CN108900012B - 一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构，包括发射线圈结构和接收线圈结构；所述发射线圈结构包括相互并联的太极型线圈和平面螺旋线圈；所述接收线圈结构包括相互串联的太极型线圈和平面螺旋线圈。本发明具有更好的抗偏移的传输性能，同时具有传输效率更高，传输距离更远的传输性能。

Description

一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构
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非对称无线电能传输线圈优化结构。
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非对称无线电能传输线圈优化结构，将太极型线圈与传统的两线圈结构相结合,具有更好的抗偏移的传输性能，同时具有传输效率更高，传输距离更远的传输性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构，包括发射线圈结构和接收线圈结构；
所述发射线圈结构包括相互并联的太极型线圈和平面螺旋线圈；
所述接收线圈结构包括相互串联的太极型线圈和平面螺旋线圈。
进一步的，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。
进一步的，所述太极型线圈为多匝线圈，所述平面螺旋线圈为单匝线圈。
进一步的，所述发射线圈结构串联有电容补偿电路。
进一步的，所述接收线圈结构串联有电容补偿电路。
进一步的，所述发射线圈结构与与高频信号发生器、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，所述接收线圈结构与接收侧负载共同构成接收系统。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
发明所述的一种新型的非对称无线电能传输线圈优化结构---“太极”+平面螺旋线圈结构，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，并且在抗偏移能力上超越了“Double-D”线圈结构，而且磁场密度分布更加密集和柔和，使得该结构吸收了两线圈与“Double-D”线圈结构的优点，相较于“Double-D”线圈结构和两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是本发明太极型线圈的示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3(a)是COMSOL仿真中的发射线圈---“太极”无单匝一维绘图磁通
密度Z分量与距离的关系；
图3(b)是COMSOL仿真中的发射线圈---“太极”串单匝一维绘图磁
通密度Z分量与距离的关系；
图3(c)是COMSOL仿真中的发射线圈---“太极”并单匝一维绘图磁通密度Z分量与距离的关系；
图4是COMSOL仿真中的发射线圈与接收线圈之间传能的二维绘图；
图5是COMSOL仿真中的发射线圈与接收线圈之间传能一维绘图。
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。
本发明中所应用的太极型线圈，如图1所示，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。图1中，圆点代表出来向外的磁场分布方向，“×”代表进去向内的磁场分布方向。
如图2所示，本发明包括发射线圈结构和接收线圈结构；
所述发射线圈结构设置了太极型线圈与平面螺旋线圈结构并联，并且带有补偿结构的发射线圈结构；
所述接收线圈结构设置了太极型线圈与平面螺旋线圈结构串联，并且带有补偿结构的接收线圈结构；
所述接收线圈的谐振频率与所述发射线圈的谐振频率一致；
所述发射线圈结构还包括串联的电容补偿结构。
所述接收线圈结构还包括串联的电容补偿结构。
所述带有发射线圈结构与高频信号发生器、功率放大器、电源侧阻抗匹配电路共同构成发射系统。
所述带接收线圈结构与接收侧负载共同构成所述接收系统。
所述发射线圈结构与接收线圈结构非对称结构。
如图3所示，图(a)中的是“太极”线圈没有做任何的设计可以看出它的平缓区域大概在15cm左右,其“z”方向的磁通密度为0.04mT。图(b)和图(c)中分别是“太极”线圈串上一个单匝的螺线线圈和并上一个单匝的螺线线圈，我们不难看出无论是其平缓区域或者其“z”方向的磁通密度都有明显的增加。
如图4所示，是多匝太极并单匝线圈的一个二维高度和二维俯视图。我们可以发现，并上单匝后线圈的与单匝线圈同电流方向的“z”方向的磁通密度增强，与单匝线圈反电流方向的“z”方向的磁通密度逐渐减弱并且与其反向，如图4所示。
如图5所示，是多匝太极线圈并联单匝的一维图像，可以看出适当的调节单匝线圈可以更大程度的增加线圈的抗偏移的距离，虽然暂时在“z”方向的磁通密度的值略低，但是这种情况去维持小功率的传能尚可。除此之外我们还可以通过改变单匝的匝数和大小去调节，最终将其达到一致。
本发明提出的一种新型的非对称无线电能传输线圈优化结构---“太极”+平面螺旋线圈结构，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，并且在抗偏移能力上超越了“Double-D”线圈结构，从线圈上方看，由于线圈两侧回路电流方向相反，则会出现单个平面线圈不同的磁场分布特性，即磁力线从一侧回路出发，终止于另一侧，在磁耦合机构内部形成一个闭合的磁通回路。“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。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。而且磁场密度分布更加密集和柔和，使得该结构吸收了两线圈与“Double-D”线圈结构的优点，相较于“Double-D”线圈结构和两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。
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)

1.一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构，其特征在于，包括发射线圈结构和接收线圈结构；
所述发射线圈结构包括相互并联的太极型线圈和平面螺旋线圈；
所述接收线圈结构包括相互串联的太极型线圈和平面螺旋线圈；
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。
2.根据权利要求1所述的一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构，其特征在于，所述太极型线圈为多匝线圈，所述平面螺旋线圈为单匝线圈。
3.根据权利要求1所述的一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构，其特征在于，所述发射线圈结构串联有电容补偿电路。
4.根据权利要求1所述的一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构，其特征在于，所述接收线圈结构串联有电容补偿电路。
5.根据权利要求1所述的一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构，其特征在于，所述发射线圈结构与与高频信号发生器、功率放大器、电源侧阻抗匹配电路共同构成发射系统。
6.根据权利要求1所述的一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构，其特征在于，所述接收线圈结构与接收侧负载共同构成接收系统。
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