CN106935388A - 一种多绕组磁耦合接收线圈结构 - Google Patents

一种多绕组磁耦合接收线圈结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多绕组磁耦合接收线圈结构，具体包括一环形磁芯、若干组绕组以及多路选通开关网络；所述若干组绕组分为两类，第一类包括大于等于3组的绕组，该第一类绕组沿所述环形磁芯的截面绕制，用以耦合感应与环形磁芯平面平行方向但任意角度的外部磁场；第二类包括1组绕组，该第二类绕组沿所述环形磁芯的磁环圆周绕制，用以耦合感应与环形磁芯平面垂直方向的外部磁场；所述若干组绕组的端口通过一个多路选通开关网络实现不同的选通连接后输出，用以使得各个绕组的耦合感应电压相互叠加。本发明可以尽可能多的耦合感应空间任意方向的磁场，而且结构简单，具有平面化低矮的特点。

Description

一种多绕组磁耦合接收线圈结构
技术领域
本发明涉及磁感应式无线电能传输领域，特别是一种多绕组磁耦合接收线圈结构。
背景技术
现有的磁耦合平面线圈的基本结构如图1、图2以及图3所示。其中，如图1所示，主要有平面螺旋O形线圈、8字形线圈以及螺线管形线圈。为了增大接收侧线圈位置偏移对磁耦合的影响，如图2在图1中 8字形线圈结构的基础上叠加0形线圈。为了能够接收不同方向的磁场，如图3采用多个不同方向布置的正交绕组分别感应不同方向的磁场，分别整流后在直流侧串联或并联输出。
但是，上述图1的方案主要接收单一方向的磁场，主要应用于发射侧和接收侧位置位于不同平行平面的位置且位置相对固定的场合，不能接收其它方向的磁场，还需要与发射侧线圈结构配合；图2的方案应用于接收侧和发射侧线圈存在一定相对横向位置偏移的场合，以提高耦合系数，但同样不能接收其他方向的磁场；图3的结构虽然采用多个线圈可以接收不同方向的磁场，但需要对应多个接收侧电路，不仅电路复杂，而且每个接收侧电路由于输出需要串联或并联，使得各个输出电流或电压被强迫一致，导致各个接收侧电路互相影响，无法达到最佳阻抗匹配工作状态。此外图3的多线圈使得磁芯和线圈结构复杂，体积大，高度高，不便于平面化应用场合。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种多绕组磁耦合接收线圈结构，可以尽可能多的感应空间任意方向的磁场，而且结构简单，具有平面化低矮的特点。
本发明采用以下方案实现：一种多绕组磁耦合接收线圈结构，具体包括一环形磁芯以及若干组绕组；所述若干组绕组分为两类，第一类包括大于等于3组的绕组，该第一类绕组沿所述环形磁芯的截面绕制，用以耦合感应与环形磁芯平面平行方向的任意角度的外部磁场；第二类包括1组绕组，该第二类绕组沿所述环形磁芯的磁环圆周绕制，用以耦合感应与环形磁芯平面垂直方向的外部磁场；所述若干组绕组的端口通过一个多路选通开关网络实现不同的选通连接，用以使得各个绕组的感应电压相互叠加。
进一步地，所述绕组端口连接关系的确定通过分析法、试探法、测试法或替代法实现。
进一步地，所述分析法适用于外部磁场方向已知的场合，事先分析出在所有外部磁场方向作用下的各绕组端口的串联顺序，根据所述的串联顺序确定选通开关的接通或关断，排除不必要的连接；当某个已知方向的外部磁场作用时，通过选通相应的开关得到感应电压最大的绕组端口串联顺序。
