CN105845404A - 一种高品质因数的发射线圈结构及其绕制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高品质因数的发射线圈结构及其绕制方法，所述发射线圈包括线圈、贴合于线圈的绝缘层和贴合于绝缘层的屏蔽层，其中线圈由稀疏缠绕的M匝绕线和紧密缠绕的N匝绕线组成，所述M匝绕线匝与匝之间的间距大于所述N匝绕线匝与匝之间的间距，且M＜N。本发明的线圈绕制方式可以减小线圈的临近效应，降低损耗，并且可以减小发射线圈的磁场盲区范围，从而使得发射线圈的品质因数大大提高，并且，在发射线圈的周围可产生均匀的磁场分布，能够更有效地传输能量。

Description

一种高品质因数的发射线圈结构及其绕制方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，更具体地说，涉及一种高品质因数的发射线圈结构及其绕制方法。

背景技术

无线电能系统中需要使用感应线圈(例如发射线圈)来完成能量的传输，由于发射线圈是激发能量的始源，其性能的好坏直接影响能量传输的效率，因此，设法提高发射线圈的性能，可以提高整个系统的传输效率。而在线圈的各项参数中，品质因数Q是反映线圈性能的重要指标，品质因数Q值越高，线圈损耗越小，则效率越高。

一方面，品质因数Q值跟线圈的绕制有很大关系，目前无线电能传输的电感线圈的绕制通常采用无芯的螺旋结构，绕线形状有矩形、六边形和圆形，矩形易制作，但品质因数通常都较低。多层的六边形线圈排列的方式可产生均匀的磁场，这种方法相当于在通电线圈的外围有一个大的通电线圈，六边形的线圈虽然能够提供较为均匀的磁场，但由于相邻的六边形线圈工作时产生的磁场相互抵消作用，使得电流激发磁场的效率不高，从而品质因数Q不高。现有的圆形多为用利兹线紧密缠绕的平面的圆形或者椭圆形，如图1所示的结构，并通常将绕好的线圈放置在铁氧体磁片上，以增强线圈上方的磁场，这种设计通常适用于低频工作，在高频工作情况下，由于线圈和线圈之间紧密缠绕会使得相互之间由于临近效应而导致线圈的交流阻抗显著增加，因而也无法得到高品质因数。

另一方面，品质因数Q跟线圈外层的屏蔽层也有关系，例如屏蔽层离线圈的距离和屏蔽层的尺寸等。为了屏蔽线圈激发的磁场，一般采用双层屏蔽结构，双层屏蔽结构包括有磁片层和铜层，双层屏蔽结构紧贴着线圈层放置。例如图2中所示的排列结构图，在图2中，绝缘层(insulating layer)的厚度很小，通常小于0.5mm。当双层屏蔽层与磁场发生装置即线圈紧密贴合时，系统的品质因数会降低，在紧贴着线圈的位置，交变磁场的强度最大，高强度的交变磁场会导致该部位的铁氧体磁片中产生较多的磁损，并且由于铁氧体磁片的厚度有限，经过铁氧体磁片的屏蔽之后仍有相当强度的磁场与第二层屏蔽层即铜层相遇，这部分剩余磁场会在铜层中激发涡流并产生损耗，这又进一步降低了系统的品质因数。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种高品质因数的发射线圈结构及其绕制方法，通过将其中的线圈设置为稀疏绕线和紧密绕线的组合，并且，稀疏绕线的圈数少于紧密绕线的圈数，这样可以减小线圈的临近效应，同时也能有效减小磁场盲区的范围，面积利用率大，使得发射线圈获得高的品质因数，并且在原边线圈周围能够产生均匀的磁场分布，能量传输效率好。

依据本发明的一种高品质因数的发射线圈结构，包括线圈、贴合于线圈的绝缘层和贴合于绝缘层的屏蔽层。

所述线圈包括位于内层的M匝绕线和位于M匝绕线外侧的N匝绕线，其中，所述M匝绕线匝与匝之间的间距大于所述N匝绕线匝与匝之间的间距，并且M＜N。

优选的，所述M匝绕线之间的间距设置为1cm至20cm之间的某一值。

优选的，所述N匝绕线之间的间距设置为0cm至1cm之间的某一值。

进一步的，所述绝缘层的厚度根据所述发射线圈的厚度要求来设置。

优选的，所述绝缘层的厚度设置为大于等于2mm。

优选的，所述屏蔽层包括由铁氧体磁片组成的第一屏蔽层和由铜片组成的第二屏蔽层。

依据本发明的一种高品质因数的发射线圈的绕制方法，包括，

形成包括M匝绕线和N匝绕线的线圈，其中，所述M匝绕线位于线圈的中心部位，所述N匝绕线位于所述M匝绕线的外侧，所述M匝绕线匝与匝之间的间距大于所述N匝绕线匝与匝之间的间距，并且M＜N；

