CN107680782B - 基于金属转轴的感应供电线圈装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于金属转轴的感应供电线圈装置，包括发射线圈、接收线圈、导磁屏蔽材料、U型高导磁芯以及金属转轴，其中：所述发射线圈绕制于所述U型高导磁芯上；所述导磁屏蔽材料覆于所述金属转轴上表面；所述发射接收线圈绕制于所述导磁屏蔽材料上；所述U型高导磁芯与所述金属转轴存在间隙，U型高导磁芯的开口朝向所述金属转轴。本发明通过导磁材料覆于金属转轴上，阻滞发射线圈产生的磁力线向金属转轴传播，减小金属的涡流损耗；本发明的发射线圈和接收线圈的距离相近，减少了磁力线在空气中的漏磁；本发明的发射线圈采用三段式按照U型高导磁芯的外形绕制，且U型高导磁芯两侧的发射线圈的绕制方向相反，极大减少了磁力线的泄露。

Description

基于金属转轴的感应供电线圈装置
技术领域
本发明涉及感应供电技术领域，具体地，涉及基于金属转轴的感应供电线圈装置。
背景技术
感应供电具有安全、方便、环保等特点，在很多工业应用中越来越受到重视。感应供电技术涉及到电力电子技术、磁耦合技术、自动控制理论、通信协议等多方面内容。近年来，作为感应供电技术的一个重要应用——解决在移动和高速旋转环境下设备的用电和通信问题得到了极大的推动，国内外各大研究机构都纷纷加入到这项技术的研究中来。
由于电感耦合无线电能传输系统中发射线圈和接收线圈是相互分离的，中间存在较大的间隙(根据介质不同，其磁路也不同)，因此发射线圈和接收线圈会存在较大的漏感，系统的耦合系数K比较低。为了提高电感耦合无线电能传输效率，可以通过增加发射线圈的电流，但这样做就会到导致整个系统重量、体积、成本增加。高速旋转的金属轴在交变磁场中会产生很大的涡流损耗，从而影响到系统的供能效率，同时由于涡流损耗，也会影响到系统的耦合系数，且不能够采用传统的同轴线圈感应结构。采用在金属轴外面包覆柔性导磁材料的磁屏蔽技术可以阻滞磁力线向金属轴的传播，从而减小金属涡流损耗，提高耦合系数。但仅仅通过屏蔽磁力线来提高耦合系数的方法得到的效果有限，需要在引导磁力线的方面采取一些技术措施来改善系统的耦合系数。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于金属转轴的感应供电线圈装置。
根据本发明提供的一种基于金属转轴的感应供电线圈装置，包括发射线圈、接收线圈、导磁屏蔽材料、U型高导磁芯以及金属转轴，其中：所述发射线圈绕制于所述U型高导磁芯上；所述导磁屏蔽材料覆于所述金属转轴上表面；所述接收线圈绕制于所述导磁屏蔽材料上；所述U型高导磁芯与所述金属转轴存在间隙，U型高导磁芯的开口朝向所述金属转轴。
优选地，所述发射线圈自U型高导磁芯的一端开始沿U型高导磁芯本体呈螺旋状绕制，自U型高导磁芯的另一端绕制结束。
优选地，所述发射线圈呈三段式绕制于所述U型高导磁芯的两侧以及中间端，所述U型高导磁芯的两侧和U型高导磁芯的中间段的线圈匝数比为2:1。
优选地，所述U型高导磁芯的两侧的发射线圈的绕制方向保证三段线圈的瞬时磁力线的方向一致。
优选地，所述U型高导磁芯与所述金属转轴的间隙长度在1mm和9cm之间。
优选地，所述导磁屏蔽材料包括柔性导磁片。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过导磁材料覆于金属转轴上，阻滞发射线圈产生的磁力线向金属转轴传播，减小金属的涡流损耗，提高耦合系数；
2、本发明的发射线圈和接收线圈的距离相近，减少了磁力线在空气中的漏磁；
3、本发明的发射线圈采用三段式按照U型高导磁芯的外形绕制，且U型高导磁芯两侧的发射线圈的绕制方向相反，极大减少了磁力线的泄露。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于金属转轴的感应供电线圈装置的结构示意图；
图2为传统的发射线圈绕制方式和本发明提供的发射线圈绕制方式的对比图；
图3为传统的发射线圈绕制方式和本发明提供的发射线圈绕制方式下耦合系数随气隙的变化对比图。
图中：
1-发射线圈；
2-接收线圈；
3-U型高导磁芯；
4-金属转轴；
