CN107146700B - 一种用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈，包括金属导线、线圈基板，发射线圈为多层平面方形的金属导线，其特征是同一层内导线绕制方向相同，相邻两层线圈的绕制方向相反。发射线圈固定于线圈基板平面之上或者位于线圈槽内。由于此发射线圈由多层绕制方向不同的导线构成，合理设定发射线圈参数，可综合调控发射线圈上方充电平面的磁场，实现均匀的磁场分布，由此实现充电平面内接受负载的恒压稳定功率充电。本发明所提供发射线圈能有效降低无线充电平面内充电负载位置变化时的功率抖动，在电动汽车无线充电领域以及便携式电子设备的无线充电平台充电中具有广阔的应用前景。

Description

一种用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，具体地，涉及一种用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈。

背景技术

传统的电力输送采用有线的方式实现(即利用电缆线作为传输媒介)，因此在电力的传输过程中不可避免的会产生传输损耗，同时线路老化、尖端放电等因素也易导致电火花，大大降低了设备供电的可靠性和安全性，缩短设备的使用寿命。一方面在矿场、海底等一些特殊场合，传统的电缆线供电方式所产生这些缺点往往有时将是致命的，严重时会引起爆炸、火灾及设备的损坏等，带来了极大的安全隐患和经济损失。这些问题都在呼唤一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输。实现无线电能传输将使人类应用电能更加宽广、更加灵活。

无线电能传输(wireless power transfer，WPT)又称为无线接触式电能传输(contactless power transfer，CPT)，指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。人类从刚开始利用电能时就期待着一种能实现将电力能量无线输送的方式。早在19世纪中后期，著名的电气工程师尼古拉·特斯拉就提出了无线电能传输构想。受早期技术、财力等因素的限制，该技术仅仅局限于构想阶段，但同样为后来无线电能传输技术的发展绘制了美好的蓝图和奠定了一定的研究基础。到20世纪80年代，以电磁感应耦合方式为主的非接触能量传输技术开始被学者们关注，并逐渐应用到电动牙刷、手机、电动汽车等产品的无线供电中。但感应式无线电能传输技术对磁路的设计要求比较苛刻，导致传输距离较低(多在厘米范围内)，导致该技术在大功率无线能量传输的应用中具有很大的局限性。

此后，经过漫长的科技发展，2007年，美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克教授和他的研究团队在磁耦合谐振式无线电能传输领域取得重大突破。从此，磁耦合谐振式无线电能传输技术成为了研究热点。磁耦合谐振无线电能传输技术(WPT/MRC)作为一种新兴的中等距离无线电能传输技术，相较于传统的感应式无线电能传输技术，由于具有传输距离远、传输效率高等特点，成功开辟了无线电能传输技术的一个新方向，也促进了其在电动汽车、便携式电子、智能家居、植入医疗器械等充电领域的应用和高速发展。目前，磁耦合谐振式无线能量传输技术已成为在国内外学术界、工业界乃至民间都备受关注的热点技术，全球各国均投入大量的人力和物力资源，竞相争夺和抢占这一科技制高点。

较高的传输效率，稳定的功率输出是无线输电系统的关键。而在实际无线充电过程中。当电源输出电压一定时，两线圈位置如果出现相对位置的改变，会引起充电系统负载电压剧烈的变化。过高的充电电压或者过低的充电电压均极度不利于电池的恒压充电，对电池会产生损害。由此可知，无线充电过程中，在一定充电平面内维持电池负载的恒压充电显得十分重要。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈，旨在解决由于线圈位置变化引起的传统无线充电平面内充电负载的充电电压和功率抖动问题。

本发明提出的一种用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈，为同一平面的多层方形螺旋状的发射线圈，其中：

所述发射线圈(2)为单根金属导线绕成；在同一平面内，导线按正方形轨迹，绕制成多层线圈；同一层线圈可以是多匝结构，同一层内各匝导线绕制方向相同；相邻两层线圈的绕制方向相反。

