CN108494103A - 一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法，根据线圈结构和参数、电源参数计算线圈的磁链，绘制距离圆心距离与厚度关系曲线，选取合适特性的屏蔽材料，确定屏蔽结构各处厚度，确定屏蔽结构截面曲线，然后根据面积等效原则，对所设计屏蔽结构进行扇形简化，最后对扇形简化后屏蔽结构进行边缘结构优化处理，制作最优屏蔽结构。该设计方法在减少磁场向外泄露的同时可以约束磁场方向，使尽可能多的磁场参与无线电能传输过程中，减少了高导磁材料的用量，减轻了聚磁屏蔽结构的重量，降低了聚磁屏蔽结构的造价，有利于无线电能传输技术的广泛运用。

Description

一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法。

背景技术

目前无线电能传输技术中常用的线圈，主要分为两种结构，一种是螺旋形结构线圈，另一种是涡状结构线圈。螺旋形结构线圈主要用于传输距离较远的无线电能传输系统中，涡状结构线圈主要运用于距离较近的无线电能传输系统中。涡状结构线圈相对于螺旋形结构线圈，在传输相同电能的情况下，体积减小，但聚磁作用弱，向外辐射的磁场多，传输效率低。在实际运用时为了提高传输效率，增强聚磁，减小电磁辐射，通常需要对涡状线圈加装聚磁和屏蔽结构。

常用的磁屏蔽结构为完整的一块高导磁材料制成的屏蔽板，完整的覆盖在涡状线圈非能量传输的一侧。这个屏蔽结构笨重，且未充分利用导磁材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种在减少磁场向外泄露的同时可以约束磁场方向，使尽可能多的磁场参与无线电能传输过程，且降低聚磁屏蔽结构造价的设计方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、根据线圈结构和参数及电源参数，计算线圈磁链；

步骤2、根据计算所得线圈磁链，绘制距离圆心距离与厚度关系曲线，选取合适特性的屏蔽材料；

步骤3、计算线圈起始半径处屏蔽材料厚度h_int、线圈外边缘处屏蔽材料厚度h_ext、线圈中心出口处屏蔽材料半径R_out、及线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out；

步骤4、计算屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max；

步骤5、如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out，则进行步骤6；如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max不小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out，则需要重新选取屏蔽结构材料，重复步骤2、步骤3、步骤4，直至屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out；

步骤6、根据步骤5所计算参数，确定屏蔽结构截面曲线；

步骤7、根据面积等效原则，对所设计屏蔽结构进行扇形简化；

步骤8、对扇形简化后的屏蔽结构进行边缘结构优化处理；

步骤9、制作屏蔽结构。

在上述的新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法中，步骤1所述线圈结构和参数及电源参数，包括线圈导线半径、线圈起始半径、线圈外边缘半径、线圈导线间距、线圈导线材料、线圈匝数、线圈形状、输入电流、输入频率、输入电压、输入功率。

在上述的新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法中，步骤2所述选取合适特性的屏蔽材料，包括确定屏蔽材料相对磁导率、屏蔽材料密度、屏蔽材料价格、屏蔽材料延展性、屏蔽材料耐热性。

本发明的有益效果是：在减少磁场向外泄露的同时可以约束磁场方向，使尽可能多的磁场参与无线电能传输过程中，减少了高导磁材料的用量，减轻了聚磁屏蔽结构的重量，降低了聚磁屏蔽结构的造价，有利于无线电能传输技术的广泛运用。

附图说明

图1为本发明一个实施例新型无线电能传输线圈屏蔽结构整体设计流程图；

图2(a)为本发明一个实施例单匝线圈结构示意图；

图2(b)为本发明一个实施例等效的单匝圆环线圈结构示意图；

图3为本发明一个实施例圆心距离与对应厚度关系示意图；

图4为本发明一个实施例线圈外径、中心出口半径和对应厚度关系示意图；

图5为本发明一个实施例涡状线圈的几何模型；

图6为本发明一个实施例中心距离与对应厚度关系曲线；

图7(a)、图7(b)、图7(c)分别为本发明一个实施例曲线型屏蔽结构模型的主视图、侧视图和俯视图；

图8为本发明一个实施例修正后中心距离与对应厚度关系曲线；

图9(a)、图9(b)分别为本发明一个实施例扇形屏蔽结构的主视图和侧视图；

图10为本发明一个实施例改进后扇形屏蔽结构；

图11(a)为本发明一个实施例直角边缘改进后扇形屏蔽结构示意图；

图11(b)为本发明一个实施例锐角边缘改进后扇形屏蔽结构示意图；

图11(c)为本发明一个实施例钝角边缘改进后扇形屏蔽结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例是通过以下技术方案来实现的：

第一步：根据线圈结构和参数、电源参数，包括线圈导线半径、线圈起始半径、线圈外边缘半径、线圈导线间距、线圈导线材料、线圈匝数、线圈形状、输入电流、输入频率、输入电压、输入功率，计算线圈的磁链；

第二步：根据计算所得线圈磁链，绘制距离圆心距离与厚度关系曲线，选取合适特性的屏蔽材料，包括屏蔽材料相对磁导率、屏蔽材料密度、屏蔽材料价格、屏蔽材料延展性、屏蔽材料耐热性；

