CN106787235A - 分组密绕式无线能量发射机构及其绕线参数选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分组密绕式无线能量发射机构及其绕线参数选取方法，包括原边线圈和原边磁芯，原边线圈为两组线圈串绕组成的回型盘状线圈，该第一组线圈设置在第二组线圈的内部，所述原边线圈的尺寸大于无线能量接收机构的副边线圈的尺寸。在无线电能传输系统的发射端采用分组密绕式回型线圈，其互感耦合值与横向抗偏移能力均大幅度提升，当副边线圈发生横向偏移时，原边仍有线圈与副边线圈相对应，以保证总是有较多的磁力线穿过副边线圈，从而使接收端耦合到更多能量，本发明在保证足够纵向耦合能力的同时，提高其横向抗偏移能力，有效减少空气中的漏磁，且保证线圈尺寸不增加。

Description

分组密绕式无线能量发射机构及其绕线参数选取方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种分组密绕式无线能量发射机构及其绕线参数选取方法。

背景技术

随着社会的进步、科技的发展、环境和能源问题的日益突出，发展和普及电动汽车等新能源汽车的呼声日趋高涨，在电动汽车充电技术方面，非接触式的无线充电技术也随之发展起来。电动汽车采用的非接触式无线充电技术有3大类，分别为电磁感应式、微波式和电磁共振式，其中，电磁感应式利用线圈间产生的电磁感应现象传输电力，是目前最接近实用化的充电技术。

现有技术中原、副边线圈采用的是严格密绕或者蚊香式(有间隔)缠绕方法，当电动汽车静态充电位置发生横向偏移时，其耦合效果将大大降低，从而导致无线电能传输系统不稳定。虽然DDQ与BBP可以提高横向与纵向的偏移能力，但是尺寸相对较大，对于电动汽车静态充电而言，考虑到电动汽车底盘体积等因素，我们的理念是线圈尺寸越小越好，尤其是副边线圈尺寸有要求时，DDP+BBP的组合便不再适用了。

发明内容

本申请通过提供一种分组密绕式无线能量发射机构及其绕线参数选取方法，以解决现有技术中电动汽车静态充电位置发生横向偏移时，耦合效果大大下降而导致的无线电能传输系统不稳定的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种分组密绕式无线能量发射机构，包括原边线圈和原边磁芯，所述原边线圈为第一组线圈和第二组线圈串绕组成的回型盘状线圈，该第一组线圈设置在第二组线圈的内部，所述原边线圈的尺寸大于无线能量接收机构的副边线圈的尺寸。

进一步地,所述原边磁芯包括N条T型原边磁芯，所述T型原边磁芯包括横向原边磁芯和竖向原边磁芯，所述T型原边磁芯呈中心对称均匀沿回型盘状线圈的径向贴附在所述原边线圈的盘面上。

进一步地，还设置有原边壳体，该原边壳体包括第一壳体和第二壳体，在所述第一壳体的内表面开设有原边线圈容置槽，所述原边线圈固设在所述原边线圈容置槽内；在所述第二壳体的内表面开设有原边磁芯容置槽，所述原边磁芯容置槽包括T型原边磁芯容置槽，所述T型原边磁芯固设在所述T型原边磁芯容置槽内。

作为一种优选的技术方案，所述第一组线圈为方形盘状线圈，所述第二组线圈为方形盘状线圈。

作为另一种优选的技术方案，所述第一组线圈为圆形盘状线圈，所述第二组线圈为方形盘状线圈。

为了减轻原边壳体的重量，减少生产原边壳体用材，在所述第二壳体的内表面上设置有空槽。

一种分组密绕式无线能量发射机构的绕线参数选取方法，包括如下步骤：

S1：将互感耦合值M锁定在某个区域范围内；

S2：设置参数：第一组线圈的1/2外径为d₁、第二组线圈的1/2外径为d₂、线径为R，其中，第一组线圈的匝数为N₁，第二组线圈的匝数为N₂，第一组线圈的内径r₁，第一组线圈的外径与第二组线圈的内径的间距Δd均为待定值；