进一步地，所述试探法适用于外部磁场方向未知的场合，可以不通过判断电压极性来实现连接，首先将各组绕组端口通过任意一种串联顺序连接，从进线端所在的绕组开始，每次通过选通开关切换相邻两个绕组间的连接端，比较二者的感应电压大小，如果切换后感应电压变大，则按照切换后的连接端进行选通，如果切换后感应电压变小，则仍保持切换前的选通方式，如果切换前后感应电压并没有发生变化，则切换前后的选通方式可任选其一，以此类推，直到将所有绕组都串联起来，便可得到空间内某个方向磁场下的最大感应电压。
进一步地，所述测试法适用于外部磁场方向未知的场合，通过判断所有绕组的电压极性再进行串联。首先测量出所有绕组两端的电压大小，取电压最大的绕组作为参考绕组，然后将参考绕组与剩下的绕组逐个分别串联，每次仅仅将参考绕组与剩余的其中一组绕组串联，测量每次串联后的进线端和出线端间的电压，如果该电压与参考绕组原来的电压相比增大了，则此时与参考绕组串联的绕组两端的极性相对应的与参考绕组两端的极性相反，反之亦然，以此判断出所有绕组两端的电压极性，再通过选通开关实现同感应电压极性绕组的串联。
进一步地，所述替代法适用于外部磁场方向未知的场合，提供另一种判断所有绕组两端电压极性的方法。首先在每一个原绕组的正中间套一个辅助绕组，即辅助绕组的对称轴与原绕组的对称轴是重合的，但是辅助绕组的匝数比原绕组少，仅需绕制少量的匝数即可，然后按照上述测试法的方法测试所有辅助绕组两端的电压极性，则每个辅助绕组两端的极性即可代表相对应的原绕组两端的极性。以此判断出所有原绕组的电压极性，再通过选通开关实现串联。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明可以在任意位置和角度最大地接收和感应空间中任意方向的磁场，并不局限于仅感应单一方向的磁场。
2、本发明结构简单，高度低，适合于平面低矮化应用。
3、本发明绕组沿磁环截面绕制，绕组平均匝长短，电阻小。
附图说明
图1为本发明背景技术中的绕制方案一。
图2为本发明背景技术中绕制方案二。
图3为本发明背景技术中绕制方案三。
图4为本发明实施例中的结构示意图。
图5为本发明实施例中五绕组结构示意图。
图6为本发明实施例中空间内磁场方向示意图。
图7为本发明实施例中Bt方向为指向两组绕组间的分界处示意图。
图8为本发明实施例中Bt方向为偏向于Aa绕组A端的某一角度示意图。
图9为本发明实施例中Bt方向指向于Aa绕组的中间对称点示意图。
图10为本发明实施例中Bn是垂直纸面向里或向外时示意图。
图11为本发明实施例中将接收线圈分成4个扇区示意图。
图12为本发明实施例中所有绕组的开关连接示意图。
图13为本发明实施例中采用试探法得到的开关网络连接示意图。
图14为本发明实施例中采用测试法得到的开关网络连接示意图。
图15为本发明实施例中采用替代法得到的开关网络连接示意图。
图16为本发明实施例中谐振电容的选择示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施例提供了一种多绕组磁耦合接收线圈结构，包括一环形磁芯、若干组绕组以及多路选通开关网络；所述若干组绕组分为两类，第一类包括大于等于3组的绕组，该第一类绕组沿所述环形磁芯的截面绕制，用以接收与环形磁芯平面平行方向的磁场；第二类包括1组绕组，该第二类绕组沿所述环形磁芯的磁环圆周绕制，用以接收与环形磁芯平面垂直方向的磁场；所述若干组绕组的端口通过一个多路选通开关网络实现不同的选通连接，用以使得各个绕组的感应电压相互叠加。
