CN108390473B - 一种高鲁棒性无线移动电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高鲁棒性无线移动电源装置，采用磁耦合谐振式无线电能收发方式，其电磁发射部分包括发射线圈、发射线圈铁芯，发射线圈铁芯包括铁芯细轴圆柱和位于其两端的铁芯两端圆台，铁芯细轴圆柱的横截面半径为R；发射线圈的高度与铁芯细轴圆柱的长度L相等；铁芯两端圆台的上底面均靠近铁芯细轴圆柱，上底面半径r₁与R相同；铁芯两端圆台的下底面半径r₂大于r₁；铁芯两端圆台的锥角定义为α，r₁以α/2对应的斜率线性均匀的变化到r₂；所述的r₂与L相同；所述的铁芯两端圆台的高度h为L的1/4。本发明具有高鲁棒性，可在较大负载范围内实现能量的高效传输。

Description

一种高鲁棒性无线移动电源装置

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种高鲁棒性无线移动电源装置。

背景技术

与无线通信技术一样摆脱有形介质的束缚，实现电能的无线传输是人类多年的一个美好追求。无线电能传输技术也称为非接触电能传输技术，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。无线电能传输技术可分为电磁辐射式、电场耦合式、磁场耦合式和超声波等。辐射式无线电能传输利用远场进行传输，其传输距离远远大于传输装置的几何尺寸。目前研究比较多的无线电波式，相比于激光式来说，其定向性较差，且传输功率一般比较小。而激光式无线电能传输，虽然定向性好，传输功率大，但是目前技术不成熟。电场耦合式无线电能传输中，电源侧的金属平板和负载侧的金属平板形成电容，利用电容的电场进行电能传输。由于电场对人体的危害比磁场严重，因此目前研究得比较少。磁耦合谐振式无线电能传输通过2个谐振在相同频率上的电感线圈之间的近场磁耦合来传输能量，较之感应耦合式传能，在传输距离上有了很大的扩展；相比于微波辐射式传能，其对电磁环境的影响较小，且传输功率较大，因此受到越来越广泛的关注和研究。

磁耦合谐振式无线传能技术虽然提高了传输距离，特别是轴向上的距离，实用性得到了很大的提高。但在无线传能过程中，系统受到障碍物、接收端负载和传输距离的变化等因素的影响，很容易使负载发生失调，导致传输效率和传输功率大幅度下降。因此，提高无线电能传输系统负载的鲁棒性，是该种技术进一步推广的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种高鲁棒性无线移动电源装置，以解决无线传能过程中，由于接收端负载和传输距离的变化使系统传输效率下降的问题。本发明通过以下技术方案予以实现：

一种高鲁棒性无线移动电源装置，采用磁耦合谐振式无线电能收发方式，其电磁发射部分包括发射线圈、发射线圈铁芯，其特征在于，所述的发射线圈铁芯包括铁芯细轴圆柱和位于其两端的铁芯两端圆台，发射线圈紧贴铁芯细轴圆柱缠绕，其半径和铁芯细轴圆柱的横截面半径R相同；发射线圈的高度与铁芯细轴圆柱的长度L相等；铁芯两端圆台的上底面均靠近铁芯细轴圆柱，上底面半径r₁与R相同；铁芯两端圆台的下底面半径r₂大于r₁；铁芯两端圆台的锥角定义为α，r₁以α/2对应的斜率线性均匀的变化到r₂；所述的r₂与L相同；所述的铁芯两端圆台的高度h为L的1/4，设发射线圈铁芯的轴向最小损耗参数为F_min，按照下式计算得到铁芯细轴圆柱的长度L：

其中：R＝R₁，r₂＝L，h＝L/4，

可按下式计算得到铁芯两端圆台的锥角α：

设发射线圈的半径为R₁，发射线圈的匝数为N₁和铜线的线径为d_wire，按下式分别计算出发射线圈的层数K_layer和发射线圈的总线长l_wire：

K_layer＝N₁d_wire/L

l_wire＝2πN₁R₁+πN₁ ²d_wire/L。

本发明的无线移动电源装置，具有高鲁棒性，可在较大负载范围内实现能量的高效传输。

附图说明

图1是本发明圆柱型铁芯轴向最小损耗参数计算示意图；

图2是采用本发明的无线移动电源装置的整个无线电能传输系统的结构示意图；

图3是本发明电磁发射部分示意图；

图4是本发明铁芯细轴圆柱结构示意图；

图5是本发明铁芯两端圆台结构示意图；

图6是本发明实施案例中电能传输效率随负载变化数据分析图。

其中：

1：发射线圈2：发射线圈铁芯

具体实施方式

下面结合附图和实施例,以电磁发射部分为例对本发明作进一步的详细说明。

为了解决现有技术中存在的问题，申请人进行了多方摸索，L_eq为发射线圈铁芯的等效长度，R为铁芯细轴圆柱的横截面半径，令

则发射线圈铁芯的轴向最小损耗参数F_min为：

为对上式中的因子A进行计算，建立如图1所示的坐标系。其中，a、b、c分别为椭球体的主轴、副轴和高度，S为椭球体上任意一点，坐标为S(ξ，η，ζ)。因式A可通过下式进行计算，即

