CN108667151A - 基于凹凸磁芯的无线能量发射机构及其参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线能量传输技术领域，提供了一种基于凹凸磁芯的无线能量发射机构及其参数设计方法，机构包括磁芯和线圈，磁芯由多块铁氧体磁条按环形阵列分布而成，在每一块磁条的上表面设有两段凹凸部，多块磁条按环形阵列分布后，其凹凸部围成两圈环形的线圈容置槽，所述线圈分为两组并按照平面密绕的方式分别绕制在两圈线圈容置槽中，且内、外两组线圈相互串联。通过仿真软件分析得知，该结构能实现在相同的感应电压条件下，互感另一端的横向抗偏移能力、纵向传输距离显著优于现有电磁耦合机构，提升无线能量传输系统对横向、纵向偏移容忍度。

Description

基于凹凸磁芯的无线能量发射机构及其参数设计方法

技术领域

本发明涉及无线能量传输领域，由其涉及一种基于凹凸磁芯的无线能量发射机构及其参数设计方法。

背景技术

无线能量传输，一般称无线充电，是一种利用电磁感应原理进行非接触式充电的技术。较之传统的有线方式，无线充电使用灵活、操作方便、应用广泛，具有明显的优越性且潜在应用市场广泛。

作为无线能量传输系统的主要组成部分，磁耦合机构的设计直接影响系统能量传输的能效特性。现有电磁耦合结构的设计主要是围绕着提高耦合系数为中心，即单方面的增加纵向耦合能力，提高纵向传输距离，增大纵向抗偏移能力。但对于同时提高系统横向和纵向抗偏移特性优化方面的研究相对较少。以图1和图2所示的能量发射机构为例，现有的能量发射机构通常包括磁芯和线圈，磁芯是由多块矩形铁氧体磁条按环形阵列分布而成，线圈为密绕线圈，线圈水平放置在磁芯上表面。通过实际应用发现，电动汽车无线充电系统中能量拾取端容易因为停车位置不准确而产生横向偏移。同时，因为不同的电动汽车高度也可能不同，因此还存在着纵向偏移问题。而现有能量发射机构对能量接收机构的偏移容忍度较低，即在进行无线能量传输时，发射端对接收端的纵向传输高度限制较多以及拾取端的位置放置要求高，系统的空间冗余度底，使用不够灵活，操作不够方便，且不利于电动汽车无线充电的产业化推广应用。

发明内容

针对现有无线能量传输的电磁耦合技术中，对互感另一端的偏移容忍度较低、使用的灵活性较低的问题，为提高无线能量传输中电磁耦合的抗偏移能力，及操作的便捷性，本发明提供一种基于凹凸磁芯的无线能量发射机构，通过优化磁芯结构与线圈绕线方式，提升耦合机构在横向和纵向的抗偏移能力。

为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于凹凸磁芯的无线能量发射机构，包括磁芯和线圈，其关键在于：所述磁芯由多块铁氧体磁条按环形阵列分布而成，在每一块磁条的上表面设有两段凹凸部，多块磁条按环形阵列分布后，其凹凸部围成两圈环形的线圈容置槽，所述线圈分为两组并按照平面密绕的方式分别绕制在两圈线圈容置槽中，且内、外两组线圈相互串联。优选的，磁芯由八块铁氧体磁条按环形阵列分布而成。

优选的，所述磁条包括矩形的底板，在所述矩形底板的上表面通过搭接两块矩形磁块形成两段凹凸部。

优先的，所述矩形底板上表面的第一矩形磁块位于远心端，第二矩形磁块位于矩形底板的中部，且两组线圈的侧立面与对应的矩形磁块的侧壁紧贴。

优先的，靠近中心的一组线圈匝数少于远离中心的一组线圈匝数。

优先的，所述线圈是由励磁线绕制而成。

优先的，所述磁芯和线圈设置在一封装盒中，在盒体侧壁上设置有线圈的接线头。

基于上述机构，本发明还提出了具体的参数设计方法，按以下步骤进行：

S1：设定磁耦合机构空间尺寸；

S2：建立分组串绕线圈与凹凸磁芯复合结构三维模型，并设置材料参数及边界条件；

S3：初始化不变参数，包括线圈底部磁芯厚度h，单根磁条总长l，线圈容置槽的深度d_wire，d_wire与励磁线线径一致；

S4：设置变量参数，包括内组线圈匝数N₁，外组线圈匝数N₂，第一矩形磁块长度l₁，第二矩形磁块长度l₂；

S5：对变量进行参数化扫描，得到n种分组串绕线圈与凹凸磁芯复合结构参数；

S6：测量n种组合结构磁芯上的最大磁感应强度B_max，并与饱和磁感应强度上限值B_smax进行比较，选取满足B_max＜B_smax的m种分组串绕线圈与凹凸磁芯组合结构，淘汰其余n-m种结构；

