CN102946154A - 一种无线电能传输磁耦合结构及其电路 - Google Patents

一种无线电能传输磁耦合结构及其电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无线电能传输磁耦合结构，包括发射侧磁结构及接收侧磁结构，其特征在于：所述发射侧磁结构由若干矩形线圈组成，所述矩形线圈呈品字形分布，使得其产生的电流流动分布形成相邻矩形回路之间呈相反的流动方向，发射侧的线圈构成一个磁场发射平面；所述接收侧磁结构包含分别设于三个正交方向上的线圈组，用以分别感应三个正交方向的磁场分量。本发明具有更高的耦合系数和更高效的电能传输效率，同时对周围空间具有很小的电磁干扰，可广泛用于各种功率级别的无线电能传输系统。

Description

一种无线电能传输磁耦合结构及其电路
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输磁耦合结构及其电路，属于能源传输领域。 
背景技术
无线感应电能传输是通过非直接电传导传输电功率，目前主要通过高频磁场耦合将电功率从发射侧(TX)的磁结构经空间感应传输到接收(RX)侧的磁结构，为了提高无线电能传输效率和降低电磁干扰，发射和接收侧磁耦合结构成为无线电能传输的技术关键。尤其是在许多无线充电的应用场合下，如电动汽车无线感应充电，桌面型无线感应充电等，其接收侧一般为相对于发射侧平面有一定提离距离，并相对于发射侧平面可随意平行移动，这就要求其具有如下特殊性能： 
a:在发射和接收侧磁结构之间的耦合系数高，能够拾取尽量多的从发射侧磁结构发射的磁场，尤其当发射侧与接收侧的相对位置不是固定的，根据不同应用情况具有一定的提离（发射和接收线圈磁结构之间的距离）和水平任意偏移的情况下，仍然具有尽量高的耦合系数。
b:为了避免发射线圈磁场对环境造成电磁干扰，磁耦合结构对周围环境空间具有尽量小的电磁泄露干扰。 
现有技术方案：接收侧和发射侧线圈的相对位置是相对固定的，如固定接收侧摆放位置，或采用永磁铁定位，这样限制了无线充电装置的使用便捷性。在这种应用情况下，现有方案主要围绕通过磁结构的设计来提高耦合系数。图1为一种发射侧与接收侧的磁结构，但必须保证在垂直方向上两者没有错位；图2为了提高发射侧与接收侧的耦合系数，对接收侧的磁芯结构作端部扩展。图3（专利公开号CN101243593A）使用一个辅助线圈来补强原来矩形平面绕组所产生磁场的薄弱部分。图4通过圆环螺纹形线圈电流密度（延R径向方向）的不均匀分布，提高所产生磁场（h方向上）的均匀性（参考论文），该方案仅利用h方向上的磁场，且为了保证h方向上磁场的均匀性，将导致发射侧磁场扩散到较大的范围。虽然这些方案有助于提高耦合系数或提高提离距离，但都只能适用于发射和接收侧相对位置固定的情况，而且发射侧的磁场扩散距离很远，需要采取其他技术措施，如检测不存在接收侧时，则关闭发射侧电源。图5（专利公开号CN102005829A）采用伺服电机控制发射侧或接收侧线圈的转动，从而定位到最大的耦合系数，但成本高，体积大，控制复杂，也存在机械寿命问题。 
为了减少发射侧磁结构的磁场扩散到太远距离，图6（专利号US7,164,255,B2）采用多个发射线圈层叠排列（其中实线部分与虚线部分别为两个发射线圈层），虽然有助于将发射侧磁场扩散范围控制在一定距离内，但阵列化的线圈由于各线圈紧密或是交替排列，产生的磁场相互抵消了一部分，因而产生的总磁场强度与单个线圈相比，大大减弱了。为了达到一定的输出功率，就必须提高输入电压或是电流，这不仅加大了系统了电容量等级，功率半导体器件的电压电流应力，同时还会加大了系统的损耗，对系统的成本，性能等造成了很大的影响。 
