本发明涉及磁耦合无线电能传输技术领域，是一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路及其参数设计方法。
背景技术：
在无线电能传输系统中，为了在不显著改变耦合线圈的外形的情况下，提升线圈的载流能力，研究人员提出了多股并绕的解决方案。多股线并绕的线圈中每一股可以看作一个独立的线圈，且多个线圈之间存在强耦合。由于实际绕制中无法实现每一股对应的线圈参数完全一致，因此在实际应用中，出现多股并绕线圈中各股电流不均衡的问题，导致多股线圈载流能力提升的优势无法充分发挥。
技术实现要素：
本发明为实现三股并绕线圈中各股线中的电流均衡，本发明基于各股独立补偿的思想，通过分析补偿电容对电流均衡的影响，对补偿电容进行优化设计，实现三股线中电流的近似均衡，本发明提供了一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路及其参数设计方法，本发明提供了以下技术方案：
一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路，所述电路包括三股并绕线圈、补偿电容阵列和受控电压源阵列；
所述三股并绕线圈包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，所述补偿电容阵列包括第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容，所述受控电压源阵列包括第一受控电压源、第二受控电压源和第三受控电压源；
所述第一线圈一端连接第一补偿电容的一端，所述第一补偿电容的另一端连接第一受控电压源的一端；所述第二线圈一端连接第二补偿电容的一端，所述第二补偿电容的另一端连接第二受控电压源的一端；所述第三线圈一端连接第三补偿电容的一端，所述第三补偿电容的另一端连接第三受控电压源的一端。
优选地，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈的另一端均与负载电阻或者电压源的一端连接，第一受控电压源、第二受控电压源和第三受控电压源的另一端均与负载电阻或者电压源的另一端连接。
一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路的参数设计方法，包括以下步骤：
步骤1：测量第一线圈、第二线圈和第三线圈的自感，通过l1、l2和l3分别表示第一线圈、第二线圈和第三线圈的自感；
步骤2：分别测量三股并绕线圈中两两线圈之间的互感，通过m12表示第一线圈和第二线圈间的互感，通过m13表示第一线圈和第三线圈的互感，通过m23表示第二线圈和第三线圈的互感；
步骤3：将补偿电容阵列中的补偿电容，分别配置于三股并绕线圈的三个线圈上，当工作频率为ω时，通过下式确定第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容的电容大小：
c1＝1/(ω^2*(l1 m12 m13))
c2＝1/(ω^2*(l2 m12 m23))
c3＝1/(ω^2*(l3 m13 m23))
其中，c1、c2和c3分别为第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容的电容大小。
本发明具有以下有益效果：
本发明相比已有的集中式串联补偿方案，所提方案可实现三股并绕线圈中各股线中的电流基本一致，消除了传统补偿方式存在的电流不均衡问题，进而充分发挥出三股并绕线圈的载流能力，提高三股并绕线圈在实际应用中的实用性。
附图说明
图1为独立串联补偿实现三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡电路机构图；
图2为传统集中式串联补偿的三股并绕线圈补偿电路结构图；
图3为方形三股并绕线圈示意图；
图4为采用三股并绕接收线圈与独立串联补偿结构的接收端等效电路；
图5为采用三股并绕发射线圈与独立串联补偿结构的发射端等效电路。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图5所示，本发明提供一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路及其参数设计方法，具体为：
一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路，所述电路包括三股并绕线圈1、补偿电容阵列和受控电压源阵列；
所述三股并绕线圈1包括第一线圈11、第二线圈12和第三线圈13，所述补偿电容阵列包括第一补偿电容21、第二补偿电容22和第三补偿电容23，所述受控电压源阵列包括第一受控电压源、第二受控电压源和第三受控电压源；
所述第一线圈11一端连接第一补偿电容21的一端，所述第一补偿电容21的另一端连接第一受控电压源的一端；所述第二线圈12一端连接第二补偿电容22的一端，所述第二补偿电容22的另一端连接第二受控电压源的一端；所述第三线圈13一端连接第三补偿电容23的一端，所述第三补偿电容23的另一端连接第三受控电压源的一端。
所述第一线圈、第二线圈和第三线圈的另一端均与负载电阻或者电压源的一端连接，第一受控电压源、第二受控电压源和第三受控电压源的另一端均与负载电阻4或者电压源5的另一端连接。
一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路的参数设计方法，包括以下步骤：
步骤1：测量第一线圈、第二线圈和第三线圈的自感，通过l1、l2和l3分别表示第一线圈、第二线圈和第三线圈的自感；
步骤2：分别测量三股并绕线圈中两两线圈之间的互感，通过m12表示第一线圈和第二线圈间的互感，通过m13表示第一线圈和第三线圈的互感，通过m23表示第二线圈和第三线圈的互感；
步骤3：将补偿电容阵列中的补偿电容，分别配置于三股并绕线圈的三个线圈上，当工作频率为ω时，通过下式确定第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容的电容大小：