S7：将m种复合结构分别作为发射端结构，与同一个拾取线圈组成磁耦合机构，采用有限元法计算这m种磁耦合机构的互感，筛选出最大互感的组合结构即为可选结构中的最优结构，由此确定该最优结构的所有参数。

本发明的效果是：

由上述技术方案可知，本发明提供的一种基于凹凸磁芯的无线能量发射机构及其参数设计方法，通过优化线圈的串绕方式和磁芯结构，实现在不增加系统成本和体积的情况下，提高系统的横向和垂直方向抗偏移能力，增加系统的空间冗余度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为现有电磁耦合机构结构示意图；

图2为现有电磁耦合机构中磁芯与线圈的位置关系图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明中磁芯与线圈的位置关系图；

图5为不同形式磁芯结构横向抗偏移性分析；

图6为不同形式磁芯结构纵向抗偏移性分析。

附图中，1表示磁芯；2表示内组线圈；3表示外组线圈。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图3和图4所示，一种基于凹凸磁芯的无线能量发射机构，包括磁芯1、内组线圈2和外组线圈3，所述磁芯1由多块铁氧体磁条按环形阵列分布而成，在每一块磁条的上表面设有两段凹凸部，多块磁条按环形阵列分布后，其凹凸部围成两圈环形的线圈容置槽，内组线圈2和外组线圈3分别按照平面密绕的方式分别绕制在两圈线圈容置槽中，且内、外两组线圈相互串联。

在具体实施时，磁芯1是由八块铁氧体磁条按环形阵列分布而成，磁条上面的凹凸部是通过在矩形底板的上表面搭接两块矩形磁块形成，第一矩形磁块位于远心端，第二矩形磁块位于矩形底板的中部，第一矩形磁块和第二矩形磁块的厚度均与线圈线缆的线径相同。

如图4所示，内组线圈2绕线匝数小于外组线圈3的绕线匝数，且内组线圈2和外组线圈3的侧立面与对应的矩形磁块的侧壁紧贴。为了便于安装，所述磁芯1、内组线圈2和外组线圈3设置在一封装盒中，在盒体侧壁上设置有线圈的接线头。

通过仿真软件分析得知，该结构能实现在形同的感应电压条件下，互感另一端的横向抗偏移能力、纵向传输距离显著优于现有电磁耦合机构，提升无线能量传输系统对横向、纵向偏移容忍度。

基于上述结构设计，本实施例还提出了一种具体的参数设计方法，按以下步骤进行：

S1：设定磁耦合机构空间尺寸；

S2：建立分组串绕线圈与凹凸磁芯复合结构三维模型，并设置材料参数及边界条件；

S3：初始化不变参数，包括线圈底部磁芯厚度h，单根磁条总长l，线圈容置槽的深度d_wire，d_wire与励磁线线径一致；

S4：设置变量参数，包括内组线圈匝数N₁，外组线圈匝数N₂，第一矩形磁块长度l₁，第二矩形磁块长度l₂；

S5：对变量进行参数化扫描，得到n种分组串绕线圈与凹凸磁芯复合结构参数；

S6：测量n种组合结构磁芯上的最大磁感应强度B_max，并与饱和磁感应强度上限值B_smax进行比较，选取满足B_max＜B_smax的m种分组串绕线圈与凹凸磁芯组合结构，淘汰其余n-m种结构；

S7：将m种复合结构分别作为发射端结构，与同一个拾取线圈组成磁耦合机构，采用有限元法计算这m种磁耦合机构的互感，筛选出最大互感的组合结构即为可选结构中的最优结构，由此确定该最优结构的所有参数。

假设结构空间尺寸为50cm*50cm*3cm(长*宽*高)，将其作为发射端结构，并选取一个空间尺寸为30cm*30cm*3cm(长*宽*高)的条形磁芯拾取端结构作为参考，基于上述设计方法，可得一种复合机构的优化设计参数如表1所示。

表1能量发射机构参数设计表

如表1所示的参数下，通过对仿真计算后的模型进行后处理，能够得到磁通量密度体密度分布，分析后发现，复合结构的磁通量密度相对较高的区域集中分布在线圈与磁芯接触的两端，而磁芯变薄的部分并未出现较大的磁通量密度，因此在合适的参数设计下，复合结构的磁芯变薄部分可以有效减少磁芯重量且不会引起磁饱和问题。

为进一步体现本发明的显著效果，下面对不同磁芯结构的抗偏移特性做进一步分析。这里通过研究原副边耦合机构在横向偏移率为0～60％时互感M的变化来分析复合结构的横向抗偏移特性。如图5所示的仿真结果可知，当能量拾取机构发生横向偏移时，“分组串绕线圈+凹凸磁芯”结构互感始终高于其它结构。换言之，在相同的互感下，“分组串绕线圈+凹凸磁芯”这种组合结构的横向偏移容忍度最大。