第三步：计算线圈起始半径处屏蔽材料厚度h_int、线圈外边缘处屏蔽材料厚度h_ext、线圈中心出口处屏蔽材料半径R_out、及线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out；

第四步：计算屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max；

第五步：如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out，则继续进行相关设计，如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max不小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out，则需要重新选取屏蔽结构材料，重复第二步、第三步、第四步，直至屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out；

第六步：根据第五步所计算参数，确定屏蔽结构截面曲线；

第七步：根据面积等效原则，对所设计屏蔽结构进行扇形简化；

第八步：对扇形简化后屏蔽结构进行边缘结构优化处理；

第九步：制作最优屏蔽结构。

具体实施时，如图1所示，为新型无线电能传输线圈屏蔽结构整体设计流程图。

无线电能传输线圈的品质因数Q为：

其中，ω为角频率，L为线圈电感值，R为线圈阻抗。

无线电能传输线圈的互感系数k为

其中，M为两线圈间的互感，L₁、L₂分别为线圈1和线圈2的自感，

在无线电能传输系统中，品质因数Q和耦合系数k都与能量的损耗相关，也就是能量传输效率相关。有研究表明能量损耗与kQ呈反相关，也就意味着能量传输效率与kQ呈正相关。

η∝kQ(3)

对于两线圈无线电能传输系统，则

整合式(1)、(2)(4)得

跟据式(4)可知，当线圈制作完成后，在一定工作频率下，角频率和线圈阻抗不变，也就是传输效率只与互感系数相关。

根据互感系数定义，设线圈回路l的电流I₁，其所产生并与线圈回路2所交链的磁链为ψ₂₁，则线圈1对于线圈2的互感系数为

根据诺依曼公式可知线圈1对于线圈2的互感系数M₂₁与线圈2对于线圈1的互感系数M₁₂相等。以互感系数M₂₁为例进行分析，在正常工作状态中的无线电能传输线圈的输入电流是确定的，因此，通过增强线圈回路1产生并与线圈回路2交链的磁链，就可以提高互感系数，进而提高传输效率。

采用对无线电能传输线圈加装磁屏蔽结构的方式，约束磁场的走向，一方面增大两线圈间的互感系数，另一方面减少磁场泄露。先计算线圈的磁链，如图2(a)所示为单匝圆环线圈，圆环内半径为R₁，外半径为R₂，平均半径为b，圆环截面圆半径为a，P为圆环所在平面上包含在圆环内的一点，Q是圆环上一点，P到Q的距离为R。当圆环平均半径b远大于圆环截面半径时a时，等效为图1(b)所示。α为P和Q分别与圆环中心O连线构成的夹角，r为P点距离圆环中心O的长度，圆环中流过的电流为I。

根据毕奥-萨瓦定律，可知微小载流线元在无限大空间某点所产生的磁感应强度其数学表达式为

式中，R为线元至被研究点之间的距离，当圆环半径远大于截面半径时，为线元至圆环轴线的距离；为线元指向被研究点方向上的单位矢量；μ₀表示媒质为真空时的磁导率，其值为4π×10^-7H/m。

在圆环线圈所在平面上，微小载流线元所产生的磁感应强度均与平面垂直，因此式(7)可以简化成

所以直接由标量积分可以得到在圆环所在平面上，在圆环包含范围内任意一点P的磁感应强度B为

根据余弦定理，由P、Q和O三点构成的三角形可求出

R²＝r²+b²-2rb cosα (10)

式(9)可变换为

穿过圆环所包围面积的磁通为

对于具有n匝的涡状线圈结构，当紧密绕制时，可以等效为由多个半径依次递增的单匝圆环构成，因此n匝线圈的的磁链为

ψ＝Φ₁+Φ₂+…+Φ_n (13)

式中，Φ_n为第n匝线圈所包围面积穿过的磁通。

常用的线圈屏蔽材料都具有很高的磁导率，设其饱和磁感应强度为B_m，取饱和磁感应强度的20％作为裕度，则屏蔽材料任意处的截面积需满足

80％B_mS_in＝ψ (14)

屏蔽材料的磁导率远高于空气磁导率，可近似认为在加有屏蔽材料一侧的磁感线全部穿过屏蔽材料。对于圆形结构的涡状线圈，屏蔽结构也采用圆形，设距圆心距离为r的屏蔽材料厚度为h，则

80％B_m×2πrh＝ψ (15)

变换为

图3所示为圆心距离与对应厚度关系。当涡状线圈产生的磁链和屏蔽材料饱和磁感应强度一定的情况下，距圆心的距离r与此处屏蔽材料的厚度h是反比例关系。

磁场为无源场，磁感线必须构成闭合路径，磁感线绕过线圈构成磁路。当磁感线由屏蔽结构边缘进入，由屏蔽结构中心穿出时，出口处的截面积也需满足：

80％B_mS_out＝ψ (17)

对于涡状线圈结构，出口处为圆形结构，则

80％B_m×πR²＝ψ (18)

