CN109300675B - 一种防爆型无线充电松耦合变压器及无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防爆型无线充电松耦合变压器及无线充电装置，应用在防爆机器人上；包括变压器原边和变压器副边，变压器原边和变压器副边均包括一磁芯和线圈；所述磁芯包括磁基座、第一磁块、磁柱、磁条和第二磁块；所述磁基座为方形平板状；所述第一磁块分别水平设置在磁基座的上下侧边上；所述磁柱沿磁基座的宽度方向设置在磁基座的中心位置处；所述磁条竖直设置在磁基座的左右侧边上；所述第二磁块垂直于第一磁条的上端面设置；所述线圈为环形结构，环绕套设在所述磁柱上。本发明采用独特的磁芯结构，实现了松耦合变压器的高耦合系数和高传输效率，以及无线充电装置的低开关频率，能够满足防爆环境的要求。

Description

一种防爆型无线充电松耦合变压器及无线充电装置

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种防爆型无线充电松耦合变压器及无线充电装置。

背景技术

无线电能传输技术作为一种新型电能传输技术引起了人们的广泛关注，无线电能传输主要利用磁场耦合的原理来实现功率传输，进而可实现对设备进行无线充电，并且具有操作安全、防水防尘和便于维护等特点，使得在高寒、潮湿等特殊环境下也能安全充电。防爆机器人作为特种机器人中的一种，在高危场所的工作中发挥着重要作用。当防爆机器人在易燃、易爆的环境下需要充电时，充电过程需要满足国家ⅡC防爆要求。现有的无线充电技术采用的都是几十KHz到几百KHz的开关频率，由于高频频率对气体的激化危险，较高的开关频率在防爆环境下存在较大的安全隐患，因此现有的无线充电技术难以满足防爆环境的工作要求。

无线能量传输装置中的松耦合变压器存在较大的漏感，在变压器原副边正对的情况下耦合系数不高，尤其在原副边线圈发生偏移的情况下，变压器的耦合系数迅速下降，这就导致系统的整体效率不高，大大制约了无线电能传输的推广和应用。无线电能传输系统的效率受限制的主要因素是松耦合变压器的损耗，而提高松耦合变压器的耦合系数能有效地降低变压器的损耗。因此，松耦合变压器的结构设计对提高无线能量传输的效率有着关键性影响。

松耦合变压器作为非接触式电能传输系统的一个关键设备，在原理上与常规变压器有相似之处，然而由于松耦合变压器的空气磁路长度远远超过了常规变压器的长度，因而其拥有自身的很多特点，如能为用电设备提供非接触式的电能供应，具有很好的应用前景。松耦合变压器的磁路中有较大距离的空气磁路，磁动势中相当一部分消耗在空气磁路部分，因此需要很大的激励电流，从而导致其漏感较大，耦合系数不高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种结构简单、耦合系数高、传输效率高的防爆型无线充电松耦合变压器，以及低开关频率、体积小、质量轻，适应于防爆环境下工作的无线充电装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种防爆型无线充电松耦合变压器，应用在防爆机器人上；包括变压器原边和变压器副边，变压器原边和变压器副边均包括一磁芯和线圈；

所述磁芯包括磁基座、第一磁块、磁柱、磁条和第二磁块；

所述磁基座为方形平板状，水平放置；所述第一磁块分别水平设置在磁基座上下侧边的中心位置处，第一磁块的长度小于磁基座的长度；所述磁柱沿磁基座的宽度方向设置在磁基座的中心位置处，磁柱的宽度大于磁基座的宽度；所述磁条竖直设置在磁基座的左右侧边上，磁条的宽度与磁基座的宽度一致；所述第二磁块垂直于第一磁条的上端面设置，第二磁块的宽度大于磁基座的宽度；

