CN106230124A - 一种磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，包括高磁导率的磁芯，磁芯上设置有由一根导线分段绕制得到的线圈，线圈包括两个相互串接的绕组，每个绕组包括形状不对称的多匝螺旋式D形线圈，每匝螺旋式D形线圈由螺旋绕制的一圈导线和平铺绕制的一圈导线制成，螺旋绕制的线圈组成螺旋面，平铺绕制的线圈组成平铺面。本发明高效的解决了磁场匹配的问题，取得了高耦合的匹配效果；作为无线能量传输系统中的一种双面线圈，该结构具有较好的偏移容忍度；且该线圈结构紧凑，体积小，适用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及电磁耦合技术领域，尤其涉及一种磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈。
背景技术
感应能量传输(Inductively Power Transfer，简称IPT)技术是基于电磁感应的原理来实现电能的无线传输。该技术安全、环保、灵活，可以有效的解决移动电气设备电源的绿色接入问题。
在IPT系统中，由于磁耦合结构的原副边是分离的，存在较大气隙，导致磁耦合结构的耦合系数低，从而降低了系统的传输效率。因此，IPT系统中磁耦合结构的设计显得尤为重要。
磁耦合线圈种类繁多，不同的线圈结构导致磁场的结构会有区别。不考虑多线圈电流之间相位的变化，单一线圈结构只能产生一种类型的磁场。磁场基本可分为垂直和平行两种类型，当产生两种类型磁场的线圈正对时会出现弱耦合的现象。在典型的实例中，单极性线圈产生的是垂直磁场，双螺旋式D形线圈产生的是平行磁场，当二者正对耦合时，会出现感应零点问题。
为了解决感应零点的问题，单边线圈大多采用多个线圈，通过控制电流的相位控制磁场类型，从而避免出现弱耦合的情况，但此法增加了电路成本及复杂性。双边对称线圈虽然利用两个分开的绕组按照不同的接线方式达到磁场匹配的效果，但却弱化了平行磁场之间的耦合性能，未能取得较为理想的耦合系数。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中双面线圈耦合性能较差的缺陷，提供一种能够克服不同磁场之间的弱耦合问题，具有更高耦合度的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，包括高磁导率的磁芯，磁芯上设置有由一根导线分段绕制得到的线圈，线圈包括两个相互串接的绕组，每个绕组包括形状不对称的多匝螺旋式D形线圈，每匝螺旋式D形线圈由螺旋绕制的一圈导线和平铺绕制的一圈导线制成，螺旋绕制的线圈组成螺旋面，平铺绕制的线圈组成平铺面。
进一步地，本发明的两个绕组的串接方式包括正向串接和反向串接。
进一步地，本发明的两个绕组正向串接时，同一面上两个绕组的电流流向相同，产生平行磁场；两个绕组反向串接时，同一面上两个绕组的电流流向相反，产生垂直磁场。
进一步地，本发明的两个绕组之间镜面对称，一面呈现双D形，一面呈现I形。
进一步地，本发明的螺旋面的线圈绕线排列比平铺面的线圈绕线排列更紧密。
进一步地，本发明的平铺面的中心绕线之间间隔一根导线的距离，两侧的绕线紧密排列；螺旋面的线圈排列紧密，置于磁芯的中心位置。
进一步地，本发明可以通过改变线圈的匝数来改变耦合系数的大小。
进一步地，本发明的每个绕组设置有不少于两匝螺旋式D形线圈。
进一步地，本发明的磁芯为铁氧体。
进一步地，本发明的该线圈还设置有铝板作为屏蔽材料。
本发明产生的有益效果是：本发明的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，通过改变两个绕组的接线方式，高效的解决了磁场匹配的问题；通过改变两个绕组的接线方式，该结构充分发挥了两个面各自的优势，从而取得高耦合的匹配效果；作为无线能量传输系统中的一种双面线圈，该结构具有较好的偏移容忍度；且该线圈结构紧凑，体积小，适用范围较广。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1(a)是本发明实施例的线圈两个绕组正串的电流示意图；