进一步的，所述发射线圈所用金属线的线径为0.5mm～0.02a；其中，a为第一层线圈的最外匝最大边长；所述第一层线圈指最外层线圈。

进一步的，所述发射线圈的层数n不小于3。

进一步的，所述发射线圈第一层线圈匝数为1～20，层内线圈的匝间距为0～0.02a；绕制方向相同的相邻线圈，不论匝数多少，均为一层。

进一步的，所述发射线圈第二层线圈绕制方向与第一层绕制方向相反，第二层的最外匝的线圈边长为0.5a～0.9a，层内导线之间的匝间距为0～0.05a。

进一步的，所述发射线圈第三层与第一层线圈绕制方向相同，第三层层内最外匝线圈边长为0.3a～0.4a，线圈匝数为1～10，第三层层内导线之间的匝间距为0～0.05a。调节边长可以调控充电平面内均匀磁场的面积；改变匝数以及线圈匝间距可以调控此层线圈于充电平面上磁场竖直分量的大小。

进一步的，所述发射线圈当绕制线圈的层数大于3时，之后绕制的线圈层的匝数为其外一层匝数的0.25倍；当次层上一层的匝数x不能被整除时，选取0.5x～0.25x之间的匝数。

进一步的，所述发射线圈绕制线圈的匝数大于3时，之后绕制的层最外匝线圈的边长为其外一层最外线圈边长的0.8倍，且层内线圈导线之间的匝间距为0～0.05a。

进一步的，所述发射线圈各线圈奇数层之间的绕制方向相同，偶数层之间绕制方向相同，奇数层与偶数层之间的绕制方向相反；有效充电平面为平行于线圈平面，位于线圈上方的具有较为均匀磁场分布的平面，此发射线圈上方的有效充电平面与发射线圈平面的竖直间距D≥0.25a。此类线圈上下磁场分布时完全相同的，我们这里面说是上方，是因为我们默认的接受线圈和充电负载是位于发射线圈上方的。

进一步的，所述发射线圈包含铜线、铁线圈、漆包线或者利兹线，此类材料具备较强的导电能力且自身能量损耗较小；选取利兹线，可进一步降低线圈的内阻损耗；所述发射线圈固定于线圈基板平面之上或者位于线圈槽内；线圈基板为刻槽的有机玻璃板，选用刻槽的有机玻璃板可在保证线圈基板足够强度的同时，有效固定线圈结构，便于实用化推广。

进一步地，线圈基板为非金属的低损耗的玻璃或者有机玻璃。采用玻璃或者有机玻璃能较低发射线圈磁场传播的能量损耗，且质量小、体积小，便于实用化。

充电平面上的磁场强度是发射线圈每层线圈磁场强度的叠加。当发射线圈内流通交流电流时，最外侧逆时针平行线圈于充电平面上产生中间强两边弱的磁场分布，而相较内层的反方向线圈于充电平面上回产生中间弱两边强的磁场分布。因此，反向的内层线圈可抵消充电平面中间较大的磁场，调节充电平面的磁场均匀度。当两层线圈无法完全平衡充电平面内磁场分布时，其再内层的方形线圈可调节其边长、匝数、匝间距等参数调节磁场强度。由于整体线圈由多层绕制方向不同的导线构成，其充电平面内部的磁场可得到有效调控，实现有效充电平面上的均匀的磁场分布，由此实现充电平面内接受负载的恒压稳定功率充电。有效充电平面距离发射线圈的高度D≥0.25a。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

本发明中，由于充电平面上磁场是均匀分布的，当接受线圈位置变化时，其接受的磁通量还是相同的，此时系统负载的功率和充电电压均不发生变化，即实现了动态的稳定的功率以及恒压充电。

本发明所提供的实现无线充电平面恒压充电的发射线圈能有效降低无线充电平面内充电负载位置变化时的充电电压以及功率抖动，在电动汽车无线充电领域以及便携式电子设备的无线充电平台充电中具有广阔的应用前景。将该发射线圈应用于高度为0.25a的便携式电子设备的无线充电装置中，充电平台中稳定充电功率面积可提高77.8％。

附图说明

图1是本发明提供的用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈的结构示意图；

图2是方形单匝线圈上方平面磁场强度H与平面高度D的关系图；

图3是本发明提供的用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈上方无线充平面内点磁场分布示意图；

