CN109166708B - 一种变匝间距平面螺旋线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种变匝间距平面螺旋线圈，包括磁芯和放置在磁芯上方的由一根绝缘导线沿顺时针或逆时针方向一圈一圈盘绕得到的平面螺旋线圈；线圈的匝间距从圆心向外沿半径方向呈现由密到疏、再由疏到密的排布。本发明在不改变等匝间距平面螺旋线圈内径、外径、匝数、线规的前提下，依据线圈上的磁场分布改变线圈的疏密排布方式使之成为变匝间距平面螺旋线圈，减小了线圈上磁场强度的整体幅值，使线圈的邻近效应损耗问题得到减缓，最终缓解线圈交流内阻增大的趋势以减小磁耦合结构的铜损，同时保证该结构相比同等规格(内径、外径、匝数、线规)的等匝间距螺旋线圈结构在磁场分布与偏移容差特性上不具有明显劣势。

Description

一种变匝间距平面螺旋线圈
技术领域
本发明属于磁耦合结构优化技术领域，特别是涉及一种变匝间距平面螺旋线圈。
背景技术
感应能量传输(Inductively Power Transfer，简称IPT)技术是基于电磁感应原理来实现无接触电能传输的技术，非接触变压器是IPT系统中实现无线充电的关键部分。在实际应用中，系统整体的损耗超过70％为非接触变压器损耗，而铜损(线圈的损耗)和铁损(磁芯的损耗)又占非接触变压器损耗的主要部分。因此，要降低损耗，就必须要对IPT系统中磁耦合结构进行优化设计。
平面螺旋线圈是最典型、应用最广泛的线圈结构。对传统均匀分布方式绕制的线圈，即定匝间距平面螺旋线圈进行磁场仿真分析可知：该线圈上的磁场强度整体幅值较大、磁场强度分布不均且磁力线切割线圈较密，这些都将加重线圈内电流分布不均匀度，增大线圈的交流内阻与铜损，降低系统传输效率。
郑端端等在《无线充电平面螺旋线圈变匝宽新方案分析与优化》中通过改变平面螺旋线圈匝宽，即线圈中间部分导线较宽，靠圆心和圆周的导线较窄，在保证线圈内径、外径、匝数与定匝宽平面螺旋线圈方案一致的情况下减小了线圈的交流内阻。但该方案需要通过改变线规来满足平面螺旋线圈每一匝宽度不同的要求，实用性较差，未能取得广泛应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种变匝间距平面螺旋线圈，减缓定匝间距平面螺旋线圈结构由于线圈磁场强度整体幅值大且分布不均导致的线圈铜损问题。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种变匝间距平面螺旋线圈，其特征在于：包括磁芯和放置在磁芯上方的由一根绝缘导线沿顺时针或逆时针方向一圈一圈盘绕得到的平面螺旋线圈；所述的磁芯与线圈的接触面能够覆盖线圈的最外圈；所述的绝缘导线的线径规格为线规，所述的线圈的最内圈的半径为内径，最外圈的半径为外径，圈数为匝数，相邻两圈线圈之间沿半径方向的距离为匝间距；所述的线圈的匝间距从圆心向外沿半径方向呈现由密到疏、再由疏到密的排布，线圈中两侧的匝间距最大的点称为最稀疏点，最稀疏点沿顺时针和逆时针方向延伸的线圈匝间距均呈现由疏到密的排布。
按上述方案，所述的最稀疏点的位置与同所述的变匝间距平面螺旋线圈具有相同内径、外径、匝数、线规的等匝间距平面螺旋线圈的磁场强度幅值的最低谷处相同。
按上述方案，所述的绝缘导线为绝缘铜导线。
按上述方案，所述的磁芯为铁氧体磁芯。
按上述方案，所述的线圈的内径为50mm，外径为160mm，匝数为12，线规为4mm，从线圈最外圈任意一点起沿直径方向的匝间距分别为5mm、7mm、9mm、12mm、14mm、16mm、14mm、12mm、9mm、7mm、5mm。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种变匝间距平面螺旋线圈在不改变等匝间距平面螺旋线圈内径、外径、匝数、线规的前提下，通过调整每匝线圈之间的疏密程度，使磁场强度在线圈上的分布更均匀且整体幅值更小，能有效减缓线圈的铜损问题。
2.本发明的结构相比同等规格(内径、外径、匝数、线规)的等匝间距平面螺旋线圈结构在磁场分布与偏移容差特性上不具有明显劣势。
附图说明
图1为本发明实施例的俯视图。
图2为本发明实施例的横截面图。