图1(b)是本发明实施例的线圈两个绕组反串的电流示意图；
图2(a)是本发明实施例的线圈正串时的磁通分布图；
图2(b)是本发明实施例的线圈反串时的磁通分布图；
图3(a)是本发明实施例的模型螺旋面的示意图；
图3(b)是本发明实施例的模型平铺面的示意图；
图4(a)是本发明实施例的线圈两个绕组正串的磁场分布图；
图4(b)是本发明实施例的线圈两个绕组反串的磁场分布图；
图5(a)是本发明实施例的增加铝板后绕组正串屏蔽平铺面的磁场分布图；
图5(b)是本发明实施例的增加铝板后绕组反串屏蔽螺旋面的磁场分布图；
图6(a)是本发明实施例的线圈两个绕组正串的电流示意图；
图6(b)是本发明实施例的线圈两个绕组反串的电流示意图；
图7(a)是本发明实施例的单极性线圈的结构示意图；
图7(b)是本发明实施例的双螺旋式D形线圈的结构示意图；
图8是本发明实施例的不同接线方式下螺旋线圈两个绕组之间的距离与耦合系数之间的关系图；
图9是本发明实施例的在不同接线方式下的水平偏移量和耦合系数之间的关系对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1(a)和图1(b)所示，本发明实施例的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，包括高磁导率的磁芯，磁芯上设置有由一根导线分段绕制得到的线圈，线圈包括两个相互串接的绕组，每个绕组包括形状不对称的多匝螺旋式D形线圈，每匝螺旋式D形线圈由螺旋绕制的一圈导线和平铺绕制的一圈导线制成，螺旋绕制的线圈组成螺旋面，平铺绕制的线圈组成平铺面。
两个绕组的串接方式包括正向串接和反向串接。两个绕组正向串接时，同一面上两个绕组的电流流向相同，产生平行磁场；两个绕组反向串接时，同一面上两个绕组的电流流向相反，产生垂直磁场。
两个绕组之间镜面对称，一面呈现双D形，一面呈现I形。螺旋面的线圈绕线排列比平铺面的线圈绕线排列更紧密。平铺面的中心绕线之间间隔一根导线的距离，两侧的绕线紧密排列；螺旋面的线圈排列紧密，置于磁芯的中心位置。
该线圈通过改变线圈匝数来改变耦合系数的大小，每个绕组设置有不少于两匝螺旋式D形线圈。
在本发明的另一个具体实施例中，无线能量传输装置的线圈称为螺旋双面D形线圈。
该线圈结构包括高磁导率的磁芯和由多股细导线绕制而成的利兹线。高磁导率的磁芯根据实际条件可以有多种不同的设计，绕制在磁芯上的线圈是由两个对称的绕组串接而成。每匝线圈在磁芯上绕完一圈，接下来的一圈便会在一个面上绕成D型，如此循环往复绕完所需线圈的匝数。
因为两侧不对称的绕法导致双面导线排布的稀疏程度及位置有较大差异。该线圈绕线排列紧密的一侧称为螺旋面，排列稀疏的一侧称为平铺面。其中平铺面的中心绕线之间间隔一根导线的距离，两侧的绕线紧密排列；螺旋面的线圈排列紧密，置于磁芯的中心位置。
当两个绕组正串相连，该结构的两个面都产生平行磁场；当两个绕组反串相连，该结构的两个面都产生垂直磁场。
为了能够最大程度的发挥两个面各自的优势，需要产生或耦合平行磁场的时候可以利用螺旋面，需要产生或耦合垂直磁场时可以利用平铺面。
为了接线方便，所述两个绕组的线圈采用同一根导线分段绕制而成。
为了减小漏感，减少电磁辐射，增大该结构的耦合系数，采用铝板作为屏蔽材料。
如图1(a)和图1(b)所示，在本发明的另一个具体实施例中，装置包括磁芯和线圈两部分。线圈是由同一根导线分段绕制而成。通过改变两个绕组串接的方式来改变绕组在同一个面上的电流流向。其中导线采用由多股细导线绕制而成的利兹线，磁芯采用高磁导率的铁氧体。如图1(a)所示，当两个绕组正串，同一面上两个绕组的电流流向相同；如图1(b)所示，当两个绕组反串，同一面上两个绕组的电流流向相反。由图2可知，两个绕组正串产生的是平行磁场，反串时两个绕组产生的是垂直磁场。如图3所示，螺旋面能高效的产生并耦合平行磁场，平铺面能高效的产生并耦合垂直磁场。因为本发明是一个双面绕组，由图4可知，无论以何种方式相连，该结构都会存在较大的漏感。为了减少漏感，增大耦合系数，使用铝板作为屏蔽材料。由图5可知，添加铝板后，无用侧的磁场明显减少，有用侧的磁场强度也会得以增强。