S3：判断是否同时满足以下条件：d₂≥d₁>0，r₁>0，R>0，N₁＝(d₁-r₁)/R≥1，如果是，则进入步骤S4，否则，跳转至步骤S2；

S4：Δd＝nR，1≤n≤d₂-r₁-N₁*R，n初值为1；

N₂＝(d₂-r₁-N₁*R-Δd)/R；

S5：判断是否同时满足以下条件：N₂≥0，Δd≥0，如果是，则进入步骤S6，否则，进入步骤S7；

S6：令n＝n+1，并跳转回步骤S4；

S7：通过有限元软件仿真进行参数化扫描分析，选出一组最佳参数r₁、N₁、N₂、Δd；

S8：计算该最佳参数下的回型盘状线圈的绕线长度l₂，令传统单组密绕的绕线长度l₁与回型盘状线圈的绕线长度l₂相等，即l₁＝l₂，计算此时传统单组密绕的线圈匝数N₀；

S9：将分组密绕与传统单组密绕的互感耦合值及互感偏移百分比进行对比；

S10：判断分组密绕的抗偏移性是否更好，如果是，则进入步骤S11，否则，跳转至步骤S7；

S11：该组最佳参数即为回型盘状线圈的绕线参数。

进一步地，回型盘状线圈的绕线长度为：

传统单组密绕的绕线长度为：传统单组密绕的线圈匝数式中，d为传统单组密绕的1/2外径。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：在无线电能传输系统的发射端采用分组密绕式回型线圈，其互感耦合值与横向抗偏移能力均大幅度提升，当副边线圈发生横向偏移时，原边仍有线圈与副边线圈相对应，以保证总是有较多的磁力线穿过副边线圈，从而使接收端耦合到更多能量，本发明在保证足够纵向耦合能力的同时，提高其横向抗偏移能力，有效减少空气中的漏磁，且保证线圈尺寸不增加。

附图说明

图1为一种无线能量发射机构的结构示意图；

图2为原边线圈和第一壳体的安装结构示意图；

图3为原边磁芯和第二壳体的安装结构示意图；

图4为四种线圈结构对应的横向偏移距离与互感偏移百分比关系图；

图5为四种线圈结构对应的横向偏移距离与互感耦合值关系图；

图6为传统单组密绕示意图；

图7为本发明的分组密绕示意图；

图8(a)为互感耦合值M≥70uH范围内横向偏移距离与互感偏移百分比关系图；

图8(b)为互感耦合值M≥70uH范围内横向偏移距离与互感关系图；

图9(a)为互感耦合值60uH<M<70uH范围内横向偏移距离与互感偏移百分比关系图；

图9(b)为互感耦合值60uH<M<70uH范围内横向偏移距离与互感关系图；

图10(a)为互感耦合值50uH<M<60uH范围内横向偏移距离与互感偏移百分比关系图；

图10(b)为互感耦合值50uH<M<60uH范围内横向偏移距离与互感关系图；

图11(a)为互感耦合值40uH<M<50uH范围内横向偏移距离与互感偏移百分比关系图；

图11(b)为互感耦合值40uH<M<50uH范围内横向偏移距离与互感关系图；

图12(a)为互感耦合值30uH<M<40uH范围内横向偏移距离与互感偏移百分比关系图；

图12(b)为互感耦合值30uH<M<40uH范围内横向偏移距离与互感关系图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种分组密绕式无线能量发射机构及其绕线参数选取方法，以解决现有技术中电动汽车静态充电位置发生横向偏移时，耦合效果大大下降而导致的无线电能传输系统不稳定的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种分组密绕式无线能量发射机构，如图1所示，包括原边线圈1和原边磁芯，所述原边线圈1为第一组线圈101和第二组线圈102串绕组成的回型盘状线圈，该第一组线圈101设置在第二组线圈102的内部，所述原边线圈1的尺寸大于无线能量接收机构的副边线圈的尺寸。