在本实施例中，如图4所示，在环形磁芯上沿磁环圆周绕磁芯截面布置有三组以上的若干组绕组1，用于接收与环形磁芯平面平行方向的磁场；在环形磁芯沿磁环圆周绕制一组绕组2，用于接收与环形磁芯平面垂直方向的磁场；各个绕组的端口根据一定的方法通过一个多路选通开关网络实现不同的选通连接，以使得各个绕组的感应电压相互叠加。为方便原理阐述，以五组绕组为例，如图5所示，其中Aa、Bb、Cc、Dd分别为沿磁环圆周绕磁芯截面布置的四个绕组，Ee为沿磁环圆周绕制一组绕组。
如图6所示，在本实施例中，空间内任意方向的磁场都可以分解为平行磁环平面磁场分量Bt和垂直磁环平面磁场分量Bn两个正交分量，Bt分量由绕组Aa，Bb，Cc和Dd感应，Bn分量由绕组Ee感应，由于这两部分绕组是正交解耦的，可以将其分别考虑，最后根据感应电压极性串联叠加即可。
对于平行平面磁场分量Bt，由于其没有穿过绕组Ee，在绕组Ee上的感应电压为0，但会在绕组Aa、Bb、Cc、Dd上感应出电压。为分析方便，分别针对Bt的三个典型方向作分析。
如图7所示，在本实施例中，设Bt方向为指向两组绕组间的分界处，如B1，磁芯中的磁场会沿着两侧的路径1和路径2分布。根据电磁感应定律，磁芯上的四组绕组都会感应出相应极性的感应电压，分别为A正a负，B正b负，C负c正，D负d正，此时只需将相同极性的绕组串联起来，便可以使得所有绕组感应的电压同极性相加，总和最大。如果以A端为起点，则图7中的各组绕组的串联顺序应该为Aa-Bb-cC-dD，此时在AD两端得到的感应电压便是最大的。
如图8所示，在本实施例中，设Bt方向为偏向于Aa绕组A端的某一角度，如B2，磁芯中的磁场会沿着两侧的路径1和路径2分布，根据电磁感应定律，四组绕组都会感应出相应极性的感应电压，但是由于绕组Aa和绕组Cc交链的磁场存在两个相反方向的磁场，因此在这两组绕组的内部会产生两个极性相反的感应电压，由于B2更靠近A端，因此从磁场B2进来的位置到a端的匝数更多，则该部分的绕组产生感应电压也相应更大，所以绕组Aa中两部分的感应电压相互抵消一部分后，总体绕组Aa两端的感应电压仍然取决于更大那部分的感应电压，因此图8中绕组Aa两端的感应电压为A正a负，同理绕组Cc两端的感应电压为C负c正，而绕组Bb和绕组Dd交链过的磁场仅有一个方向，因此内部并不存在相互抵消的感应电压，此时感应电压极性分别为B正b负、D负d正，然后只需将相同极性的绕组串联起来，即Aa-Bb-cC-dD，AD两端便得到所有绕组感应电压的叠加最大值。
如图9所示，在本实施例中，设Bt方向指向于Aa绕组的中间对称点，如B3。磁芯中的磁场会沿着两侧的路径1和路径2分布，根据电磁感应定律，四组绕组都会感应出相应极性的感应电压，由于B3的方向处于与A端和a端距离相等的角度，因此从磁场B3进来的位置到A端和端的匝数相等，则在绕组Aa内部感应出的两部分电压极性相反、大小相等，因此此时绕组Aa两端的感应电压最终是为0，同理绕组Cc两端的感应电压也为0。虽然这两组绕组的感应电压为0，但是绕组Bb和绕组Dd内部交链过的磁场仅有一个方向，所以二者仍存在感应电压，极性分别为B正b负、D负d正，为使得所有绕组感应的电压总和是最大的，将同极性绕组进行串联，所以如果以A端为起点，由于绕组Aa和绕组Cc两端的感应电压为0，所以在该种情况下，存在不止一种串联方式，则图9中的各组绕组的串联顺序可以为Aa-Bb-Cc-dD、Aa-Bb-cC-dD、Aa-bB-Cc-Dd、Aa-bB-cC-Dd其中任意一种，这四种连接方式最终在AD或Ad两端得到的感应电压大小是相等的，均为最大值，但是极性不同。