图7（专利公开号CN1819397A）其接收侧使用三个方形小线圈作为接收侧线圈，发射侧采用直径相比于接收侧尺度大很多的螺管形线圈。虽然接收侧可以感应三个不同方向的磁场，提高总体耦合性能，但其发射侧线圈产生的磁场通常会扩散至较大的范围；其接收侧线圈通常在螺旋形发射侧线圈产生的空间磁场中可以有任意位移和旋转，如吞服在人体内的智能药丸等应用场合。 
总之，针对平面型无线电能传输的应用场合，目前技术的缺陷是： 
a.发射和接收侧磁感应耦合系数低，电能传输效率差；尤其不能很好地适用于接收侧磁结构相对于发射侧磁结构有任意偏移的情况；
b.发射侧磁结构产生的磁场泄漏辐射范围大，会带来很大范围的电磁干扰问题。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种无线电能传输磁耦合结构及其电路，本发明的发射和接收侧磁结构及其电路在两者具有较大提离和任意平移的情况下，具有更高的耦合系数和更高效的电能传输效率，同时对周围空间具有很小的电磁干扰。 
本发明的技术方案在于： 
一种无线电能传输磁耦合结构，包括发射侧磁结构及接收侧磁结构，其特征在于：所述发射侧磁结构由若干矩形线圈组成，所述矩形线圈呈品字形分布，使得其产生的电流流动分布形成相邻矩形回路之间呈相反的流动方向，发射侧的线圈构成一个磁场发射平面；所述接收侧磁结构包含分别设于三个正交方向上的线圈组，用以分别感应三个正交方向的磁场分量。
其中，所述发射侧磁结构还包含有平面型的高频磁芯底板，所述高频磁芯底板上设置矩形线圈。 
所述发射侧磁结构还包含有平面型的高频磁芯底板，所述高频磁芯底板上具有用于绕制矩形线圈的磁芯凸台。 
所述接收侧磁结构还包含有高频磁芯，所述高频磁芯上沿三个正交方向分别绕有线圈组。 
所述接收侧磁结构的高频磁芯的水平横向磁芯尺寸与发射侧磁结构矩形线圈的电流矩形回路的尺度偏差不超过20%，从而相接近。 
所述发射侧磁结构的矩形线圈的电流回路尺寸大于接收侧磁结构与发射侧磁结构平面之间最大提离距离的两倍。 
所述接收侧磁结构的三个线圈组之间没有磁耦合。 
所述发射侧磁结构和接收侧磁结构为扁平化结构。 
本发明的另一技术方案在于：一种描述无线电能传输磁耦合结构的电路，其特征在于：包括发射侧磁结构及接收侧磁结构，所述接收侧磁结构包含分别设于三个正交方向上的线圈组，所述发射侧磁结构经发射侧匹配网络与电源连接，所述接收侧磁结构的三个线圈组分别感应三个正交方向的磁场分量，且三个线圈组通过各自的接收侧阻抗匹配网络分别连接到三个桥式整流电路，所述的三个整流电路的三个输出通过直流转换模块连接到后级的电路或负载。 
本发明的优点在于：本发明所揭示的无线感应电能传输发射和接收侧磁结构具有平面化结构、耦合系数大、传输效率高以及磁场扩散范围小的显著优点；在接收侧和发射侧磁结构间发生相对位置的偏移时，仍然可以保持足够的接收侧与发射侧间的感应耦合系数；可广泛用于各种功率级别的无线电能传输系统，对于发射侧与接收侧磁结构相对位置不固定的应用场景尤为适用。 
附图说明
图1已知无线电能传输磁耦合结构一示意图。 
图2已知无线电能传输磁耦合结构二示意图。 
图3已知无线电能传输磁耦合结构三示意图。 
图4已知无线电能传输磁耦合结构四示意图。 
图5已知无线电能传输磁耦合结构五示意图。 
图6已知无线电能传输磁耦合结构六示意图。 
图7已知无线电能传输磁耦合结构七示意图。 
图8为本发明的无线电能传输磁耦合结构二维示意图。 
图9为本发明的无线电能传输磁耦合结构下的电路结构示意图。 
图10为本发明的无线电能传输磁耦合结构的接收侧实施例一的立体结构示意图。 
图11为本发明的无线电能传输磁耦合结构的发射侧实施例一的二维结构示意图。 
图12为图11的电流回路简化示意图。 
图13为本发明的无线电能传输磁耦合结构的发射侧实施例二的二维结构示意图。 
图14为图13的电流回路简化示意图。 
