CN103400682B - 一种磁芯结构以及基于该磁芯结构的电磁耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁芯结构以及基于该磁芯结构的电磁耦合装置，磁芯结构包括发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板，发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板均设置为方形，工作时，发射线圈磁芯底板与拾取线圈磁芯底板相对平行设置，在发射线圈磁芯底板的内侧面设置有多个用于绕线的磁柱，在拾取线圈磁芯底板的内侧面开设有“回”字形的绕线槽，发射线圈磁芯底板内侧面上的多个磁柱呈矩形阵列均匀分布。其显著效果是：磁芯结构简单，加工成型方便，磁场聚集能力强，能够提升无线电能传输的距离，绕制的线圈可以选择性进行通电控制，电能传输区域可调，可以适应拾取机构的位置偏移，而且能量耗散小，传输效率高。
Description
技术领域
本发明涉及电磁耦合技术，尤其涉及一种用于无线能量传输系统中的磁芯结构以及基于该磁芯结构的电磁耦合装置。
背景技术
无线电能传输技术（Inductive Power Transfer），简称IPT技术,是一种通过电磁耦合以非接触式方式向负载传递能量的一项新技术。电磁耦合机构是实现电能无线传输的关键模块，其设计关系到IPT系统的传输距离、传输范围以及传输效率等多种指标。电磁耦合机构由能量发射机构及能量拾取机构组成。对于可移动的设备，其无线电能传输方式一般分为定点传输和移动传输两种。
以电动汽车无线充电为例，上述两种方式分别如图1、图2所示。其中，图1为电动汽车无线定点充电的系统结构示意图，在电动汽车中安装拾取线圈，通过电能变换装置为电池和发动机供电，发射线圈埋设在路面下，电网输出的电能通过变换后输送到发射线圈上，当汽车停在预设的充电区域，发射线圈与拾取线圈之间产生高频磁场，从而实现能量传输。
采用这种定点充电的方式，必须要求汽车精确停放在预设的充电区域，才能保证发射线圈和拾取线圈之间的准确对位，应用非常不方便。因此图2提出一种可移动的充电方式，与图1中的区别在于，将发射线圈设置为发射导轨，将相当长的一段路面作为充电区域，通过埋设一段较长的发射导轨为拾取线圈传输能量，虽然一定程度上扩大了能量传输的范围，但是传输效率较低。
而且传统的无线电能传输系统中，发射线圈和拾取线圈所采用的磁芯结构通常为图3所示的圆柱形磁芯，磁场分布比较单一，一旦设备发生偏移，能量的传输效率将大大降低。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种磁芯结构以及基于该磁芯结构的电磁耦合装置，希望提高无线电能传输距离的同时，能够实现能量传输区域的调整，即使电能拾取设备发生位置偏移也能达到较高的能量传输效率。
为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
首先提出一种磁芯结构，其关键在于：包括发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板，所述发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板均设置为方形，工作时，发射线圈磁芯底板与拾取线圈磁芯底板相对平行设置，在发射线圈磁芯底板的内侧面设置有多个用于绕线的磁柱，在拾取线圈磁芯底板的内侧面开设有“回”字形的绕线槽，所述发射线圈磁芯底板内侧面上的多个磁柱呈矩形阵列均匀分布。
采用本发明设计的磁芯结构，发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板可以增大能量无线传输的距离，同时也具备较好的磁场屏蔽作用，保证了机构的电磁暴露安全。
发射线圈磁芯底板上采用磁芯阵列的方式，其发射线圈的绕线方式可以自由组合，能够根据具体应用场景的需要在相应区域的磁柱上绕制线圈，或者让相应区域的线圈处于通电状态。
为了加工和应用的方便，所述发射线圈磁芯底板内侧面上的多个磁柱呈3*3、3*4或3*5的矩形阵列均匀分布，且发射线圈磁芯底板与多个磁柱一体成型。
根据无线电能传输系统应用的具体需求，所述发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板长和宽分别为80～100cm，发射线圈磁芯底板的内侧面上的磁柱半径为8～12cm，所述绕线槽的槽口宽度为1.5～2.5cm。
为了提高磁导率并延长磁芯寿命，所述发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板均为铁氧体材质制造而成。
基于上述磁芯结构描述的基础上，本发明还提出一种电磁耦合装置，利用上述磁芯结构，在发射线圈磁芯底板的磁柱上绕制发射线圈，在拾取线圈磁芯底板的绕线槽内绕制拾取线圈，发射线圈以磁柱阵列中的每一列为一个独立的绕线组，每个绕线组配置一个高频开关，所有磁柱上的绕线方向均相同。
本发明结合电动汽车无线充电的应用需求，充分利用发射线圈磁芯底板上的磁柱阵列，以每一列为一个独立的绕线组，通过高频开关可以实现每一个绕线组相互独立通电，拾取线圈作为汽车电源拾取机构，根据汽车充电时停放的位置可以选择性的控制相应磁柱上的发射线圈通电，即可保证能量传输的距离和范围，又能节约其他磁柱上线圈的能量损耗，提高供电效率。