对于垂直平面方向的磁场分量Bn，由于其没有穿过绕组Aa、Bb、Cc、Dd，在绕组Aa、Bb、Cc、Dd上的感应电压为0，但会在绕组Ee上感应出电压。如图10所示，当Bn是垂直纸面向里或向外时，根据电磁感应定律，在绕组Ee两端感应的电压为E正e负或E负e正。
根据绕组Aa、Bb、Cc、Dd和Ee感应电压的极性，将两部分的绕组再进行同极性串联，得到整体接收线圈感应的电压是最大的串联顺序，即实现了二者接收能量的叠加，就可以得到最大化接收空间内任意方向的磁场能量。
更加具体的，在本实施例中，仍然以图5中的结构为例，为了实现最大化接收磁场能量，以绕组所感应的电压为判定标准，即可以认为绕组两端感应的电压越大，接收的磁场能量越多，所以接下来主要考虑如何使所有绕组串联后的感应电压实现最大化。仍然首先仅考虑平行磁环平面Bt分量，如图11所示，根据以上的原理性分析，可以将整个接收线圈分成图中1、2、3、4这四个扇区，每个扇区为90°，以绕组Dd的对称轴处的虚线ox作为参考轴，磁场B4与轴ox所成的角度为θ，即当磁场B4与轴ox重合时θ为0，当磁场B4方向沿逆时针变化时，θ值逐渐增大，则当0°<θ<90°时，磁场B4处于第1扇区，当90°<θ<180°时，磁场B4处于第2扇区，当180°<θ<270°时，磁场B4处于第3扇区，当270°<θ<360°时，磁场B4处于第4扇区。同理当存在N组绕组时可以分为N个扇区，每个扇区所占的范围为360°/N 。
假设均以绕组Aa的A端作为所有绕组的进线端，则可以得到平行磁环平面内任意方向磁场下，所有绕组的进线端和出线端之间的感应电压均为最大的串联顺序，如下表所示。
角度θ 绕组串联顺序
0° Aa-Bb-cC-Dd、Aa-bB-cC-Dd、Aa-Bb-cC-dD、Aa-bB-cC-dD
0°<θ<90°（第1扇区） Aa-Bb-cC-dD
90° Aa-Bb-Cc-dD、Aa-Bb-cC-dD、Aa-bB-Cc-Dd、Aa-bB-cC-Dd
90°<θ<180°（第2扇区） Aa-bB-cC-Dd
180° Aa-Bb-cC-Dd、Aa-bB-cC-Dd、Aa-Bb-cC-dD、Aa-bB-cC-dD
180°<θ<270°（第3扇区） Aa-Bb-cC-dD
270° Aa-Bb-Cc-dD、Aa-bB-Cc-Dd、Aa-Bb-cC-dD、Aa-bB-cC-Dd
270°<θ<360°（第4扇区） Aa-bB-cC-Dd
从上表可以看出当磁场B4处于第1扇区和第3扇区时，绕组的串联顺序是一样的，但是实际上二者进线端A端和出线端D端的电压极性是不同的。由于这里只考虑外部磁场的平行磁环平面分量，所以首先只需考虑从绕组Aa到绕组Dd为止的连接。本实施例主要关注的是电压大小，因此暂且可以不考虑进线端和出线端极性的情况下，可以认为当磁场B4处于第1扇区和第3扇区时，使用同一种串联顺序，同理磁场B4处于第2扇区和第4扇区时，使用同一种串联顺序。而当磁场B4处于0°、90°、180°、270°(即每两组绕组的分界处)时，从上表可以看到这四种情形下均有四种串联顺序，但是可以看出这四种情形均存在与上述扇区相同的串联顺序。因此综上所述，可暂且不考虑进线端和出线端极性的情况下，为了便于操作，减少各组绕组间的连接方式，该四组绕组（从绕组Aa到Dd之间）可以根据外部磁场角度的不同仅在2种串联顺序中进行切换，分别为Aa-Bb-cC-dD和Aa-bB-cC-Dd。
