Supply, 2023, 21(6): 66-73.

[13] Fan Yuanshuang, Sun Yue, Dai Xin, et al. Simu- ltaneous wireless power transfer and full-duplex communication with a single coupling interface[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(6): 6313-6322.

[14] Sun Yue, Yan Pengxu, Wang Zhihui, et al. The parallel transmission of power and data with the shared channel for an inductive power transfer system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(8): 5495-5502.

[15] Ji Li, Wang Lifang, Liao Chenglin, et al. Simu- ltaneous wireless power and bidirectional information transmission with a single-coil, dual-resonant stru- cture[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(5): 4013-4022.

[16] Lin Yupo, Yeh C Y, Huang Pinyang, et al. A battery- less, implantable neuro-electronic interface for studying the mechanisms of deep brain stimulation in rat models[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2016, 10(1): 98-112.

[17] Zhu Jixuan, Tao Bo. Simultaneous wireless power and data transmission over one pair of coils for sensor- integrated rotating cutter[J]. IEEE Access, 2020, 8: 156954-156963.

[18] Bieler T, Perrottet M, Nguyen V, et al. Contactless power and information transmission[J]. IEEE Transa- ctions on Industry Applications, 2002, 38(5): 1266- 1272.

[19] 卢伟国, 陈伟铭, 李慧荣. 多负载多线圈无线电能传输系统各路输出的恒压特性设计[J]. 电工技术学报, 2019, 34(6): 1137-1147.

Lu Weiguo, Chen Weiming, Li Huirong. Multi-load constant voltage design for multi-load and multi-coil wireless power transfer system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(6): 1137- 1147.

[20] Pratik U, Varghese B J, Azad A, et al. Optimum design of decoupled concentric coils for operation in double-receiver wireless power transfer systems[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2019, 7(3): 1982-1998.

[21] Li Yi, Feng Yuan, Guo Yongxin. Free-positioning and omnidirectional wireless power transfer using self- decoupled planar transmitter coils[J]. IEEE Transa- ctions on Industrial Electronics, 2024, 71(7): 8088- 8098.

[22] Li Xiaofei, Hu Jiefeng, Li Yong, et al. A decoupled power and data-parallel transmission method with four-quadrant misalignment tolerance for wireless power transfer systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(12): 11531-11535.

[23] Li Xiaofei, Zheng Fan, Wang Heshou, et al. A simultaneous power and data transfer method for dynamic wireless charging electric vehicles[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2024, 12(1): 328-340.

[24] Liu Shunpan, Li Yong, Wu Yihao, et al. An output power fluctuation suppression method of DWPT systems based on dual-receiver coils and voltage doubler rectifier[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2023, 70(10): 10167-10179.

[25] 庄廷伟, 姚友素, 袁悦, 等. 基于DDQ/DD耦合机构的强抗偏移电动汽车用无线充电系统[J]. 中国电机工程学报, 2022, 42(15): 5675-5685.

Zhuang Tingwei, Yao Yousu, Yuan Yue, et al. A DDQ/DD-coupler-based wireless power transfer system for electric vehicles charging featuring high misalignment tolerance[J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42(15): 5675-5685.

[26] Zhou Wei, Zhu Zhehui, Mai Ruikun, et al. Design and analysis of decoupled tetra-polar ring-coils for wireless power transfer in rotary mechanism appli- cations[J]. IET Electric Power Applications, 2020, 14(10): 1766-1773.

A Parallel Transmission Technology for Wireless Power and Signal in A Rotating Mechanism Based on Plane-Curved Decoupling Coil

Cheng Hao Zhou Wei Zhang Zeheng Zhang Yiming Mai Ruikun

(School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 611756 China)

Abstract In sectors such as shipping, wind turbines, and rail transportation, the importance of monitoring the condition of rotating shafts is increasingly significant. How to provide stable and reliable electrical power to monitoring systems installed on rotating mechanisms has become an urgent and challenging issue to address. The parallel transmission of wireless power and signal is feasible for the special application of the rotating structure and returns the rotating shaft’s health status data in real-time. However, regarding rotating mechanisms with large axis diameters, the system might face two problems. The length of the receiving coil is excessive, leading to significant power loss. The receiving coils wrap the entire rotating shaft, and the whole coil is energized, which might produce severe electromagnetic radiation. In addition, decoupling the curved power and signal coils on the receiving side is a problem. This paper proposes a plane-curved decoupling coil structure and analyzes the decoupling relationship between the power and the signal coil. Then, the secondary power coil of the system is segmented to reduce electromagnetic radiation and the power loss on the coil, and a three-bus circuit is proposed to overcome the power drop when the coil is in excess.

Firstly, the structure and equivalent circuit model of the bipolar-ring coil (BRC) are given, and the decoupling principle between the BRC coil and the DD coil is analyzed. Then, a three-bus circuit structure is proposed to suppress the output fluctuation in the transition section of the secondary-segmented system. The working principle of the three-bus circuit structure is analyzed. In addition, the circuit structure of the signal transmission channel is proposed, and the working principle of the signal transmitting and receiving circuits is analyzed. Furthermore, a three-dimensional finite element analysis (FEA) simulation model of the power and signal combined coupler is established. The magnitude and vector of the magnetic field around the plane-curved coil are analyzed based on the FEA simulation. The mutual inductance between the power coil and the signal coil is almost canceled, and the decoupling principle of the proposed coil structure is verified. Moreover, the simulation results show that the equivalent mutual inductance between the transmitting and receiving coils remains constant during the rotation process, and the output fluctuation suppression effect of the three-bus circuit structure is verified.

An experimental prototype with 100 W power, 87.68% power transfer efficiency, and 9 600 bit/s signal transfer rate is built. The experimental results show that the proposed plane-curved coil structure has good decoupling characteristics, and the power channel is relatively independent of the signal channel. The three-bus circuit structure can successfully suppress the output fluctuation range within 10%. Future research is to optimize the signal coil’s structural parameters, improve the signal channel’s transmission characteristics, and achieve higher speed and lower data error in the signal transfer channel. The proposed system has the potential for the condition monitoring of the rotating mechanism.

keywords:Rotating mechanism, parallel transmission of power and signal, plane-curved decoupling coil, three-bus circuit structure

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.241446

中图分类号:TM724

国家自然科学基金资助项目(U22A20222)。

收稿日期 2024-08-13

改稿日期 2024-09-30

作者简介

程 豪 男,1999年生,硕士研究生,研究方向为无线电能与信号并行传输技术。E-mail: 2022200394@my.swjtu.edu.cn

周 玮 男,1990年生,副研究员,硕士生导师,研究方向为无线电能传输技术及其应用、无线电能与信号并行传输技术等。E-mail: wzhou@swjtu.edu.cn(通信作者)

(编辑 陈 诚)