其中：1.线圈；2.磁芯。
图3为与本发明实施例具有相同规格(内径、外径、匝数、线规)的等匝间距平面螺旋线圈的磁场强度分布图(圆心一侧)。
图4为本发明实施例和与本发明具有相同规格(内径、外径、匝数、线规)的等匝间距平面螺旋线圈两种结构的磁场强度分布与每匝线圈横截面位置之间的关系对比图。
图5为与本发明实施例具有相同规格(内径、外径、匝数、线规)的等匝间距平面螺旋线圈的磁场分布图。
图6为本发明实施例的磁场分布图。
图7为本发明实施例和与本发明具有相同规格(内径、外径、匝数、线规)的等匝间距平面螺旋线圈两种结构的耦合系数与水平偏移量之间的关系对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1、图2和图3，采用接触面能够覆盖所需线圈最外圈的铁氧体磁芯，以磁芯表面中心点为圆心，采用绝缘铜导线沿顺时针或逆时针方向一圈一圈盘绕得到等匝间距的规定内径、外径和匝数的平面螺旋线圈；根据线圈分布的磁场强度幅值的变化规律(即在圆心一侧的线圈的磁场强度分布呈现由大到小再由小到大的趋势)，选取线圈中对应磁场强度幅值最低谷的位置作为最稀疏点，以该点为中心，在保证线圈内径、外径和匝数不变的条件下，调整线圈每一匝的匝间距，使线圈的匝间距向内径和外径两个方向由稀疏逐渐变密集。
参见图4，图中实线对应的是本发明的磁场强度变化趋势，虚线对应的是与本发明具有相同规格(内径、外径、匝数、线规)的等匝间距平面螺旋线圈的磁场强度变化趋势，两者相比，本发明的磁场强度变化趋势更加平缓，且整体幅值更小，受邻近效应带来的损耗影响更小。
对本发明和具有相同内径、外径、匝数、线规的等匝间距平面螺旋线圈进行交流内阻的仿真试验，试验方案设置如表1、表2所示，仿真结果如表3所示。
表1
线规/mm 4
匝数 12
内径/mm 50
外径/mm 160
交流频率/kHz 85
表2
表3
等匝间距 本发明
交流内阻/mΩ 55.954 39.101
由仿真结果可知，同与本发明具有相同规格(内径、外径、匝数、线规)的等匝间距平面螺旋线圈相比，本发明具有更小的线圈交流内阻，可以有效降低线圈的铜损。
参见图5和图6，本发明在有效降低线圈铜损的同时，和与本发明具有相同规格(内径、外径、匝数、线规)的等匝间距平面螺旋线圈在线圈周围磁场分布上相比不存在明显劣势。
参见图7，对本发明和与本发明具有相同规格(内径、外径、匝数、线规)的等匝间距平面螺旋线圈进行偏移容差特性的仿真试验，结果表明本发明在有效降低线圈铜损的同时，在偏移容差特性上不存在明显劣势。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种变匝间距平面螺旋线圈，其特征在于：包括磁芯和放置在磁芯上方的由一根绝缘导线沿顺时针或逆时针方向一圈一圈盘绕得到的平面螺旋线圈；所述的磁芯与线圈的接触面能够覆盖线圈的最外圈；所述的绝缘导线的线径规格为线规，所述的线圈的最内圈的半径为内径，最外圈的半径为外径，圈数为匝数，相邻两圈线圈之间沿半径方向的距离为匝间距；以磁芯表面中心点为圆心，所述的线圈的匝间距从圆心向外沿半径方向呈现由密到疏、再由疏到密的排布，线圈中两侧的匝间距最大的点称为最稀疏点，最稀疏点沿顺时针和逆时针方向延伸的线圈匝间距均呈现由疏到密的排布。
2.根据权利要求1所述的变匝间距平面螺旋线圈，其特征在于：所述的最稀疏点的位置与同所述的变匝间距平面螺旋线圈具有相同内径、外径、匝数、线规的等匝间距平面螺旋线圈的磁场强度幅值的最低谷处相同。
3.根据权利要求1所述的变匝间距平面螺旋线圈，其特征在于：所述的绝缘导线为绝缘铜导线。
4.根据权利要求1所述的变匝间距平面螺旋线圈，其特征在于：所述的磁芯为铁氧体磁芯。
5.根据权利要求1所述的变匝间距平面螺旋线圈，其特征在于：所述的线圈的内径为50mm，外径为160mm，匝数为12，线规为4mm，从线圈最外圈任意一点起沿直径方向的匝间距分别为5mm、7mm、9mm、12mm、14mm、16mm、14mm、12mm、9mm、7mm、5mm。
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