接下来考虑外部磁场的垂直磁环平面分量Bn，由于垂直磁环平面分量Bn只存在垂直纸面向里和垂直纸面向外两个方向，所以用于接收垂直磁环平面分量的绕组Ee相应的也只存在E正e负和E负e正两种情况。根据上述分析仅考虑平行磁环平面分量时，用于平行磁环平面分量的绕组Aa、Bb、Cc、Dd仅在Aa-Bb-cC-dD和Aa-bB-cC-Dd这2种串联顺序中进行切换，但是外部磁场处于不同扇区时，同一种串联顺序的进线端和出线端的极性存在两种可能，即存在A正D负或A负D正，以及A正d负或A负d正。因此根据各自情况下的极性，把两部分绕组串联起来以得到最大的感应电压，所有绕组的串联存在四种情况，分别为Aa-Bb-cC-dD-Ee、Aa-Bb-cC-dD-eE、Aa-bB-cC-Dd-Ee和Aa-bB-cC-Dd-eE。
对于分析法，该类情况根据上述分析可知只存在四种串联顺序，所以所有绕组的开关连接如图12所示即可，图中虚线表示两个绕组的两端之间由选通开关进行连接。例如当存在空间上某一方向的外部磁场时，其平行磁环平面分量Bt处于上述第一扇区，垂直磁环平面分量Bn为垂直纸面向里，则可以知道从绕组Aa到Dd采用Aa-Bb-cC-dD串联顺序，即a与B接通，b与c接通，C与d接通，且进线端和出线端的极性为A正D负，由于绕组Ee的此时的极性为E正e负，所以总体采用Aa-Bb-cC-dD-Ee，即D与E接通，由此便可得到所有绕组串联后的最大感应电压。
对于试探法，如图13所示，在没有得出表1中结果的前提下，选通开关可以按照图13所示进行连接，图中虚线仍表示2个绕组的两端之间由选通开关进行连接，首先任意选择一种串联顺序，比如Aa-Bb-Cc-Dd-Ee，测量此时进线端A端和出线端e端之间的电压u0，然后切换绕组Aa和绕组Bb之间的选通开关，由原来的aB连通切换为ab连通，再测量此时进线端A端和出线端e端之间的电压u1 ，比较u1和u0的大小，如果u0大于u1，则保持原来a与B连通，如果u1大于u0，则切换到a与b连通，如果u1等于u0，则两种连通方式任选其一，后面的各组绕组间的连接选择也是按照该原则进行选通，直到将所有绕组都串联起来。
对于测试法，如图14所示，在绕组两端各存在一组选通开关，分别为S1、S2，进行测试时，将其中一组开关的一端接在一起，如图中的S1，并将S1中的所有开关闭合，作为公共端，另一组开关S2中的每个开关依次闭合，测得每组绕组两端的电压，得到一组最大电压的绕组作为参考绕组，然后通过图14的开关将参考绕组与剩下的绕组依次串联，每次仅仅将参考绕组与剩余的其中一组绕组串联，测量每次串联后的进线端和出线端间的电压，如果该电压与参考绕组原来的电压相比增大了，则此时与参考绕组串联的绕组两端的极性相对应的与参考绕组两端的极性相反(这里比如绕组Aa和绕组Bb，其中A端和B端称为相对应的两个端口)，反之亦然。由此判断出所有绕组两端的极性，判断完极性后在线圈正常工作的时候，将S1、S2两组开关均关断，最后仍按照图13的连接方式根据判断好的极性将所有绕组串联起来，得到最大的感应电压。
对于替代法，如图15所示，在每组绕组外面再套一个辅助绕组，分别对应为辅助绕组11’套在原绕组Aa上，以此类推，首先将所有辅助绕组的一端接在一起，另一端接一组选通开关S3，按照上述测试法的方法测试所有辅助绕组两端的电压极性，则每个辅助绕组两端的极性即可代表相对应的原绕组两端的极性，这里辅助绕组的1端和原绕组的A端相对应，其他可以类推。同样判断完极性后在线圈正常工作的时候，将S3开关均关断，最后仍按照图13的连接方式根据判断好的极性将所有绕组串联起来，得到最大的感应电压。