本发明的显著效果是：磁芯结构简单，加工成型方便，磁场聚集能力强，能够提升无线电能传输的距离，绕制的线圈可以选择性进行通电控制，电能传输区域可调，可以适应拾取机构的位置偏移，而且能量耗散小，传输效率高。
附图说明
图1是电动汽车定点供电系统的结构示意图；
图2是电动汽车移动供电系统的结构示意图；
图3是传统磁芯结构的结构示意图；
图4是本发明设计的磁芯结构示意图；
图5是发射线圈磁芯底板的结构示意图，其中图5（a）为俯视图，图5（b）为剖视图；
图6是拾取线圈磁芯底板的结构示意图，其中图6（a）为仰视图，图6（b）为剖视图；
图7是本发明中电磁耦合装置的发射线圈绕制关系示意图；
图8是本发明具体实施例中发射线圈的组装关系图；
图9是不同磁芯结构功率容量随偏移量变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
如图4所示，一种磁芯结构，包括铁氧体材质制造而成的发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板，发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板均设置为方形，工作时，发射线圈磁芯底板与拾取线圈磁芯底板相对平行设置，在发射线圈磁芯底板的内侧面设置有多个用于绕线的磁柱，在拾取线圈磁芯底板的内侧面开设有“回”字形的绕线槽，所述发射线圈磁芯底板内侧面上的多个磁柱呈矩形阵列均匀分布。
如图5、图6所示，发射线圈磁芯底板内侧面上的多个磁柱呈3*3、3*4或3*5的矩形阵列均匀分布，且发射线圈磁芯底板与多个磁柱一体成型，本实施例中的磁柱个数为9个，按照3*3的矩形阵列均匀分布。
根据具体的需求，发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板长和宽分别为80～100cm，发射线圈磁芯底板的内侧面上的磁柱半径为8～12cm，所述绕线槽的槽口宽度为1.5～2.5cm。
本例中结合电动汽车充电的需要，发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板规格为100cm*80cm，磁柱的半径为12cm，绕线槽的槽口宽度为2cm
如图7所示，基于上述磁芯结构的电磁耦合装置，在发射线圈磁芯底板的磁柱上绕制发射线圈，在拾取线圈磁芯底板的绕线槽内绕制拾取线圈，所述发射线圈以磁柱阵列中的每一列为一个独立的绕线组，每个绕线组配置一个高频开关，所有磁柱上的绕线方向均相同。
该装置中所有磁柱上的线圈绕线方向相同，按照每一列为一个绕线组，利用高频开关实现通电控制。如图7中所示，以第一列绕线G1为例，当高频开关S1断开，绕线G1则不工作，当高频开关S1闭合，绕线G1则通电工作，其他绕线也可以由对应的开关器件控制，不同的绕线可以相互组合，但是电流的流动方向却保持一致，从而保证磁力线朝相同方向分布。
在具体应用过程中，可以利用多个电磁耦合装置组成无线电能传输轨道，方形的发射线圈磁芯底板可以相互拼接，如图8所示，将多个发射线圈磁芯底拼接而成，从而形成3*n的磁柱阵列，每一列磁柱上有一个独立的绕线组，相应配置的有n个高频开关，如果将其埋设在电动汽车充电路段中，假设电动汽车上的电源拾取机构与3*3形式的发射线圈磁芯底板大小匹配，则工作时需要下方的三组绕线同时通电，如果通过位置检测获取到电动汽车拾取线圈磁芯底板的中心位于第m列磁柱上，则可控制第m-1、m、m+1三组绕线上的高频开关导通，而其它绕线组不工作。当电动汽车移动时，可以通过动态控制各个高频开关的状态，实现移动充电。
相对于常用的导轨式发射机构，本发明通过检测用电设备的位置从而控制绕线工作组数，使得通电导线的长度降低，在移动设备的无线充电系统中，发射机构绕线的铜损较大，减少导线长度能够增大系统工作效率。
作为进一步分析，我们知道：当用电设备发生偏移时，电磁耦合机构的功率容量（Psu）也将降低。如果用电设备在发生较大偏移时，电磁耦合机构依然具备较大的功率容量，给用电设备提供足够的能量，则电磁耦合机构能够为用电设备提供较大的可充电区域。为此，我们将本发明所设计的3*3磁芯绕线机构与传统型的圆柱磁芯绕线机构和3*3空心绕线机构进行了对比分析。当用电设备发生偏移时，三种电磁耦合机构的功率容量随偏移的变化如图9所示。
由图9可知，本发明设计的磁芯结构在用电设备发生较大偏移量量时，依然具备较大的功率容量，从而使得电磁耦合机构能够为用电设备提供较大的可充电区域。
尽管这里参照本发明的实施例进行了描述，但是应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请文件公开范围内，可以对各个组成部件的布局、形状或尺寸进行多种变型和改进。
Claims (1)
1.一种电磁耦合装置，包括磁芯结构，该磁芯结构包括发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板，所述发射线圈磁芯底板和拾取线圈磁芯底板均设置为方形，工作时，发射线圈磁芯底板与拾取线圈磁芯底板相对平行设置，在发射线圈磁芯底板的内侧面设置有多个用于绕线的磁柱，在拾取线圈磁芯底板的内侧面开设有“回”字形的绕线槽，所述发射线圈磁芯底板内侧面上的多个磁柱呈矩形阵列均匀分布，其特征在于：在发射线圈磁芯底板的磁柱上绕制发射线圈，在拾取线圈磁芯底板的绕线槽内绕制拾取线圈，所述发射线圈以磁柱阵列中的每一列为一个独立的绕线组，每个绕线组配置一个高频开关，所有磁柱上的绕线方向均相同。
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