其中

S＝ξ，η，ζ

则发射线圈铁芯的轴向最小损耗参数F_min为：

其中：R＝R₁，r₂＝L，h＝L/4，

根据发射线圈的半径R₁和发射线圈铁芯的轴向最小损耗参数F_min，利用上式计算出L。

则铁芯两端圆台的锥角α为：

则发射线圈的层数K_layer和发射线圈的总线长l_wire为

K_layer＝N₁d_wire/L

l_wire＝2πN₁R₁+πN₁ ²d_wire/L

式中：R₁为发射线圈的半径、L为铁芯细轴圆柱的长度、N₁为发射线圈的匝数、d_wire铜线的线径，r₂＝L，r₁＝R₁，h＝L/4。

实施例

如图2所示，本实施例包括220V交流电模块、整流、调压、滤波模块、电磁发射部分、电磁接收部分和负载；电磁发射部分包括发射线圈、发射线圈铁芯和发射线圈补偿电容，通过发射线圈补偿电容使发射线圈的谐振频率与电源的中心频率进行匹配；电磁接收部分包括接收线圈、接收线圈铁芯和接收线圈补偿电容，通过接收线圈补偿电容使接收线圈3的谐振频率与电源的中心频率进行匹配。电磁接收部分通过耦合谐振接收发射线圈中的能量，接收线圈与外加负载相连。

如图3、图4、图5所示，以某无线移动电源装置的电磁发射部分为实施例，设计给定值如下：

发射线圈半径R₁＝2cm、、轴向最小损耗参数F_min＝0.5、发射线圈的匝数N₁＝20、铜线的线径d_wire＝0.2cm。

本发明的无线移动电源装置设计方法的步骤如下：

(1)根据发射线圈的半径R₁确定铁芯细轴圆柱的横截面半径R，即R＝R₁＝2cm；

(2)根据铁芯细轴圆柱的横截面半径R确定铁芯两端圆台的上底面半径r₁,即r₁＝R＝2cm；

(3)根据铁芯细轴圆柱的横截面半径R和轴向最小损耗参数F_min，按下式计算出：发射线圈铁芯的铁芯细轴圆柱的长度L，即

其中

r₂＝L，h＝L/4。

则铁芯细轴圆柱的长度L＝4cm。

(4)根据铁芯细轴圆柱的长度L，确定铁芯两端圆台的高度h和下底面半径r₂,即

铁芯两端圆台的高度

铁芯两端圆台的下底面半径r₂＝L＝4cm。

(5)根据铁芯两端圆台上底面半径r₁、下底面半径r₂和铁芯两端圆台的高度h，按下式计算出铁芯两端圆台的锥角α，即

(6)根据发射线圈的半径R₁、铁芯细轴圆柱的长度L、发射线圈的匝数N₁和铜线的线径d_wire，按下式分别计算出：

发射线圈的层数K_layer＝N₁d_wire/L＝20×0.2/4＝1，

发射线圈的总线长l_wire＝2πN₁R+πN₁ ²d_wire/L＝2π×20×2+π×20²×0.2/4＝314cm。

以上为电磁发射部分参数，则电磁接收部分参数与电磁发射部分参数设计方法相同。

基于此搭建的系统平台，得到相关的仿真数据如图6所示。与传统无线移动电源技术相比，本发明具有较高的负载鲁棒性，大幅度提高了传输效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高鲁棒性无线移动电源装置，采用磁耦合谐振式无线电能收发方式，其电磁发射部分包括发射线圈、发射线圈铁芯，其特征在于，所述的发射线圈铁芯包括铁芯细轴圆柱和位于其两端的铁芯两端圆台，发射线圈紧贴铁芯细轴圆柱缠绕，铁芯细轴圆柱的横截面半径为R；发射线圈的高度与铁芯细轴圆柱的长度L相等；铁芯两端圆台的上底面均靠近铁芯细轴圆柱，上底面半径r₁与R相同；铁芯两端圆台的下底面半径r₂大于r₁；铁芯两端圆台的锥角定义为α，r₁以α/2对应的斜率线性均匀的变化到r₂；所述的r₂与L相同；所述的铁芯两端圆台的高度h为L的1/4，L_eq为发射线圈铁芯的等效长度，R₁为发射线圈的半径，设发射线圈铁芯的轴向最小损耗参数为F_min，按照以下最小损耗参数F_min的计算过程得到铁芯细轴圆柱的长度L：

为对上式中的因子A进行计算，即

其中，

a、b、c分别为椭球体的长轴、短轴和高度，S为椭球体上任意一点，坐标为S(ξ，η，ζ)；

发射线圈铁芯的轴向最小损耗参数F_min为：

其中：R＝R₁，r₂＝L，h＝L/4，

2.根据权利要求1所述的无线移动电源装置，其特征在于：按下式计算得到铁芯两端圆台的锥角α：

3.根据权利要求1所述的无线移动电源装置，其特征在于：设发射线圈的半径为R₁，发射线圈的匝数为N₁和铜线的线径为d_wire，按下式分别计算出发射线圈的层数K_layer和发射线圈的总线长l_wire：

K_layer＝N₁d_wire/L

l_wire＝2πN₁R₁+πN₁ ²d_wire/L。

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