图6给出了传统双面对称的螺旋线圈的结构示意图，该结构同样采用一根导线分段连接的方式，通过改变两个绕组的接线方式从而达到磁场匹配的效果。为了验证其匹配效果，采用产生相同磁场类型的单边绕组与之耦合。当两个绕组正串时，产生平行磁场，采用双D形线圈与之耦合；当两个绕组反串时，产生垂直磁场，采用单极性线圈与之耦合。图7为双D形线圈和单极性线圈的结构示意图，具体的仿真参数如表1所示。
表1：螺旋线圈仿真参数设置
通过改变两个绕组之间的距离来改变调整匹配的效果，如图8所示，虽有一个折中点来保证该螺旋线圈与双D形线圈和单极性线圈耦合的耦合系数(k)相同，但却并非最大的k值。
本发明具体实施例的参数如表2所示。
表2：螺旋双D形线圈仿真参数设置
仿真结果如表3所示。
表3：本发明的仿真结果
| 原边线圈拓扑 | 副边线圈拓扑 | 耦合系数k | 耦合系数k(加铝板) |
| 螺旋双D形 | 双D形 | 0.219 | 0.239 |
| 螺旋双D形 | 单极性 | 0.198 | 0.231 |
由表3可以看出，在同样没加铝板的情况下，本发明所取得的耦合系数大于图8中传统双面线圈所取得的最大值，添加铝板后，耦合系数得以增加，从而证明了本发明无线能量传输系统线圈结构的优越性。
如图9所示，对比两个双D形线圈和两个单极性线圈之间在气隙为100mm的偏移容忍度，可以得出，本发明能够获得优于单面的双D形线圈的偏移容忍度，且无需改变线圈的结构即可获得和单极性线圈相似的偏移容忍度。
磁耦合结构的耦合系数与原副边线圈的匝数有关，可以通过调节线圈的匝数来改变耦合系数的大小。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，其特征在于，包括高磁导率的磁芯，磁芯上设置有由一根导线分段绕制得到的线圈，线圈包括两个相互串接的绕组，每个绕组包括形状不对称的多匝螺旋式D形线圈，每匝D形线圈由螺旋绕制的一圈导线和平铺绕制的一圈导线制成，螺旋绕制的线圈组成螺旋面，平铺绕制的线圈组成平铺面。
2.根据权利要求1所述的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，其特征在于，两个绕组的串接方式包括正向串接和反向串接。
3.根据权利要求2所述的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，其特征在于，两个绕组正向串接时，同一面上两个绕组的电流流向相同，产生平行磁场；两个绕组反向串接时，同一面上两个绕组的电流流向相反，产生垂直磁场。
4.根据权利要求1所述的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，其特征在于，两个绕组之间镜面对称，一面呈现双D形，一面呈现I形。
5.根据权利要求1所述的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，其特征在于，螺旋面的线圈绕线排列比平铺面的线圈绕线排列更紧密。
6.根据权利要求5所述的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，其特征在于，平铺面的中心绕线之间间隔一根导线的距离，两侧的绕线紧密排列；螺旋面的线圈排列紧密，置于磁芯的中心位置。
7.根据权利要求1所述的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，其特征在于，通过改变线圈的匝数来改变耦合系数的大小。
8.根据权利要求1所述的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，其特征在于，每个绕组设置有不少于两匝螺旋式D形线圈。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，其特征在于，磁芯为铁氧体。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的磁耦合无线能量传输装置的双面不对称线圈，其特征在于，该线圈还设置有铝板作为屏蔽材料。
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