所述线圈为环形结构，环绕套设在所述磁柱上。

进一步地完善上述技术方案，所述磁柱的侧面与同侧磁条之间的距离大于两倍的变压器原边与变压器副边之间的气隙距离。

进一步地，所述磁基座、第一磁块、磁柱、磁条和第二磁块均采用铁氧体材料，构成磁芯的相邻部件之间通过厌氧胶水固定连接。

本发明还提供一种采用防爆型无线充电松耦合变压器的无线充电装置，包括发射器和接收器，发射器固定在防爆机器人的工作区域内，接收器安装在防爆机器人上；发射器和接收器均包括线圈、磁芯、壳体、底座和PCB板；

所述线圈套设在磁芯的磁柱上，线圈和磁芯设置在壳体内并通过环氧树脂胶灌封，线圈的两根引出线引出；

所述底座为空腔结构，PCB板放置在底座内，线圈的两根引出线分别与PCB板上对应的接线端子电连接，通过环氧树脂胶将PCB板灌封在底座内，PCB板的引出线引出；

所述壳体设置在底座上，通过螺钉将壳体和底座固定连接成一体。

本发明的有益效果：(1)本发明采用独特的磁芯结构形成松耦合变压器，增大了松耦合变压器的耦合系数，保证了变压器的传输效率。其次，在同等线圈匝数的情况下，增大了松耦合变压器的电感，为低开关频率的实现提供了条件，有效防止了高频频率对气体的激化危险，减小了安全隐患，适应于防爆环境下工作；并且，由于松耦合变压器的线圈电感量的增大，使得电路中所需谐振补偿电容的电容值减小，有效地减小了电容的体积，从而减小了装置整体的体积和质量。

(2)本发明的磁芯的磁柱外侧壁到同侧磁条的距离大于2倍的松耦合变压器原边与副边之间的气隙距离，能够有效提高松耦合变压器的传输效率。

(3)本发明所述无线充电装置的发射器和接收器均采用全灌封的结构，极大地提高了变压器原边和副边的内部散热强度，有效避免了因断路等故障而导致的恶劣后果，提高了装置整体的安全性能。

附图说明

图1为现有技术中圆形线圈和平板磁芯组成的松耦合变压器的磁力线图；

图2为图1的等效磁路模型图；

图3为本发明所述防爆型无线充电松耦合变压器的磁芯结构图；

图4中的(a)为圆形线圈和平板磁芯组成的松耦合变压器的磁力线路径示意图；

图4中的(b)为本发明所述防爆型无线充电松耦合变压器的磁力线路径示意图；

图4中的(c)为本发明所述防爆型无线充电松耦合变压器在原副边发生偏移的情况下的磁力线路径示意图；

图5为本发明所述无线充电装置电路原理图；

图6为本发明所述无线充电装置的发射器或接收器结构图。

其中，1、壳体；2、线圈；3、磁芯；4、密封圈；5、PCB板；6、底座；7、防爆接头；8、密封垫片；9、螺母；10、螺纹孔；11、螺钉；31、磁基座；32、第一磁块； 33、磁柱；34、磁条；35、第二磁块。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚，下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。

实施例1：

由现有技术可知，松耦合变压器由原边线圈、原边磁芯，副边线圈和副边磁芯组成，应用于无线能量传输系统中。由于松耦合变压器的原边和副边之间存在较大的气隙，使得松耦合变压器原边和副边之间的磁通路径基本可以分为两部分：一是线圈附近磁芯内部的磁通，二是气隙中的磁通。以圆形线圈和平板磁芯形成的松耦合变压器为例，如图 1和2所示，假设自耦合区有磁阻Rs，互耦合区有磁阻Rm，Φ1是一侧的总磁通，Φs 是自耦合部分磁通，Φm是互耦合部分磁通；互耦合区1的磁阻为Rm1，互耦合区2的磁阻为Rm2，可得耦合系数k与磁通之间的关系表达式为：

由公式一可知，要想增加耦合系数k，就是要减小(Rm1+Rm2)，同时增大Rs，即适当布置磁芯位置可减小互耦合区磁阻同时增大自耦合区磁阻，从而增大耦合系数，这是优化磁芯结构的依据。无线能量传输过程中的效率主要跟松耦合变压器的耦合系数有关，耦合系数越大，传输效率就越高。综上所述，松耦合变压器原边与副边之间的气隙越大，耦合系数越小，效率就越低；反之，气隙越小，耦合系数越大，效率越高。松耦合变压器原边与副边之间的偏移度越大，耦合系数越小，效率就越低；反之，偏移度越小，耦合系数越大，效率越高。