图15为本发明的无线电能传输磁耦合结构的发射侧实施例三的二维结构示意图。 
图16为图15的电流回路简化示意图。 
图17为本发明二维截面上发射侧磁结构产生的磁场分布图。 
图18为本发明二维截面上沿线段1，2，3，4，5上的磁通密度分布曲线图。 
图19为本发明下的不同偏移量X下两个线圈组的与发射侧线圈组的耦合系数图。 
图20为图11的立体结构视图。 
图21为图13的立体结构视图。 
图22为图15的立体结构视图。 
图23为本发明的无线电能传输磁耦合结构的接收侧实施例二的立体结构示意图。 
图24为本发明的无线电能传输磁耦合结构的接收侧实施例三的立体结构示意图。 
图25为本发明的无线电能传输磁耦合结构实施例的立体结构示意图。 
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。 
参考图8至图25，本发明涉及一种无线电能传输磁耦合结构，包括发射侧磁结构1及接收侧磁结构2，所述发射侧磁结构1由若干矩形线圈3组成，所述矩形线圈3呈品字形分布，使得其产生的电流流动分布形成相邻矩形回路之间呈相反的流动方向，发射侧的线圈3构成一个磁场发射平面，其辐射出的磁场能够控制在一定范围内；所述接收侧磁结构2包含分别设于三个正交方向上的线圈组4，用以分别感应三个正交方向的磁场分量。 
为了增强磁场，提高耦合系数，上述发射侧磁结构1还包含有平面型的高频磁芯底板5，所述高频磁芯底板上设置矩形线圈。 
为了增强磁场，提高耦合系数，上述发射侧磁结构1还包含有平面型的高频磁芯底板，所述高频磁芯底板上具有用于绕制矩形线圈的磁芯凸台6。 
上述接收侧磁结构还包含有高频磁芯7，所述高频磁芯上沿三个正交方向分别绕有线圈组4。 
上述接收侧磁结构的高频磁芯的水平横向磁芯尺寸与发射侧磁结构矩形线圈的电流矩形回路的尺度偏差不超过20%。 
上述发射侧磁结构的矩形线圈的电流回路尺寸大于接收侧磁结构与发射侧磁结构平面之间最大提离距离的两倍。 
上述接收侧磁结构的三个线圈组之间没有磁耦合。 
上述发射侧磁结构和接收侧磁结构为扁平化结构，及发射和接收侧磁结构的三维结构可以退化为两维结构。 
本发明还包括一种描述无线电能传输磁耦合结构的电路，包括发射侧磁结构及接收侧磁结构，所述接收侧磁结构包含分别设于三个正交方向上的线圈组，所述发射侧磁结构经发射侧匹配网络与电源连接，所述接收侧磁结构的三个线圈组分别感应三个正交方向的磁场分量，且三个线圈组通过各自的接收侧阻抗匹配网络分别连接到三个桥式整流电路，所述的三个整流电路的三个输出通过直流转换模块连接到后级的电路或负载。 
具体实施过程：本发明揭露的接收侧磁结构如图10所示，发射侧磁结构如图11,13,15所示。为了简洁明了，以二维简化的形式说明。发射侧的电流回路简化图如图12，14，16所示。图15,16的电流回路流向与图11,12,13,14中的规则有所不同。发射侧磁结构和接收侧磁结构的某个二维截面如图8所示。图17为二维截面上发射侧磁结构的励磁电流产生的磁场分布图，其中图18分别为沿不同提离高度位置的线段1，2，3，4，5上的磁通密度的横向分量、纵向分量和幅值的分布图。从中可以看出两点： 
一是横向和纵向分量磁场分布沿横向位移x分别都存在峰值和谷值，但横向和纵向磁场的峰值和谷值位置是交错的，即横向分量磁场峰值的位置却是纵向分量磁场谷值的位置。根据这一分布规律，为了使得接收侧磁结构在任意偏移位置都能充分感应出不同方向的磁场分量，我们提出具有能有效感应各个方向磁场的接收侧磁结构，如图10所示。图19（以二维截面为例）示出了在不同偏移量情况下，接收侧各个线圈组与发射侧磁结构的耦合系数，其中K1为接收侧线圈组1与发射侧线圈组的耦合系数，K2为接收侧线圈组2与发射侧线圈组的耦合系数，可以看出，虽然不同偏移下，各个线圈组的耦合系数变化很大，但由于各个线圈组的交错效应，使得各个耦合系数的相加却比较平坦，在不同偏移位置下，发射侧和接收侧间的耦合系数都能保证在一定范围内，保证正常的功率传输。