图4为用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈的具体结构图；

图5为具体发射线圈上方无线充平面内面磁场分布示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-线圈基板，2-发射线圈，3-导线内流通的电流，4-无线充电平面，5-充电平面中的点，6-充电平面中的点上磁场方向，7-第一层顺时针绕制线圈，8-第二层层逆时针绕制线圈，9-第三层顺时针绕制线圈，10-第四层逆时针绕制线圈。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈的结构示意图，该发射线圈包括金属导线、线圈基板，发射线圈为多层平面反平行方形螺旋状的金属导线，其特征是相邻两层线圈的绕制方向相反。发射线圈固定于线圈基板平面之上或者位于线圈槽内。

图2为方形单匝线圈上方平面磁场强度H与平面高度D的关系图。如图2所示：当充电平面高度D≤0.25a时，充电平面的磁场呈现两边强，中间弱的特征。当D较小时，充电平面上边缘磁场强度明显大于中间的磁场强度，此时随着D的增大，充电平面中间与边缘的磁场强度均呈现衰减趋势，且中间磁场衰减速度小于边缘的衰减速度；当充电平面高度D＝0.25a时，充电平面上的磁场呈现均匀分布的特征，但此时充电平面上磁场均匀分布为边长为0.6a的正方形，其面积约为0.36a²；当充电平面高度D≥0.25a时，由于充电平面中间磁场衰减速度小于边缘，故此时充电平面磁场呈现中间强两边弱的特征，且随着D的继续增大，充电平面中间磁场的强度愈发大于边缘的磁场强度，充电平面的磁场均与度愈发较低。故当D≥0.25a时，可通过调节线圈绕制规则合理的调节充电平面上的磁场分布情况。

当发射线圈内流通高频交流电流时，最外侧平行线圈于充电平面上产生中间强两边弱的磁场分布，而相较内层的反方向线圈于充电平面上回产生中间弱两边强的磁场分布。当两层线圈无法完全平衡充电平面内磁场分布时，其再内层的平行线圈可适当调节磁场强度。由于整体线圈由多层绕制方向不同的导线构成，其充电平面内部的磁场可综合调控，实现均匀的磁场分布，由此实现充电平面内接受负载的恒压稳定功率充电。此发射线圈由由外及内的多层导线组成。绕制导线的方向的改变决定了层与层之间的区分，即：当导线绕制方向改变以后，即进入下一层线圈的绕制。绕制导线的方向的改变决定了层与层之间的区分，即：当导线绕制方向改变以后，即进入下一层线圈的绕制。将发射线圈的层数以由外及内标号为1、2、3、、、n。发射线圈的层数n不小于3。所用金属线的线径为0.5mm～0.05a。假定发射线圈(2)第一层线圈的边长为a，绕制线圈匝数为1～20，层内线圈匝间距为0～0.02a；第二层线圈绕制方向与第一次方向相反，此时层内最外线圈边长为0.5a～0.9a，线圈匝数为1～20，层内线圈匝间距为0～0.05a；第三层与第一层线圈绕制方向相同，层内最外线圈边长为0.3a～0.4a，线圈匝数为1～10，层内线圈匝间距为0～0.05a。当绕制线圈的匝数大于3时，之后绕制的线圈层的匝数为上一层匝数的0.25倍。当次层上一层的匝数x不能被整除时，选取0.5x～0.25x之间的匝数。且层内最外线圈的边长为上一层线圈边长的0.8倍，层内线圈匝间距为0～0.05a。此放射线圈奇数层之间的绕制方向相同，偶数层之间绕制方向相同，奇数层与偶数层之间的绕制方向相反。有效充电平面为平行于线圈平面，位于线圈上方的具有较为均匀磁场分布的平面，此发射线圈上方的有效充电平面与发射线圈平面的竖直间距D≥0.25a。该发射线圈能有效提升无线充电平面内磁场的均匀度，实现充电负载的恒压充电。

如图3为本发明提供的用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈上方无线充平面内点磁场分布示意图。如图中所示，最外层线圈的绕制方向为逆时针，内部线圈的绕制方向依次为顺、逆。当发射线圈中流过电流时，图中最外层线圈在充电平面上点上产生向上方向较强的磁场，此外层在充电平面上点上产生向下方向的磁场，而第三层在产生向上方向的磁场，因此，充电平面点的磁场的强度为此三个磁场的叠加。由于最外层线圈的磁场分布为两边弱中间强，此外层磁场分布为两边强中间弱，因此整个充电平面中的磁场均匀性就得到了提升，同时，第三层线圈或者第四层线圈可在此基础上有效调节磁场的分布情况。总之，多层反平行的发射线圈其充电平面内的磁场均匀性较高，可实现无线充电平面内充电负载的恒压充电。