所述原边磁芯包括N条T型原边磁芯201，所述T型原边磁芯201包括横向原边磁芯和竖向原边磁芯，所述T型原边磁芯201呈中心对称均匀沿回型盘状线圈的径向贴附在所述原边线圈1的盘面上。所述原边线圈1的尺寸大于无线电能传输系统的副边线圈的尺寸。

一种无线能量发射机构的技术方案原理，在原边线圈1上设置原边磁芯，用于引导磁力线的走向，从而使更多的磁力线可以通过副边线圈，且原边线圈1采用分组密绕式回型线圈，其互感耦合值与横向抗偏移能力均大幅度提升，且原边线圈1尺寸大于副边线圈尺寸，当副边线圈发生横向偏移时，原边仍有线圈与副边线圈相对应，以保证总是有较多的磁力线穿过副边线圈，从而使接收端耦合到更多能量，中心对称设置的T型原边磁芯201与铺满磁芯引导磁力线的能力相同，T型原边磁芯201的抗震性比铺满磁芯的抗震性更好，且T型原边磁芯201的重量较轻。

所述分组密绕式无线能量发射机构还设置有原边壳体，该原边壳体包括第一壳体301和第二壳体302，如图2所示，在所述第一壳体301的内表面开设有原边线圈容置槽，所述原边线圈1固设在所述原边线圈容置槽内；如图3所示，在所述第二壳体302的内表面开设有原边磁芯容置槽，所述原边磁芯容置槽包括T型原边磁芯容置槽，所述T型原边磁芯固设在所述T型原边磁芯容置槽和条形原边磁芯容置槽内。为了减轻原边壳体的重量，减少生产原边壳体用材，在所述第一壳体和第二壳体的内表面上均分布有空槽4。

经仿真实验表明，所述第一组线圈为方形盘状线圈，所述第二组线圈为方形盘状线圈，或者所述第一组线圈为圆形盘状线圈，所述第二组线圈为方形盘状线圈时，与现有技术的单组密绕方式相比，在互感耦合值与横向抗偏移能力方面均有大幅提高，下面将详细介绍仿真实验的过程。

原边线圈与副边线圈的结构大致有以下几种情况：原边圆形—副边圆形、原边圆形—副边方形、原边方形—副边方形、原边方形—副边圆形。表1所示是对上述各种结构进行仿真分析后得到的互感耦合值以及互感偏移百分比。

表1不同原副边结构对应的互感耦合值以及互感偏移百分比

通过四组仿真分析可知，当原边圆形—副边方形时，正对时(不偏移时)的耦合效果最好，互感耦合值最大，但是横向抗偏移能力最差；原边圆形—副边圆形时，正对时的耦合效果略差于边圆形—副边方形，且横向抗偏移能力与前者一样差；当原边方形—副边圆形时，此时正对互感值很小，但是抗偏移能力较好；最后是原边方形—副边方形，这种结构的互感耦合值仅次于原边圆形—副边方形，但是抗偏移能力却大大的好于原边圆形—副边方形。对于电动汽车无线充电一个系统而言，互感耦合值与横向抗偏移能力均很重要，综合以上两点考虑，选择两者均较好的原边方形—副边方形结构作为研究基础。图4所示为四种线圈结构对应的横向偏移距离与互感偏移百分比图，图5所示为四种线圈结构对应的横向偏移距离与互感耦合值图。

由于线圈电流同向时磁场相互叠加，线圈电流方向相反时磁场相互抵消，所以此种线圈设计的重点就在于线圈匝数的分组配比与间隙的大小关系的合适程度。由于结构的复杂性，很难用理论公式进行推理分析，所以本实施例采用有限元软件，对线圈结构进行分析，通过仿真数据和实验去验证此种结构的优异性和可行性。