二是随着离开发射侧磁结构的距离y（即提离高度）的增加，磁场强度显著降低，即磁场主要集中分布在比较靠近发射侧磁结构附近的区域，因此对较远空间的电磁干扰很小。 
接收侧磁结构的各个线圈组的输出功率经过整流后相加输出到后级电路或负载，如图9所示。 
图20为发射侧实例一。 
图21为发射侧实例二，接收侧线圈使用一根导体，绕磁芯呈菱形绕制。 
图22为发射侧实例三，发射侧线圈呈品字形排列，磁芯为平板型磁芯，无凸台。不同于发射侧实例一与实例二的有凸台磁芯结构。 
图10为接收侧实例一，十字型磁芯上绕有5个线圈，构成3个线圈组，各线圈组之间耦合系数为0。 
图23为接收侧实例二，十字型磁芯上绕有8个线圈，构成3个线圈组，各线圈组之间耦合系数为0。 
图24为接收侧实例三，其中环形磁芯上绕有5个线圈，形成3个线圈组 
图25是发射侧和接收侧磁结构完整配合的一个实例，其中，接收侧磁结构在与发射侧磁结构的最大提离范围内进行平移。构成本发明所描述的，发射侧构成一个磁场发射平面，而接收侧在规定的最大提离距离内进行平移方向与发射侧磁结构平面相平行的平移。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。 

Claims (9)

1. 一种无线电能传输磁耦合结构，包括发射侧磁结构及接收侧磁结构，其特征在于：所述发射侧磁结构由若干矩形线圈组成，所述矩形线圈呈品字形分布，使得其产生的电流流动分布形成相邻矩形回路之间呈相反的流动方向，发射侧的线圈构成一个磁场发射平面；所述接收侧磁结构包含分别设于三个正交方向上的线圈组，用以分别感应三个正交方向的磁场分量。
2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输磁耦合结构及其电路，其特征在于：所述发射侧磁结构还包含有平面型的高频磁芯底板，所述高频磁芯底板上设置矩形线圈。
3.根据权利要求1所述的一种无线电能传输磁耦合结构，其特征在于：所述发射侧磁结构还包含有平面型的高频磁芯底板，所述高频磁芯底板上具有用于绕制矩形线圈的磁芯凸台。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种无线电能传输磁耦合结构，其特征在于：所述接收侧磁结构还包含有高频磁芯，所述高频磁芯上沿三个正交方向分别绕有线圈组。
5.根据权利要求4所述的一种无线电能传输磁耦合结构，其特征在于：所述接收侧磁结构的高频磁芯的水平横向磁芯尺寸与发射侧磁结构矩形线圈的电流矩形回路的尺度偏差不超过20%。
6.根据权利要求5所述的一种无线电能传输磁耦合结构，其特征在于：所述发射侧磁结构的矩形线圈的电流回路尺寸大于接收侧磁结构与发射侧磁结构平面之间最大提离距离的两倍。
7.根据权利要求4所述的一种无线电能传输磁耦合结构，其特征在于：所述接收侧磁结构的三个线圈组之间没有磁耦合。
8.根据权利要求1所述的一种无线电能传输磁耦合结构，其特征在于：所述发射侧磁结构和接收侧磁结构为扁平化结构。
9.一种描述权利要求1所述的无线电能传输磁耦合结构的电路，其特征在于：包括发射侧磁结构及接收侧磁结构，所述接收侧磁结构包含分别设于三个正交方向上的线圈组，所述发射侧磁结构经发射侧匹配网络与电源连接，所述接收侧磁结构的三个线圈组分别感应三个正交方向的磁场分量，且三个线圈组通过各自的接收侧阻抗匹配网络分别连接到三个桥式整流电路，所述的三个整流电路的三个输出通过直流转换模块连接到后级的电路或负载。
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