对于谐振电容的选择，由于存在串联谐振和并联谐振两种方式，所以如图16所示，同样需要通过一组选通开关S4或S5根据电感值来选择相应的谐振电容进行匹配。
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 (6)

1.一种多绕组磁耦合接收线圈结构，其特征在于：包括一环形磁芯以及若干组绕组；所述若干组绕组分为两类，第一类包括大于等于3组的绕组，该第一类绕组沿所述环形磁芯的截面绕制，用以耦合感应与环形磁芯平面平行方向的任意角度的外部磁场；第二类包括1组绕组，该第二类绕组沿所述环形磁芯的磁环圆周绕制，用以耦合感应与环形磁芯平面垂直方向的外部磁场；所述若干组绕组的端口通过一个多路选通开关网络实现不同的选通连接后输出，用以使得各个绕组的耦合感应电压相互叠加。
2.根据权利要求1所述的一种多绕组磁耦合接收线圈结构，其特征在于：所述绕组的端口连接关系的确定通过分析法、试探法、测试法或替代法实现。
3.根据权利要求2所述的一种多绕组磁耦合接收线圈结构，其特征在于：所述分析法适用于外部磁场方向已知的场合，具体为：事先分析出在所有外部磁场方向作用下的各绕组端口的串联顺序，根据所述的串联顺序确定选通开关的接通或关断，排除不必要的连接；当某个已知方向的外部磁场作用时，通过选通相应的开关得到感应电压最大的绕组端口串联顺序。
4.根据权利要求2所述的一种多绕组磁耦合接收线圈结构，其特征在于：所述试探法适用于外部磁场方向未知的场合，具体为：首先将各组绕组端口通过任意一种串联顺序连接，从进线端所在的绕组开始，每次通过选通开关切换相邻两个绕组间的连接端，比较二者的感应电压大小，如果切换后感应电压变大，则按照切换后的连接端进行选通，如果切换后感应电压变小，则仍保持切换前的选通方式，如果切换前后感应电压并没有发生变化，则切换前后的选通方式可任选其一，直到将所有绕组都串联起来，便可得到空间内某个方向磁场下的最大感应电压。
5.根据权利要求2所述的一种多绕组磁耦合接收线圈结构，其特征在于：所述测试法适用于外部磁场方向未知的场合，通过判断所有绕组的电压极性再进行串联，具体为：首先测量出所有绕组两端的电压大小，取电压最大的绕组作为参考绕组，然后将参考绕组与剩下的各组绕组逐个分别串联，每次仅仅将参考绕组与剩余的其中一组绕组串联，测量每次串联后的进线端和出线端间的电压，如果该电压与参考绕组原来的电压相比增大了，则此时与参考绕组串联的绕组两端的极性相对应的与参考绕组两端的极性相反，反之亦然，以此判断出所有绕组两端的电压极性，再通过选通开关实现同感应电压极性绕组的串联。
6.根据权利要求5所述的一种多绕组磁耦合接收线圈结构，其特征在于：所述替代法适用于外部磁场方向未知的场合，具体为：首先在每一个原绕组的正中间套一个辅助绕组，即辅助绕组的对称轴与原绕组的对称轴是重合的，但是辅助绕组的匝数比原绕组少，仅需绕制少量的匝数即可，然后根据所述测试法测试所有辅助绕组两端的电压极性，则每个辅助绕组两端的极性即代表相对应的原绕组两端的极性，以此判断出所有原绕组的电压极性，再通过选通开关实现同感应电压极性的串联。
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