本发明提供一种防爆型无线充电松耦合变压器，应用在防爆机器人上，包括变压器原边和变压器副边，变压器原边和变压器副边均包括一磁芯3和设置在磁芯3上的线圈2；如图3所示，所述磁芯3包括磁基座31、第一磁块32、磁柱33、磁条34和第二磁块35；所述磁基座31为长方形平板状，水平放置；所述第一磁块32分别水平设置在磁基座31的上下侧边的中部位置处，第一磁块32的长度小于磁基座31的长度，第一磁块32的高度与磁基座31的高度一致；所述磁柱33为长方体结构，磁柱33沿磁基座 31的宽度方向设置在磁基座31的中心位置处，磁柱33的宽度大于磁基座31的宽度，磁柱33超出磁基座31部分置于第一磁块32的上表面；所述磁条34竖直设置在磁基座 31的左右侧边上，磁条34的宽度与磁基座31的宽度相同；所述第二磁块35垂直于第一磁条34的上端面设置，第二磁块35的宽度大于磁条34的宽度。所述磁基座31、磁条34、第一磁块32、磁柱33和第二磁块35均由铁氧体材料制成，构成磁芯3的相邻部件之间通过厌氧胶水固定连接。

如图4中的(a)和(b)所示，在同样的气隙下，由于本发明的磁芯3设置有磁柱33、磁条34和第一磁块32，缩短了磁力线在空气中传输的距离，这就使得本发明的松耦合变压器的耦合系数比平板磁芯3组成的松耦合变压器的耦合系数高。如图4中的(c)所示，由于本发明的磁芯3设置有第二磁块35，在松耦合变压器原边和副边发生偏移的情况下，能够有效减小了磁力线在空气中传输的距离，从而增加松耦合变压器的耦合系数。

由公式一可知，可以通过增大自耦合区的磁阻Rs来增大变压器的耦合系数；要想增大自耦合区的磁阻Rs，可以通过增大自耦合路径来实现，因此这就需要增大图3中的距离D来实现，距离D为磁柱33的外侧壁到同侧磁条34之间的距离。由于磁力线在互耦合区2空气中传输的距离是气隙距离的2倍，为了减小磁力线从自耦合区传输，磁柱33外侧壁到同侧磁条34的距离D应大于2倍的气隙距离；试验证明，在恒定的气隙距离下，当距离D约为1.8倍的气隙距离时，效率下降了将近5％,并且随着距离D的减小,效率越来越低。

所述线圈2为环形结构，由多股利兹线绕制而成，线圈2环绕套设在磁芯3的磁柱33上。在同等面积、同等线圈2匝数(30匝)的情况下，松耦合变压器原边与副边2cm 气隙距离时，采用平板磁芯、E型磁芯和本发明的磁芯组成的松耦合变压器的耦合系数和电感量如下表1所示：

表1

由表1可知，在松耦合变压器原边和副边平行正对时，采用本发明的磁芯3组成的松耦合变压器的耦合系数明显高于由平板磁芯组成的松耦合变压器，且略高于由E型磁芯组成的松耦合变压器。在松耦合变压器原边和副边在水平方向上偏移2cm时，采用本发明的磁芯3组成的松耦合变压器的耦合系数均高于由平板磁芯和E型磁芯组成的松耦合变压器。同时，采用本发明的磁芯3的电感量明显高于平板磁芯和E型磁芯。

本发明还提供一种无线充电装置，如图5所示，其电路包括发射端电路和接收端电路，发射端电路包括输入变换电路、原边谐振补偿电容和原边线圈，原边谐振补偿电容和原边线圈组成原边串联谐振回路，输入变换电路的输入连接输入电压，输入变换电路的输出连接串联谐振回路。接收端电路包括副边线圈、副边谐振补偿电容和输出变换电路，副边线圈2和副边谐振补偿电容组成副边串联谐振回路，副边串联谐振回路的输出连接输出变换电路的输入，输出变换电路的输出连接充电电池。在无线充电装置中，低开关频率主要由松耦合变压器形成的电感与谐振补偿电容组成的串联谐振电路来实现，由上表1可知，在同样线圈2匝数的情况下，采用本发明的磁芯3形成的松耦合变压器的电感量最大，由

