CN108767997A - 一种太极型无线电能传输线圈结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太极型无线电能传输线圈结构，发射线圈和接收线圈都为太极型线圈，所述太极型线圈即导线绕呈阴阳鱼状，以阴阳鱼其中一条的尾部作为绕线起点，另一条的嘴部作为绕线终点。本发明磁场密度分布更加密集和柔和，使得该结构相较于“Double‑D”线圈结构具有更好的传输性能，并且传输效率更高，传输距离更远。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，特别是涉及到一种太极型无线电能传输线圈结构。
背景技术
耦合机构是无线电能传输技术的重要组成部分，高品质的耦合线圈对无线电能传输系统的传输性能的影响是至关重要的，它的设计与优化对系统的传输效率、功率、传输距离等有着直接的影响。对于无线电能传输系统而言，耦合线圈在实际工作过程中其发射和接收部分之间存在很大的空气气隙，较高的漏磁会导致耦合性能下降，从而使得整个系统的传输效率大大下降，该现象在大功率传能系统的应用中尤为明显。为了提高WPT系统的传输效率，设计与优化耦合线圈的形状和结构显得尤为重要。有的学者对双DD线圈和单极线圈进行研究。专注于线圈结构设计与拓扑结构设计相结合，以达到最大耦合系数和效率。在众多线圈设计的研究中，采用了不同的评价标准与优化流程，进行了线圈设计与优化，使得线圈设计更为合理。但是，设计分析均基于一对一的两线圈模型。
然而，无线充电系统中，耦合线圈的尺寸以及初级、次级两线圈的距离等受到应用场合的限制。例如，应用于储能式有轨电车或电动汽车中的无线充电系统线圈除了受到车身尺寸影响外，其初级线圈受到了轨距的限制，并且其车厢横梁的尺寸也决定了次级线圈的大小。由于以上等因素限制两线圈形状和大小。而且初级和次级线圈自感值的增加会增加线圈匝数，从而增大串联等效电阻，并增加系统损耗，因此初级、次级线圈的自感值受限，较难有效增加初级、次线圈的互感。除此之外，无线电能传输系统为轨道交通等大功率应用提供电能时，两线圈模型很难实现大功率电能的非接触传输。西南交通大学分析了双初级线圈并绕的IPT系统，通过初级线圈产生磁场的叠加，实现IPT系统的大功率输出。中科院研究了双拾取线圈并联结构WPT系统，研究了拾取线圈之间的互感对输出功率的影响，并提出通过调整拾取侧补偿电容的方法使系统输出功率不受拾取线圈间互感的影响。北京交通大学分析验证的多拾取线圈间的互感将影响系统谐振频率，降低IPT系统的输出功率和工作效率。上述设计在增加线圈数量的基础上，实现了高功率非接触电力传输。但是，他们并没有提高远距离WPT系统的效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种太极型无线电能传输线圈结构，具有更好的传输性能，并且传输效率更高，传输距离更远。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种太极型无线电能传输线圈结构，包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈和接收线圈都为太极型线圈，所述太极型线圈即导线绕呈阴阳鱼状，以阴阳鱼其中一条的尾部作为绕线起点，另一条的嘴部作为绕线终点；所述发射线圈的绕线起点和绕线终点作为线圈引线接入发射系统，所述接收线圈的绕线起点和绕线终点作为线圈引线接入接收系统。
进一步的，所述发射线圈为多匝的太极型线圈，并且串联有电容补偿电路。
进一步的，所述接收线圈为多匝的太极型线圈，并且串联有电容补偿电路。
进一步的，所述发射线圈与高频信号发生器、功率放大器、电源侧阻抗匹配电路共同构成发射系统。
进一步的，所述接收线圈与接收侧负载共同构成接收系统。
进一步的，所述发射线圈与接收线圈为对称结构或非对称结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明所述的一种新型的无线电能传输线圈结构---“太极”，与传统无线电能传输系统两线圈结构和“Double-D”线圈结构相比，该结构在Z分量的磁通密度远大于两线圈结构，并且超越了“Double-D”线圈结构，而且磁场的分布相较于“Double-D”的线圈结构来说，磁场密度分布更加密集和柔和，使得该结构相较于“Double-D”线圈结构具有更好的传输性能，并且传输效率更高，传输距离更远。
附图说明
图1是本发明的太极型线圈结构的示意图；
图2是COMSOL仿真中的太极一维绘图磁通密度Z分量与距离的关系；
图3是COMSOL仿真中的Double-D一维绘图磁通密度Z分量与距离的关系；
图4是COMSOL仿真中的Double-D与太极的磁通密度Z分量与距离关系的对比图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提出一种新型的无线电能传输线圈结构---“太极”。太极可分为阴阳之说，人们把阴阳这对范畴源于对“日之向背”的概括，其中自然包含着物理学的意义，即阴和阳分别指辐射能量密度小或大的两种不同环境。于是就产生了任何事物都是相互依存的两极太极图。太极图展示的中心对称规律是：平衡和对称是极短暂的瞬时现象；而其中的一极之动,必然导致整个系统“变动不居”,我们的认知理念就必须建立在“唯变所适”的基础之上。于是我们将太极的阴阳特性与磁场的一进一出相互对照，并且应用了太极的中心对称的规律与之结合，设计出了一种新型的线圈结构。该“太极”结构与传统无线电能传输系统两线圈结构和“Double-D”线圈结构相比，该结构在Z分量的磁通密度远大于两线圈结构，并且超越了“Double-D”线圈结构，而且磁场的分布相较于“Double-D”的线圈结构来说，磁场密度分布更加密集和柔和，使得该结构相较于“Double-D”线圈结构具有更好的传输性能，并且传输效率更高，传输距离更远。