首先，将现有技术中单组密绕与本发明中分组密绕做对比，如表2所示。

表2：不同线圈对应的互感耦合值以及互感偏移百分比

通过仿真分析，此处可以确定，线圈为两组时效果最好，即双线圈串联。

接着，需要确定最佳匝数的配比与间隙大小。

由表1的仿真可知，原边为方形，副边为圆形时，互感耦合值最小，抗偏移能力最强，原副边均为圆形的时候，互感耦合值较小切抗偏移能力较差，而原边为圆形，副边为方形时，互感耦合值最大，但是抗偏移能力也较差，原边副边均为方形时，互感耦合值介于前两种情况之间，抗偏移能力大幅度提升。说明原边为方形可以提高横向抗偏移能力，原边为圆形可以提高纵向耦合效果，而副边为圆形可以提高横向抗偏移能力，副边方形可以提高纵向耦合效果。综上所述，结合以上两种优势，后续分析专注于抗偏移能力最好以及纵向耦合效果较好的原副边皆为方形的情况。此处，考虑以上两种优势情况，将原边结构设计成为内圆外方的形状，利用有限元软件进行仿真分析。分析此种线圈结构与原副边均为方形结构的哪个优势更大。

由以上分析得到几组结构组合：原边内圆外方-副边方，原边内方外方-副边圆，原边内方外圆-副边圆，原边圆圆-副边方，原边内圆外方-副边圆。由表3的仿真结果分析可知，原边内方外圆-副边方的互感耦合值较大，抗偏移性很差，原边内方外方-副边圆的互感耦合值很小，抗偏移性较好，原边内方外方-副边方的互感耦合值很大，但是抗偏移性略差，原边内圆外方-副边圆的互感耦合值很大，抗偏移性一般，原边内圆外圆-副边方的互感耦合值非常大，但抗偏移性最差，原边内圆外方-副边方的互感耦合值很大，但抗偏移性很差。所以综合考虑，情况较好的是原边内方外方-副边方与原边内方外方-副边圆，原边内圆外方-副边圆，前者互感值很大，抗偏移性略差，后者互感值较小，但抗偏移性较好。

表3不同原副边结构对应的互感耦合值以及互感偏移百分比

一种分组密绕式无线能量发射机构的绕线参数选取方法，包括如下步骤：

S1：将互感耦合值M锁定在某个区域范围内；

S2：设置参数：第一组线圈的1/2外径为d₁、第二组线圈的1/2外径为d₂、线径为R，其中，第一组线圈的匝数为N₁，第二组线圈的匝数为N₂，第一组线圈的内半径r₁，第一组线圈的外径与第二组线圈的内径的间距Δd均为待定值；

S3：判断是否同时满足以下条件：d₂≥d₁>0，r₁>0，R>0，N₁＝(d₁-r₁)/R≥1，如果是，则进入步骤S4，否则，跳转至步骤S2；

S4：Δd＝nR，1≤n≤d₂-r₁-N₁*R，n初值为1；

N₂＝(d₂-r₁-N₁*R-Δd)/R；

S5：判断是否同时满足以下条件：N₂≥0，Δd≥0，如果是，则进入步骤S6，否则，进入步骤S7；

S6：令n＝n+1，并跳转回步骤S4；

S7：通过有限元软件仿真进行参数化扫描分析，选出一组最佳参数r₁、N₁、N₂、Δd；

S8：计算该最佳参数下的回型盘状线圈的绕线长度l₂，令传统单组密绕的绕线长度l₁与回型盘状线圈的绕线长度l₂相等，即l₁＝l₂，计算此时传统单组密绕的线圈匝数N₀；