5-柔性导磁片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的一种基于金属转轴的感应供电线圈装置，包括发射线圈1、接收线圈2、U型高导磁芯3、柔性导磁片5以及金属转轴4，其中：所述发射线圈1绕制于所述U型高导磁芯3上；所述柔性导磁片5覆于所述金属转轴4上表面，但是柔性导磁片5并不会影响金属转轴4的正常运转；所述接收线圈2绕制于所述柔性导磁片5上；所述U型高导磁芯3与所述金属转轴4存在间隙，U型高导磁芯3的开口朝向所述金属转轴4。需要注意的是，发射线圈1和U型高导磁芯3紧固于金属转轴4 所在的轴座或者底座上。在上述工况下，线圈的绕制方式的特征是发射线圈和接收线圈的轴线并不是重合的，而是平行的。这样的结构导致整个感应供电线圈装置的耦合系数非常低，所以本发明设计出一种引导磁力线的传播路径的线圈绕制方式，从而改善耦合结构，提高耦合系数。
进一步地，如图2右图所示，所述发射线圈1自U型高导磁芯3的一端开始沿U型高导磁芯3本体呈螺旋状绕制，自U型高导磁芯的另一端绕制结束。所述发射线圈1呈三段式绕制于所述U型高导磁芯3的两侧以及中间端，所述U型高导磁芯3的两侧和U 型高导磁芯3的中间段的线圈匝数比为2:1，通过2:1的线圈匝数比例关系，减小磁力线的泄露，实现磁场的最佳耦合；U型高导磁芯3的两侧的发射线圈的绕制方向保证三段线圈的瞬时磁力线的方向一致，减少磁力线泄露。图2左图为传统线圈的绕制方式。相比较而言，传统绕制方式由于线圈耦合紧密程度低，故空气中的漏磁比较多，系统的耦合系数会严重下降，而对于本发明提供的绕制方式，线圈的耦合紧密程度相对较高，故空气中的漏磁比较少，耦合系数大大提高。
作为本发明的优选实施例，本发明在室温下进行，使用U型铁氧体(PC44)磁芯骨架作为U型高导磁芯3，U型铁氧体磁芯骨架中间部分为长方体，截面长度为16.0mm，截面宽度为11.5mm，两端部分为圆柱体，截面直径为22.0mm，发射线圈1和接收线圈2 均采用直径为0.5mm的铜包铝漆包线，接收线圈2直接绕制于柔性导磁片5表面，柔性导磁片5采用磁导率较高的非晶合金材料并直接缠绕于金属转轴4轴体上，金属转轴4 轴体直径约为95.0mm，非晶合金片的厚度忽略不计。在本实施案例中，发射线圈1绕制于U型铁氧体磁芯骨架两侧端的匝数均为20匝，发射线圈1绕制于U型铁氧体磁芯骨架中心端的匝数为11匝，接收线圈2绕制于覆盖金属转轴4的柔性导磁片5表面的匝数为25匝。让发射线圈1和接收线圈2之间的距离在0-2cm之间等间隔均匀变化，分别对传统绕制方式下的电感线圈耦合系数和本发明提供的绕制方式下的电感线圈耦合系数进行对比测试。需要注意的是，本发明的发射线圈在U型铁氧体磁芯骨架两端的绕制方式和传统方式的发射线圈在U型铁氧体磁芯骨架两端的绕制方式相同。
本实施案例测量电感采用中国台湾益和MICROTEST 6630精密阻抗分析仪，通过对发射线圈和接收线圈的自感和互感测量，得出电感线圈的耦合系数随气隙变化的关系如附图3 所示，由图3可以看出，本发明提供的感应供电线圈绕制方式相对于传统的感应供电线圈绕制方式而言具有更高的耦合系数。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种基于金属转轴的感应供电线圈装置，其特征在于，包括发射线圈、接收线圈、导磁屏蔽材料、U型高导磁芯以及金属转轴，其中：所述发射线圈绕制于所述U型高导磁芯上；所述导磁屏蔽材料覆于所述金属转轴上表面；所述接收线圈绕制于所述导磁屏蔽材料上；所述U型高导磁芯与所述金属转轴存在间隙，U型高导磁芯的开口朝向所述金属转轴；
所述发射线圈呈三段式绕制于所述U型高导磁芯的两侧以及中间端，所述U型高导磁芯的两侧和U型高导磁芯的中间段的线圈匝数比为2:1。
2.根据权利要求1所述的基于金属转轴的感应供电线圈装置，其特征在于，所述发射线圈自U型高导磁芯的一端开始沿U型高导磁芯本体呈螺旋状绕制，自U型高导磁芯的另一端绕制结束。
3.根据权利要求1所述的基于金属转轴的感应供电线圈装置，其特征在于，所述U型高导磁芯的两侧的发射线圈的绕制方向保证三段线圈的瞬时磁力线的方向一致。
4.根据权利要求1所述的基于金属转轴的感应供电线圈装置，其特征在于，所述U型高导磁芯与所述金属转轴的间隙长度在1mm和9cm之间。
5.根据权利要求1所述的基于金属转轴的感应供电线圈装置，其特征在于，所述导磁屏蔽材料包括柔性导磁片。
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