变换为

当涡状线圈和屏蔽材料确定的情况下，出口圆形半径可以由式(14)计算出来。

将式(19)带入到式(16)中，整理的

中心出口圆形的半径一定小于涡状线圈半径，即

0＜R＜r (21)

图4所示为线圈外径、中心出口半径和对应厚度关系。可以看出，当屏蔽结构的半径r一定时，屏蔽结构中心出口处的厚度h随着中心出口半径的增大而逐渐减小，当屏蔽结构中心出口半径一定时，随着屏蔽结构的半径不断增大，中心出口处的厚度也不断增加。

涡状线圈的参数见表1。

表1.涡状线圈参数

图5所示为涡状线圈的几何模型。

由涡状线圈参数，可以计算出当线圈流过的电流I＝10A时，穿过涡状线圈所包围面积的磁链为

ψ≈3.115×10^-4Wb (22)

屏蔽材料选取的是TDK公司的MnZn铁氧体，其参数见表2。

表2.MnZn铁氧体参数

由屏蔽材料特性参数及线圈总磁链可以计算出，距中心距离r与此处屏蔽材料的厚度h关系为

因此，可以计算出圆形屏蔽材料最边缘处厚度和位于涡状线圈起始半径处厚度分别为

屏蔽材料中心磁感线出口半径为

此时，对应的屏蔽材料的厚度为

在进行屏蔽结构设计时，为了减小整个线圈结构的体积，屏蔽结构覆盖在线圈一侧，突出部分不超过或稍高于线圈另一面的高度，在本线圈的屏蔽结构设计中选取突出部分正好与线圈另一面在同高，即

h_max＝max(h_int,h_ext)+D+2a＝5.87(mm) (27)

因为h_max＜h_out，所以屏蔽材料厚度最大处为h_max。

图6所示为中心距离与对应厚度关系曲线，其中0＜r≤R_ext＝96(mm)，2a为线圈厚度，D为线圈与屏蔽材料间的间隔距离。并且从图中可以得出屏蔽材料的截面曲线为

图7(a)、图7(b)、图7(c)所示为曲线型屏蔽结构模型。在实际运用中，如果要制作如图图7(a)、图7(b)、图7(c)所示屏蔽结构对制作工艺有很高的要求，因此根据等效面积的思想。保持距离圆心r处屏蔽结构截面积不变，在R_int≤r≤R_ext范围内，采用等厚度R_int的风扇型屏蔽结构替代。在R_max≤r≤R_int范围内，屏蔽结构的轮廓线采用直线替代式(23)的曲线.

图8所示为修正后中心距离与对应厚度关系曲线。

图9(a)、图9(b)所示为扇形屏蔽结构。为根据图8所示截面曲线制作出来的模型结构。

图7(a)、图7(b)、图7(c)和图9(a)、图9(b)所示的屏蔽机构要求线圈产生的磁感线进入方向与线圈平面平行，而实际中线圈产生的磁感线方向绝大部分与线圈平面垂直，因此在屏蔽结构的边缘需要对所设计结构进行优化，加一个对磁感线的引导部分。

图10所示为改进后扇形屏蔽结构。

图11所示(a)直角边缘改进后扇形屏蔽结构；(b)锐角边缘改进后扇形屏蔽结构；(c)钝角边缘改进后扇形屏蔽结构。

改进后扇形屏蔽结构的重量为

对于图5所示涡状线圈结构，常用的平板型屏蔽结构重量为

对比式(29)和式(30)得到

因此，所设计的改进后扇形屏蔽结构的重量相对于常用屏蔽结构的重量减轻了约41％。

线圈参数、屏蔽材料均根据实际需求选取。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、根据线圈结构和参数及电源参数，计算线圈磁链；

步骤2、根据计算所得线圈磁链，绘制距离圆心距离与厚度关系曲线，选取合适特性的屏蔽材料；

步骤3、计算线圈起始半径处屏蔽材料厚度h_int、线圈外边缘处屏蔽材料厚度h_ext、线圈中心出口处屏蔽材料半径R_out、及线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out；

步骤4、计算屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max；

步骤5、如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out，则进行步骤6；如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max不小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out，则需要重新选取屏蔽结构材料，重复步骤2、步骤3、步骤4，直至屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度h_max小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度h_out；

步骤6、根据步骤5所计算参数，确定屏蔽结构截面曲线；

步骤7、根据面积等效原则，对所设计屏蔽结构进行扇形简化；

步骤8、对扇形简化后的屏蔽结构进行边缘结构优化处理；

步骤9、制作屏蔽结构。

2.如权利要求1所述的新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法，其特征是，步骤1所述线圈结构和参数及电源参数，包括线圈导线半径、线圈起始半径、线圈外边缘半径、线圈导线间距、线圈导线材料、线圈匝数、线圈形状、输入电流、输入频率、输入电压、输入功率。

3.如权利要求1所述的新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法，其特征是，步骤2所述选取合适特性的屏蔽材料，包括确定屏蔽材料相对磁导率、屏蔽材料密度、屏蔽材料价格、屏蔽材料延展性、屏蔽材料耐热性。