本发明的无线电能传输线圈结构装置包括发射系统及接收系统，接收线圈通过与发射线圈谐振传递能量，接收线圈的谐振频率与发射线圈的谐振频率一致。
下面以图1作为具体应用的实例：
发射系统包括DDS高频信号发生器、功率放大器，电源侧阻抗匹配电路、太极型发射线圈。
太极型发射线圈半径为12cm，谐振频率为100KHz，将电容补偿电路与多匝的太极形发射线圈串联构成发射装置。
接收系统包括太极型接收线圈和负载。
太极型接收线圈半径为12cm，谐振频率为100KHz，将电容补偿电路与多匝的接收线圈串联构成接收装置。
太极型发射线圈和太极型接收线圈都是太极型线圈，所述太极型线圈即导线绕呈阴阳鱼状，以阴阳鱼其中一条的尾部作为绕线起点，另一条的嘴部作为绕线终点；所述发射线圈的绕线起点作为正极、绕线终点作为负极接入发射系统，所述接收线圈的绕线起点作为负极、绕线终点作为正极接入接收系统。
图1中，圆圈代表出来向外的磁场方向，“×”代表进去向内的磁场方向。
另外，所述发射线圈与接收线圈可以为对称结构或非对称结构。
DDS高频信号发生器发出100KHz的中低频信号，经功率放大器增大，经电容补偿电路到发射线圈。
接收线圈接收到发射线圈发出的电能，经由电容补偿电路流向负载。
移动接收线圈方向，系统传输功率及传输效率未见降低。
如图2所示，为“Double-D”线圈在不同距离下的，“z”方向的磁通密度的分布图和大小。我们可以看出，它的平均宽度大约为15cm，在15cm的变化范围内，线圈的磁通密度值几乎稳定在0.1mT。
如图3所示，为“太极”线圈在不同距离下的，“z”方向的磁通密度的分布图和大小。我们可以看出，它的平均宽度大约为20cm，在20cm的变化范围内，线圈的磁通密度值几乎稳定在0.2mT。
如图4所示，是将“Double-D”线圈和“太极”线圈的数据导入到一张图上进行对比我们可以很清楚的看出来，无论是在抗偏移能力还是在“z”方向的磁通密度，“太极”线圈的性能都远远好于“Double-D”线圈的性能。
可见，本发明Z分量的磁通密度超越了“Double-D”线圈结构，而且磁场的分布相较于“Double-D”的线圈结构来说，磁场密度分布更加密集和柔和，这是由于“太极”型线圈结构从根本上改变了磁场的分布方式，使大部分磁场分布于磁耦合机构内部，避免出现大量漏磁。除此之外“太极”型线圈结构在缠绕过程中会出现重叠，增强了磁场而且在其尖端处磁场分布更为密集通过磁芯的作用，可进一步减小磁场向空间的泄露。增强原、副边的耦合程度。由于“太极”型线圈结构的局部边缘地区磁场增强，相较于传统的两线圈磁场分布内部磁场强，外部磁场弱的分布来说，“太极”型线圈结构的磁场分布更均匀和柔和。因此相比于Double-D，本发明的传输距离增加，传输效率有所提升，可见采用此发明所述的一种新型的无线电能传输线圈结构---“太极”可将距离增加。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种太极型无线电能传输线圈结构，其特征在于，包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈和接收线圈都为太极型线圈，所述太极型线圈即导线绕呈阴阳鱼状，以阴阳鱼其中一条的尾部作为绕线起点，另一条的嘴部作为绕线终点；所述发射线圈的绕线起点和绕线终点作为线圈引线接入发射系统，所述接收线圈的绕线起点和绕线终点作为线圈引线接入接收系统。
2.根据权利要求1所述的一种太极型无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述发射线圈为多匝的太极型线圈，并且串联有电容补偿电路。
3.根据权利要求1所述的一种太极型无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述接收线圈为多匝的太极型线圈，并且串联有电容补偿电路。
4.根据权利要求1所述的一种太极型无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述发射线圈与高频信号发生器、功率放大器、电源侧阻抗匹配电路共同构成发射系统。
5.根据权利要求1所述的一种太极型无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述接收线圈与接收侧负载共同构成接收系统。
6.根据权利要求1所述的一种太极型无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述发射线圈与接收线圈为对称结构或非对称结构。
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