形成位于线圈外侧的绝缘层，所述绝缘层的厚度根据所述发射线圈的厚度要

求来设置；

形成位于绝缘层外侧的屏蔽层。

优选的，所述M匝绕线之间的间距设置为1cm至20cm之间的某一值。

优选的，所述N匝绕线之间的间距设置为0至1cm之间的某一值。

优选的，所述绝缘层的厚度设置为大于等于2mm。

综上所述一种高品质因数的发射线圈结构及其绕制方法，其线圈由稀疏缠绕的M匝绕线和紧密缠绕的N匝绕线组成，所述M匝绕线匝与匝之间的间距大于所述N匝绕线匝与匝之间的间距，且M＜N，本发明的线圈绕制方式可以使得原边发射线圈的品质因数大大提高，并且，在发射线圈的周围可产生均匀的磁场分布，同时，本发明的技术方案可使得发射线圈的盲区范围大幅减小，从而使得副边能够在更大的面积内获得所需的能量。

附图说明

图1所示为现有技术的圆形发射线圈的结构图；

图2所示为现有技术的具有绝缘层的发射线圈的侧视图；

图3所示为依据本发明的发射线圈的结构图；

图4所示为依据本发明的具有绝缘层的发射线圈的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图3所示为依据本发明的发射线圈的结构图，本发明的发射线圈应用于无线电能传输系统中，其用以产生传输至副边的磁场能量。在本发明实施例中，所述发射线圈包括线圈、贴合于线圈的绝缘层和贴合于绝缘层的屏蔽层，其中，所述线圈包括位于内层的M匝绕线和位于M匝绕线外侧的N匝绕线，其中，所述M匝绕线匝与匝之间的间距大于所述N匝绕线匝与匝之间的间距，并且，M＜N。

其中，所述M匝绕线的之间的间距设置为1cm至20cm之间的某一值，优选的，在本实施例中，所述M匝绕线之间的间距设置为3cm。

其中，所述N匝绕线的之间的间距设置为0cm至1cm之间的某一值，优选的，在本实施例中，所述N匝绕线之间的间距设置为0.2cm。

如图3所示，在本实施例中，所述M的值设为M＝2，所述N的值设为N＝4，满足M＜N的条件。

正如背景技术中所说，当线圈的绕线都紧密缠绕时，在高频电流工作的情况下会由于临近效应而导致线圈的交流阻抗显著增加，而在本发明中，采用M匝稀疏缠绕和N匝紧密缠绕的方式可使得在高频电流工作情况下临近效应大大减弱，从而使得线圈的交流阻抗减小，减低线圈的损耗，提高了线圈的品质因数。

一般来说，相邻绕线中的电流方向是相同的，在两根导线的中间位置，磁通方向相反从而磁通线会相互抵消，因此在N匝绕线的正上方磁通的方向有更多的水平分量。如果副边线圈放置于N匝走线的正上方，则穿透副边线圈的磁通分量会很少，导致原副边线圈的耦合系数非常差，从而出现耦合的盲区，盲区会导致线圈的面积利用率低，从而降低品质因数。所以在本发明实施例中，通过上述的M匝加N匝绕线的结构方式，并且其N匝绕线的布线宽度会比较窄以减小盲区的范围，但此处的N匝紧密缠绕仍会保证绕线与绕线之间必要的间隔，例如其间隔设为如0.1cm或者0.2cm以使得临近效应减弱。

可见，本发明将原边线圈设置为稀疏缠绕和紧密缠绕两部分，并且，稀疏缠绕的圈数小于紧密缠绕的圈数，可以使得线圈的临近效应降低，而将紧密缠绕部分的布线宽度设为窄小以减小发射线圈上方磁场盲区的范围，可使线圈面积利用率高，从而能够有效提高线圈的品质因数。

在无线充电能量需求较大的情况下，原边发射线圈面积需要做的较大以形成大的充电区域，这时N匝绕线距离线圈的正中心较远，因此只有较少的磁通分量分布在线圈中心位置。而本发明中通过稀疏缠绕的M匝导线，使得在线圈的中心仍能够有一定程度的磁通分量，并且通过N＞M的设计，使得M匝绕线产生的磁通可以抵消N匝绕线内侧的较密集磁通分量，从而使得整个发射线圈的周围磁场均匀，有效提高了无线充电的能量传输效率。

容易理解，本发明实施例对上述M匝绕线和N匝绕线进行了示例说明，但所述M匝绕线和N匝绕线的间距和数量不限于上述实施例所作的描述，在本发明的思想的指导下所作的修改和改变均在本发明的保护范围之下。本领域技术人员可知，本发明所述的M匝绕线和N匝绕线是形成线圈的一条绕线，即是一条绕线在线圈内侧缠绕稀疏的M匝绕线，在外侧缠绕紧密的N匝绕线。