图4为用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈的具体结构图。其中，此发射线圈为4层反向平行方形螺旋结构，其中导线为660股0.1*0.1mm的利兹线。线圈绕制方向由外到内分别为顺、逆、顺、逆。其中，由外及内，第一层层内最大边长为a＝20cm，匝间距为1mm，匝数为9；第二层层内线圈最大边长为14cm，匝间距为4mm，匝数为5；第三层层内最大边长为10.8cm，匝间距为4mm，匝数为4；第四层边长为8cm，匝数为1。其中线圈基板为带有2mm深度的刻槽的有机玻璃板。有机玻璃板厚度为1cm。

利用数值计算软件Matlab计算发射线圈平面上方5cm(0.25a)的磁场强度，其中线圈内部的电流大小为1A。如图5所示，由图4中发射线圈发射的磁场，在充电平面中大约有16*16cm的面积的磁场分布都十分均匀。其中H为磁场在垂直于有效充电平面方向的数值大小。由于发射线圈特殊的绕制方式及其特定的结构特征，使得充电平面中的磁场均匀性得到的大幅度提升，由此实现了无线充电平面内恒压充电的目的。从附图2e与图5的对比结果可以测算出，均匀磁场分布的面积提高的比例为(0.8a)²/(0.6a)²-1＝7/9＝0.778，即充电平台中稳定充电功率面积可提高77.8％。

另外，本发明提供的实现无线充电平面恒压充电的发射线圈，可根据实际情况中无线充电平台的高度，决定内层线圈中的层数、匝数、线间距等参数。当充电平台高度变化时，可适当调节内层线圈的特定参数，由此实现充电平面内均匀磁场的面积，进而实现充电负载的恒压充电。一般其实充电平面都是固定高度的，也就是一般一个发射线圈对应一个无线充电平面的。如果充电平面再D大于0.25a的前提下，而且D还增大了一些，就适当的适当减小由外到内第二层以及第三层的最外线圈的边长，或者减小第二层以及第三层的层间线圈圈数，亦或者增大内层各层线圈的匝间距。这样新的充电平面的磁场也可保持较好的均匀分布了，由此可有效提高新充电平面的磁场均匀度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈，其特征在于，其为同一平面的多层方形螺旋状的发射线圈，其中：

所述发射线圈为单根金属导线绕成；在同一平面内，导线按正方形轨迹，绕制成多层线圈；同一层线圈是多匝结构，同一层内各匝导线绕制方向相同；相邻两层线圈的绕制方向相反；发射线圈的层数n大于或等于3；

所用金属线的线径为0.5mm～0.02a；其中，a为第一层线圈的最外匝的最大边长；所述第一层线圈指最外层线圈；

所述第一层线圈匝数为1～20，层内线圈的匝间距为0～0.02a；其中，绕制方向相同的相邻线圈，不论匝数多少，均为一层；

其第二层线圈绕制方向与第一层绕制方向相反，第二层的最外匝的线圈边长为0.5a～0.9a，层内导线之间的匝间距为0～0.05a；

其第三层与第一层线圈绕制方向相同，第三层层内最外匝线圈边长为0.3a～0.4a，线圈匝数为1～10，第三层层内导线之间的匝间距为0～0.05a；

当其绕制线圈的层数大于3时，之后绕制的线圈层的匝数为其外一层匝数的0.25倍；当次层上一层的匝数x不能被整除时，选取0.5x～0.25x之间的匝数；

当其绕制线圈的匝数大于3时，之后绕制的层最外匝线圈的边长为其外一层最外线圈边长的0.8倍，且层内线圈导线之间的匝间距为0～0.05a；

各线圈奇数层之间的绕制方向相同，偶数层之间绕制方向相同，奇数层与偶数层之间的绕制方向相反；有效充电平面为平行于线圈平面，位于线圈上方的具有较为均匀磁场分布的平面，此发射线圈上方的有效充电平面与发射线圈平面的竖直间距D≥0.25a。

2.根据权利要求1所述的发射线圈，其特征在于，其所用导线包含铜线、铁线圈、漆包线或者利兹线；所述发射线圈固定于线圈基板平面之上或者位于线圈槽内。