c1＝1/(ω^2*(l1 m12 m13))
c2＝1/(ω^2*(l2 m12 m23))
c3＝1/(ω^2*(l3 m13 m23))
其中，c1、c2和c3分别为第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容的电容大小。
可实现各股线对应线圈的电流近似相等，且系统工作于谐振状态。
当所述三股并绕线圈用于无线电能接收端时，假设交流等效负载4的电阻额定值为rs，n个单股线圈的感应电压分别为us1、us2、us3，则在满足ωli/rs(i＝1,2,3)显著大于1，us1、us2、us3差别不太大的实际应用情况下，可以计算出各股线圈电流近似等于(us1 us2 us3)/9rs。
当所述三股并绕线圈用于无线电能发射端时，分析过程与接收端类似，假设输入等效负载的电阻额定值为rp，接收线圈在三个单股发射线圈的上三个单股线圈的反向感应电压分别为up1、up2、up3，则在满足ωli/rp(i＝1,2,3)显著大于1，up1、up2、up3差别不太大的实际应用情况下，可以计算出各股线圈电流近似等于(us1 us2 us3)/9rp。
相比已有的集中式串联补偿方案，如图2所示，所提方案可实现三股并绕线圈中各股线中的电流基本一致，消除了传统补偿方式存在的电流不均衡问题。
图3为典型方形结构的三股并绕线圈结构，采用三股并绕的方式进行线圈绕制，可以实现用小载流能力的线材绕制出大载流能力的线圈，同时相比利兹线提高电流均衡性的交叉绕制方式，更有利于线圈扁平化设计，但引入了电流不均衡的问题。
图4所示为采用三股并绕接收线圈与独立串联补偿结构的的接收端等效电路，当c1＝1/(ω^2*(l1 m12 m13))、c2＝1/(ω^2*(l2 m12 m23)、c3＝1/(ω^2*(l3 m13 m23)，假设交流等效负载(4)的电阻为额定值为rs，三个单股线圈的感应电压分别为us1、us2、us3，由基尔霍夫电压定律，有
则可以计算出第一线圈11的电流为
第为线圈12的电流为
第三线圈13的电流为
由于并绕的各股线对应的线圈紧密耦合，因此互感m12、m13、m23和单股线圈的自感为同一数量级，于是(m13m23 m12m13 m12m23)ω/rs显著大于m12或m13或m23；且三个单股线圈的感应电压虽有差别，但差别不会太大，因此
图5所示为采用三股并绕发射线圈的发射端等效电路，可将电压源5看作负电阻，具有与图5用于接收端时同样的特性。当c1＝1/(ω^2*(l1 m12 m13))、c2＝1/(ω^2*(l2 m12 m23)、c3＝1/(ω^2*(l3 m13 m23)，假设输入等效负载的电阻额定值为rp，三个单股线圈的感应电压分别为up1、up2、up3，则可计算出第一线圈11的电流为
第二线圈12的电流为
第三线圈13的电流为
由于接收线圈在三个单股发射线圈的上的反向感应电压差别不会大，即电流表达式中虚部部分近似为0，因此
以上实例的分析过程可以进一步推广至n股并绕线圈在无线电能发射端或接收端应用中实现电流均衡分析。
以上所述仅是一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路及其参数设计方法的优选实施方式，一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路及其参数设计方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
1.一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路，其特征是：所述电路包括三股并绕线圈、补偿电容阵列和受控电压源阵列；
所述三股并绕线圈包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，所述补偿电容阵列包括第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容，所述受控电压源阵列包括第一受控电压源、第二受控电压源和第三受控电压源；
所述第一线圈一端连接第一补偿电容的一端，所述第一补偿电容的另一端连接第一受控电压源的一端；所述第二线圈一端连接第二补偿电容的一端，所述第二补偿电容的另一端连接第二受控电压源的一端；所述第三线圈一端连接第三补偿电容的一端，所述第三补偿电容的另一端连接第三受控电压源的一端。
2.根据权利要求1所述的一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路，其特征是：所述第一线圈、第二线圈和第三线圈的另一端均与负载电阻或者电压源的一端连接，第一受控电压源、第二受控电压源和第三受控电压源的另一端均与负载电阻或者电压源的另一端连接。
3.一种三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路的参数设计方法，所述方法基于如权利要求1所述的三股并绕的无线电能传输线圈股间电流均衡的电路，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：测量第一线圈、第二线圈和第三线圈的自感，通过l1、l2和l3分别表示第一线圈、第二线圈和第三线圈的自感；
步骤2：分别测量三股并绕线圈中两两线圈之间的互感，通过m12表示第一线圈和第二线圈间的互感，通过m13表示第一线圈和第三线圈的互感，通过m23表示第二线圈和第三线圈的互感；
步骤3：将补偿电容阵列中的补偿电容，分别配置于三股并绕线圈的三个线圈上，当工作频率为ω时，通过下式确定第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容的电容大小：
c1＝1/(ω^2*(l1 m12 m13))
c2＝1/(ω^2*(l2 m12 m23))
c3＝1/(ω^2*(l3 m13 m23))
其中，c1、c2和c3分别为第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容的电容大小。
技术总结