此外，所述发射线圈包括贴合于线圈的外层为绝缘层，本实施例中的绝缘层的厚度根据发射线圈的厚度要求来设置。所述发射线圈还包括贴合于绝缘层外层的屏蔽层，本实施例中，所述屏蔽层为由磁片层和铜片层组成的双层屏蔽层。

在本发明实施例中，为保证发射线圈的品质因数不被双层屏蔽层显著降低，本发明将线圈平面与双层屏蔽的平面间隔一定的间距，在发射线圈厚度允许的范围内，双层屏蔽距离线圈平面间隔越大，系统的品质因数越高。本实施例中在发射线圈的厚度允许的范围内，所述绝缘层的厚度设置为大于等于2mm，如图4中所示的剖面图，这里，所述绝缘层可以为绝缘的固定胶或空气间隙。将双层屏蔽层和线圈平面间隔距离增大，从而使得双层屏蔽层避开磁通最密集的地方，以使得双层屏蔽层中产生的损耗较小，进一步保证发射线圈有高的品质因数。

最后，本发明公开了一种高品质因数的发射线圈的绕制方法，包括，

形成包括M匝绕线和N匝绕线的线圈，其中，所述M匝绕线位于线圈的中心部位，所述N匝绕线位于所述M匝绕线的外侧，所述M匝绕线匝与匝之间的间距大于所述N匝绕线匝与匝之间的间距，并且M＜N；

形成位于线圈外侧的绝缘层，所述绝缘层的厚度根据所述发射线圈的厚度要求来设置；

形成位于绝缘层外侧的屏蔽层。

其中，所述M匝绕线之间的间距设置为1cm至20cm之间的某一值。

其中，所述N匝绕线之间的间距设置为0至1cm之间的某一值。

其中，所述绝缘层的厚度设置为大于等于2mm。

其中，所述屏蔽层包括由铁氧体磁片组成的第一屏蔽层和由铜片组成的第二屏蔽层。

综上，本发明的一种高品质因数的发射线圈结构及其绕制方法，通过M+N匝的绕线方式使得原边发射线圈的临近效应减弱，品质因数大大提高，并且，将N匝绕线的布线宽度设置为较窄以减小磁场的盲区范围，可提高线圈的面积利用率，并且，在发射线圈的周围可产生均匀的磁场分布，从而有效提高了无线电能传输系统的能量传输效率。以上对依据本发明的优选实施例的一种高品质因数的发射线圈结构及其绕制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种高品质因数的发射线圈结构，包括线圈、贴合于线圈的绝缘层和贴合于绝缘层的屏蔽层，其特征在于，

所述线圈包括位于内层的M匝绕线和位于M匝绕线外侧的N匝绕线，其中，所述M匝绕线匝与匝之间的间距大于所述N匝绕线匝与匝之间的间距，并且M＜N。

2.根据权利要求1所述的发射线圈结构，其特征在于，所述M匝绕线之间的间距设置为1cm至20cm之间的某一值。

3.根据权利要求1所述的发射线圈结构，其特征在于，所述N匝绕线之间的间距设置为0cm至1cm之间的某一值。

4.根据权利要求1所述的发射线圈结构，其特征在于，所述绝缘层的厚度根据所述发射线圈的厚度要求来设置。

5.根据权利要求4所述的发射线圈结构，其特征在于，所述绝缘层的厚度设置为大于等于2mm。

6.根据权利要求1所述的发射线圈结构，其特征在于，所述屏蔽层包括由磁片组成的第一屏蔽层和由铜片组成的第二屏蔽层。

7.一种高品质因数的发射线圈的绕制方法，其特征在于，包括，

形成包括M匝绕线和N匝绕线的线圈，其中，所述M匝绕线位于线圈的中心部位，所述N匝绕线位于所述M匝绕线的外侧，所述M匝绕线匝与匝之间的间距大于所述N匝绕线匝与匝之间的间距，并且M＜N；

形成位于线圈外侧的绝缘层，所述绝缘层的厚度根据所述发射线圈的厚度要求来设置；

形成位于绝缘层外侧的屏蔽层。

8.根据权利要求7所述的发射线圈的绕制方法，其特征在于，所述M匝绕线之间的间距设置为1cm至20cm之间的某一值。

9.根据权利要求7所述的发射线圈的绕制方法，其特征在于，所述N匝绕线之间的间距设置为0至1cm之间的某一值。

10.根据权利要求7所述的发射线圈的绕制方法，其特征在于，所述绝缘层的厚度设置为大于等于2mm。