(f为谐振频率，L为电感值，C为电容值)可知，当电感值L越大时，在同样的谐振频率f下，电容值就越小；因此，采用本发明的磁芯3形成的松耦合变压器减小了电容器的容量值以及体积，具体地，本发明所述松耦合变压器谐振补偿电容的电容值为4.62μf。由此，减小了谐振补偿电容的体积和质量，从而就减小了本装置整体的体积和质量。由于谐振补偿电容的电容值为4.62μf，线圈的电感值为220μH，计算得出谐振频率为5KHz，实现了无线充电装置的低开关频率。

本发明提供的无线充电装置包括发射器和接收器，发射器固定在防爆机器人的工作区域内，接收器安装在防爆机器人上；如图6所示，所述发射器和接收器均包括壳体1、线圈2、磁芯3、PCB板5和底座6；

所述线圈2套设在磁芯3的磁柱33上，线圈2和磁芯3均放置在壳体1内并通过环氧树脂胶灌封，线圈2的两根引线引出；

所述底座6为空腔结构，底座6的内壁四周设置有密封圈4，PCB板5放置在底座 6内，线圈2的两根引线分别与PCB板5上对应的接线端子电连接；通过环氧树脂胶将PCB板5灌封在底座6内；所述底座6的侧壁上设置有防爆接头7，防爆接头7配合密封垫片8和螺母9固定在底座6的侧壁上；PCB板5的引出线从防爆接头7内引出；

所述壳体1和底座6的边缘均开设有若干个螺纹孔10，壳体1放置在底座6上，壳体1和底座6通过螺钉11固定连接成一个整体。

以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种防爆型无线充电松耦合变压器，应用在防爆机器人上；其特征在于：包括变压器原边和变压器副边，变压器原边和变压器副边均包括一磁芯和线圈；

所述磁芯包括磁基座、第一磁块、磁柱、磁条和第二磁块；

所述磁基座为方形平板状，水平放置；所述第一磁块分别水平设置在磁基座上下侧边的中心位置处，第一磁块的长度小于磁基座的长度，第一磁块32的高度与磁基座31的高度一致；所述磁柱为长方体结构，沿磁基座的宽度方向设置在磁基座的中心位置处，磁柱的宽度大于磁基座的宽度，磁柱33超出磁基座31部分置于第一磁块32的上表面；所述磁条竖直设置在磁基座的左右侧边上，磁条的宽度与磁基座的宽度一致；所述第二磁块垂直于第一磁条的上端面设置，第二磁块的宽度大于磁基座的宽度；

所述线圈为环形结构，环绕套设在所述磁柱上；

所述磁柱的侧面与同侧磁条之间的距离大于两倍的变压器原边与变压器副边之间的气隙距离。

2.根据权利要求1所述的防爆型无线充电松耦合变压器，其特征在于：所述磁基座、第一磁块、磁柱、磁条和第二磁块均采用铁氧体材料，构成磁芯的相邻部件之间通过厌氧胶水固定连接。

3.一种采用权利要求1所述的防爆型无线充电松耦合变压器的无线充电装置，其特征在于：包括发射器和接收器，发射器固定在防爆机器人的工作区域内，接收器安装在防爆机器人上；发射器和接收器均包括线圈、磁芯、壳体、底座和PCB板；

所述线圈套设在磁芯的磁柱上，线圈和磁芯设置在壳体内并通过环氧树脂胶灌封，线圈的两根引出线引出；

所述底座为空腔结构，PCB板放置在底座内，线圈的两根引出线分别与PCB板上对应的接线端子电连接，通过环氧树脂胶将PCB板灌封在底座内，PCB板的引出线引出；

所述壳体设置在底座上，通过螺钉将壳体和底座固定连接成一体。

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