回型盘状线圈的绕线长度为：

传统单组密绕的绕线长度为：传统单组密绕的线圈匝数式中，d为传统单组密绕的1/2外径。

S9：将分组密绕与传统单组密绕的互感耦合值及互感偏移百分比进行对比；

S10：判断分组密绕的抗偏移性是否更好，如果是，则进入步骤S11，否则，跳转至步骤S7；

S11：该最佳参数即为回型盘状线圈的绕线参数。

图6所示为传统单组密绕示意图，图7所示为本发明的分组密绕示意图。

为了便于分析，选取原边内方外方-副方(即：原边回型-副边方型)进行参数化扫描分析。

由仿真分析结果可知，互感变化不是线性的，不会出现单调增大或者单调减小的情况，在每组参数中，有N个峰值和最小值。由于项目中对互感M一般有个大概的范围。所以先将互感锁定在某个区域范围内，然后去确定最佳抗偏移情况。表格4。

表4不同互感耦合值范围对应的最佳偏移匝数的互感耦合值以及互感偏移百分比

表中，R＝4,1-2.24-30代表：分组密绕原边线圈的回型盘状线圈中第一组线圈的内径为4cm，匝数为1匝，第一组线圈与第二组线圈的间距为2.24cm，第二组线圈的匝数为30匝。R＝7，N＝30表示传统密绕原边线圈的内径为7cm，匝数为30匝。

图8(a)、8(b)分别为互感耦合值M≥70uH范围内横向偏移距离与互感偏移百分比关系图、横向偏移距离与互感关系图，当传统密绕中的最佳偏移情况(R＝7.3，N＝29.8),在用线量相当的情况下，此时的互感值除了正对不偏移时略大于回型线圈，偏移时均小于回型线圈，所以抗偏移性传统密绕相较于分组密绕而言很差。所以在这个范围分组密绕线圈更有优势。

图9(a)、9(b)分别为互感耦合值60uH<M<70uH范围内横向偏移距离与互感偏移百分比关系图、横向偏移距离与互感关系图，当传统密绕中的最佳偏移情况(R＝10.9，N＝23),不仅互感值小于分组密绕线圈的情况，抗偏移性也差于分组密绕线圈。所以在这个范围分组密绕线圈有明显优势。

图10(a)、10(b)分别为互感耦合值50uH<M<60uH范围内横向偏移距离与互感偏移百分比关系图、横向偏移距离与互感关系图，当传统密绕中的最佳偏移情况(R＝12.8，N＝20),此时的互感值除了正对不偏移时略大于分组密绕线圈，偏移时均小于回型线圈，所以抗偏移性相较于分组密绕线圈很差，且用线量相当。所以在这个范围分组密绕线圈更有优势。

图11(a)、11(b)分别为互感耦合值40uH<M<50uH范围内横向偏移距离与互感偏移百分比关系图、横向偏移距离与互感关系图，当传统密绕中的最佳偏移情况(R＝14.3，N＝17.4),由折线图可以清晰的发现，在互感值相当的情况下，但是分组密绕线圈的抗偏移性更好一点，所以此范围的互感值要求下，分组密绕线圈更好一点。

图12(a)、12(b)分别为互感耦合值30uH<M<40uH范围内横向偏移距离与互感偏移百分比关系图、横向偏移距离与互感关系图，当密绕中的最佳偏移情况(R＝16.1，N＝14.1),在所用线圈长度相当的情况下，两种绕线方式互感值相当，但分组密绕线圈的抗偏移性更好。

传统的单组密绕方式，当接收端发生横向偏移时，有大部分磁力线会在空气中形成闭合回路，没有将能量传递到接收端，而本发明提出的分组密绕式可以有效减少磁力线在空气中形成闭合，将大量的磁力线拉回到接收端，将空气中的磁场泄漏降低到更少。所以，本发明在保证系统正常工作的耦合效果下，不仅提升了系统的横向抗偏移能力，还能有效减少空气中的漏磁。

本申请的上述实施例中，通过提供一种分组密绕式无线能量发射机构及其绕线参数选取方法，包括原边线圈和原边磁芯，原边线圈为两组线圈串绕组成的回型盘状线圈，该第一组线圈设置在第二组线圈的内部，所述原边线圈的尺寸大于无线能量接收机构的副边线圈的尺寸。本发明在保证足够纵向耦合能力的同时，提高其横向抗偏移能力，有效减少空气中的漏磁，且保证线圈尺寸不增加。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种分组密绕式无线能量发射机构，其特征在于，包括原边线圈和原边磁芯，所述原边线圈为第一组线圈和第二组线圈串绕组成的回型盘状线圈，该第一组线圈设置在第二组线圈的内部，所述原边线圈的尺寸大于无线能量接收机构的副边线圈的尺寸。