在实际应用中，不同的电动汽车底盘高度可能不同，对于磁耦合机构的传输距离要求也随之不同。为提高无线充电系统对于电动车的适应性，保证不同电动车均能稳定运行，即要求其耦合机构对于纵向距离变化有较强的适应能力。

由于电动汽车底盘一般距离地面在15cm～20cm之间，因此这里研究的纵向偏移距离以15cm为基准，即传输距离在15cm时，表示纵向偏移距离为零(d0＝0cm)，当d0＞0cm时，表示发生了纵向偏移，事实上汽车在充电过程中基本不会发生纵向偏移，但是这里为了方便说明该耦合机构的纵向冗余度较大，可以满足高度不同的汽车进行正常的无线充电，特将此称为纵向抗偏移能力。通过对“分组串绕线圈+凹凸磁芯”组合结构(简称新结构)与“密绕线圈+条形磁芯”组合结构(简称原结构)纵向偏移下的Y-Z轴磁场分布云进行分析，也能看出，在同样的纵向传输距离下，新结构的磁聚焦能力明显优于原结构。

由图6可知，当汽车拾取端的纵向传输距离发生变化时，曲线斜率基本保持平行，即四种结构下M的变化率相等，但是凹凸磁芯结构产生的互感明显大于条形磁芯结构，而分组串绕线圈结构又优于密绕线圈结构。在同样的纵向传输距离下，“分组串绕线圈+凹凸磁芯”复合结构产生的互感M在任何纵向偏移距离下均大于其它组合结构；而在同样的互感下，“分组串绕线圈+凹凸磁芯”复合结构的纵向传输距离可以更远。因此，对于纵向传输能力而言，“分组串绕线圈+凹凸磁芯”这种组合结构在几种结构中具有最好的纵向传输特性。

综上所述，本发明提出的新电磁耦合机构，在横向和纵向均较大幅度地提高了系统的抗偏移能力，具有很好的实际应用价值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种基于凹凸磁芯的无线能量发射机构，包括磁芯和线圈，其特征是：所述磁芯由多块铁氧体磁条按环形阵列分布而成，在每一块磁条的上表面设有两段凹凸部，多块磁条按环形阵列分布后，其凹凸部围成两圈环形的线圈容置槽，所述线圈分为两组并按照平面密绕的方式分别绕制在两圈线圈容置槽中，且内、外两组线圈相互串联。

2.根据权利要求1所述的基于凹凸磁芯的无线能量发射机构，其特征是：所述磁芯由八块铁氧体磁条按环形阵列分布而成。

3.根据权利要求1或2所述的基于凹凸磁芯的无线能量发射机构，其特征是：所述磁条包括矩形的底板，在所述矩形底板的上表面通过搭接两块矩形磁块形成两段凹凸部。

4.根据权利要求3所述的基于凹凸磁芯的无线能量发射机构，其特征是：所述矩形底板上表面的第一矩形磁块位于远心端，第二矩形磁块位于矩形底板的中部，且两组线圈的侧立面与对应的矩形磁块的侧壁紧贴。

5.根据权利要求3所述的基于凹凸磁芯的无线能量发射机构，其特征是：靠近中心的一组线圈匝数少于远离中心的一组线圈匝数。

6.根据权利要求1所述的基于凹凸磁芯的无线能量发射机构，其特征是：所述线圈是由励磁线绕制而成。

7.根据权利要求1所述的基于凹凸磁芯的无线能量发射机构，其特征是：所述磁芯和线圈设置在一封装盒中，在盒体侧壁上设置有线圈的接线头。

8.如权利要求3所述的基于凹凸磁芯的无线能量发射机构的参数设计方法，其特征在于，按以下步骤进行：

S1：设定磁耦合机构空间尺寸；

S2：建立分组串绕线圈与凹凸磁芯复合结构三维模型，并设置材料参数及边界条件；

S3：初始化不变参数，包括线圈底部磁芯厚度h，单根磁条总长l，线圈容置槽的深度d_wire，d_wire与励磁线线径一致；

S4：设置变量参数，包括内组线圈匝数N₁，外组线圈匝数N₂，第一矩形磁块长度l₁，第二矩形磁块长度l₂；

S5：对变量进行参数化扫描，得到n种分组串绕线圈与凹凸磁芯复合结构参数；

S6：测量n种组合结构磁芯上的最大磁感应强度B_max，并与饱和磁感应强度上限值B_smax进行比较，选取满足B_max＜B_smax的m种分组串绕线圈与凹凸磁芯组合结构，淘汰其余n-m种结构；

S7：将m种复合结构分别作为发射端结构，与同一个拾取线圈组成磁耦合机构，采用有限元法计算这m种磁耦合机构的互感，筛选出最大互感的组合结构即为可选结构中的最优结构，由此确定该最优结构的所有参数。