2.根据权利要求1所述的分组密绕式无线能量发射机构，其特征在于,所述原边磁芯包括N条T型原边磁芯，所述T型原边磁芯包括横向原边磁芯和竖向原边磁芯，所述T型原边磁芯呈中心对称均匀沿回型盘状线圈的径向贴附在所述原边线圈的盘面上。

3.根据权利要求2所述的分组密绕式无线能量发射机构，其特征在于，还设置有原边壳体，该原边壳体包括第一壳体和第二壳体，在所述第一壳体的内表面开设有原边线圈容置槽，所述原边线圈固设在所述原边线圈容置槽内；在所述第二壳体的内表面开设有原边磁芯容置槽，所述原边磁芯容置槽包括T型原边磁芯容置槽，所述T型原边磁芯固设在所述T型原边磁芯容置槽内。

4.根据权利要求1所述的分组密绕式无线能量发射机构，其特征在于，所述第一组线圈为方形盘状线圈，所述第二组线圈为方形盘状线圈。

5.根据权利要求1所述的分组密绕式无线能量发射机构，其特征在于，所述第一组线圈为圆形盘状线圈，所述第二组线圈为方形盘状线圈。

6.根据权利要求3所述的分组密绕式无线能量发射机构，其特征在于，在所述第二壳体的内表面上设置有空槽。

7.如权利要求1所述的分组密绕式无线能量发射机构的绕线参数选取方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将互感耦合值M锁定在某个区域范围内；

S2：设置参数：第一组线圈的1/2外径为d₁、第二组线圈的1/2外径为d₂、线径为R，其中，第一组线圈的匝数为N₁，第二组线圈的匝数为N₂，第一组线圈的内径r₁，第一组线圈的外径与第二组线圈的内径的间距Δd均为待定值；

S3：判断是否同时满足以下条件：d₂≥d₁>0，r₁>0，R>0，N₁＝(d₁-r₁)/R≥1，如果是，则进入步骤S4，否则，跳转至步骤S2；

S4：Δd＝nR，1≤n≤d₂-r₁-N₁*R，n初值为1；

N₂＝(d₂-r₁-N₁*R-Δd)/R；

S5：判断是否同时满足以下条件：N₂≥0，Δd≥0，如果是，则进入步骤S6，否则，进入步骤S7；

S6：令n＝n+1，并跳转回步骤S4；

S7：通过有限元软件仿真进行参数化扫描分析，选出一组最佳参数r₁、N₁、N₂、Δd；

S8：计算该最佳参数下的回型盘状线圈的绕线长度l₂，令传统单组密绕的绕线长度l₁与回型盘状线圈的绕线长度l₂相等，即l₁＝l₂，计算此时传统单组密绕的线圈匝数N₀；

S9：将分组密绕与传统单组密绕的互感耦合值及互感偏移百分比进行对比；

S10：判断分组密绕的抗偏移性是否更好，如果是，则进入步骤S11，否则，跳转至步骤S7；

S11：该组最佳参数即为回型盘状线圈的绕线参数。

8.根据权利要求7所述的分组密绕式无线能量发射机构的绕线参数选取方法，其特征在于，回型盘状线圈的绕线长度为：

$l_2=\frac{r_1*8+(d_1+r_1)*8}{2}+\frac{(r_1+d_1+\mathrm{\&Delta;}d)*8+(r_1+d_1+\mathrm{\&Delta;}d+d_2)*8}{2};$

传统单组密绕的绕线长度为：传统单组密绕的线圈匝数式中，d为传统单组密绕的1/2外径。