CN109660032B - 一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构 - Google Patents

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Abstract

一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，属于无线电能传输技术领域。本发明解决现有三相电能接收装置存在的电能功率密度低，三相接收线圈叠放导致相电压不一致的问题。本发明第一相接收线圈、第二相接收线圈和第三相接收线圈按照依次叠放方式或者双层叠放方式叠放得到三相线圈，三相线圈的左侧上方和右侧上方均放置侧边磁芯组，并且在相邻两个接收线圈的交叠处放置中部磁芯组。本发明通过接收线圈重叠设计和增设铁氧体磁芯来提高电能传输功率密度，并且收线圈重叠设计更有利于接收机构小型化，同时通过加入三相耦合平衡电感，能够消除三相耦合不平衡引起的三相不平衡特性，也提高了设计的灵活性，易于扩展，能够满足不同功率传输需求。

Description

一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构
技术领域
本发明涉及一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
磁耦合无线电能传输技术相比有线电能传输能够更加安全、便捷的给用电设备提供电能，可应用消费电子设备、工厂搬运设备、电动汽车、轨道车辆等多种设备充电或供电。其中，在相同的传输功率下，三相无线电能传输系统相比单相结构，所需器件的功率容量更小，因而更加适合大功率应用场合，此外在三相无线电能传输系统中，三相发射线圈上方任意横纵向位置磁场特性理论上完全一致，当发射线圈横向或纵向长度相比电能接收端尺寸足够长时，接收端沿发射线圈横向或纵向移动时，电能均能够稳定传输。但是，现有三相无线电能传输系统为提高接收端电能接收功率密度，需要将接收线圈设计的更加紧凑，而基于单相接收构成高功率密度的三相接收装置时面临三相接收线圈间存在交叉耦合，以及三相接收线圈空间分布不均匀导致感应电压不一致引起三相不平衡等问题。因此，提供一种新型的三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构来解决上述问题是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有三相电能接收装置存在的电能功率密度低，三相接收线圈叠放导致相电压不一致的问题，提供了一种三相电能接收机构及其相间交叉耦合消除方法。
本发明的技术方案：
一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，包括三相线圈和铁氧体磁芯组，所述的三相线圈由一个或多个三相接收线圈构成，三相接收线圈的结构类型包括单层叠放的三相接收线圈和双层叠放的三相接收线圈，三相接收线圈包括第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3，并且每个三相接收线圈包括的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3的个数相同均为1；当第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3之间按照依次叠压方式叠放时构成单层叠放的三相接收线圈；当第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3之间按照双层叠压方式叠放时构成双层叠放的三相接收线圈；所述的铁氧体磁芯组由多个铁氧体磁芯分布构成，铁氧体磁芯组包括侧边磁芯组4和中部磁芯组5，并且三相接收线圈的第一相接收线圈1与第二相接收线圈2的交叠处、第一相接收线圈1与第三相接收线圈3的交叠处和第二相接收线圈2与第三相接收线圈3的交叠处放置中部磁芯组5，在三相接收线圈的两侧不存在交叠处放置侧边磁芯组4；其中侧边磁芯组4为m×1个铁氧体磁芯，中部磁芯组5为n×1个铁氧体磁芯，其中m与n均为大于等于1的整数，且m＝n+1≥2。
优选的：所述的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3的尺寸相同，且第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3的圈匝数均不小于1匝。
优选的：将多个单层叠放的三相接收线圈依次叠放，得到由多个单层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈，并且在叠压的两个单层叠放的三相接收线圈的交叠处放置中部磁芯组5。
优选的：所述的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3之间按照双层叠放方式构成双层叠放的三相接收线圈的过程为，将第一相接收线圈1和第三相接收线圈3放置在同一平面上，并且第一相接收线圈1和第三相接收线圈3之间留有缝隙，然后将第二相接收线圈2叠放在第一相接收线圈1和第三相接收线圈3之间的缝隙上。
优选的：将相邻的两个双层叠放的三相接收线圈上下翻转叠压，得到由多个双层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈，并且在叠压的两个双层叠放的三相接收线圈的交叠处放置中部磁芯组5。
优选的：将第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3进行弯折，使相邻两个第一相接收线圈1、第二相接收线圈2或第三相接收线圈3之间的交叠处位于同一平面。
优选的：所述的三相接收线圈中的第一相接收线圈1和第二相接收线圈2的互感为M12，第二相接收线圈2与第三相接收线圈3的互感为M23，第一相接收线圈1和第三相接收线圈3的互感为M13，其中M12＝M23≠M13，因此将第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3上分别与第一相电感6、第二相电感7和第三相电感8串联，其中第一相电感6和第二相电感7的电感相同，第三相电感8与第一相电感6和第二相电感7的电感相反，第一相电感6与第二相电感7的互感为m12，第一相电感6和第三相电感8的互感为m13，第二相电感7和第三相电感8的互感为m23，满足M12+m12＝M13+m13＝M23+m23。
优选的：所述的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3的左侧中心与右侧中心距离为a，相邻两个第一相接收线圈1、第二相接收线圈2或第三相接收线圈3之间的左侧相对距离为b，侧边磁芯组4的铁氧体磁芯左端与相交的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2或第三相接收线圈3的左侧中心距离为c，其中b＝2/3a，c≤1/2a；侧边磁芯组4的铁氧体磁芯右端与相交的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2或第三相接收线圈3的左侧中心之间距离为d，1/2a≥d≥c；中部磁芯组5的铁氧体磁芯超出交叠处位于上方的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2或第三相接收线圈3的一侧中心线的距离为e，e≤1/2a；中部磁芯组5的相邻的两列铁氧体磁芯之间距离为f。
本发明具有以下有益效果：本发明一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，该机构通过接收线圈重叠设计和增设铁氧体磁芯来提高电能传输功率密度，并且收线圈重叠设计更有利于接收机构小型化；铁氧体磁芯采用分布式结构实现三相电压、功率和电流的平衡；同时通过加入三相耦合平衡电感，能够消除三相耦合不平衡引起的三相不平衡特性，也提高了设计的灵活性，易于扩展，能够满足不同功率传输需求。并且通过调整中部磁芯组中的铁氧体磁芯间隔实现调整三相接收线圈感应电压相位差偏差的方法简单有效，避免了在调整中部磁芯超出线圈中心线长度以实现三相接收线圈与发射线圈峰值互感一致性后，需要重新调整相位差偏差，从而简化参数确定过程，易于实现三相接收线圈感应电压平衡。此外，该机构通过加入三相耦合平衡电感可消除接收线圈之间互感不平衡对系统传输性能的影响，提高了三相接收机构设计的灵活性。
附图说明
图1是m＝4，n＝3时由一个双层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈的三相电能接收磁耦合机构结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是m＝6，n＝5时由一个双层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈的三相电能接收磁耦合机构结构示意图；
图4是m＝4，n＝3时由多个双层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈的三相电能接收磁耦合机构结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是双层叠放方式的三相接收线圈弯折示意图；
图7是依次叠放方式的三相接收线圈弯折示意图；
图8的a图是典型的蜿蜒型三相发射轨道b图是三相接收线圈与A相发射线圈互感随位置变化关系；
图9是三相平衡电感与三相接收线圈连接结构示意图；
图中1-第一相接收线圈，2-第一相接收线圈，3-第三相接收线圈，4-侧边磁芯组，5-中部磁芯组，6-第一相电感，7-第二相电感，8-第三相电感，9-三相平衡电感。
具体实施方式
结合附图1至图9说明本发明具体实施方式：本发明一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，包括三相线圈和铁氧体磁芯组，所述的三相线圈由一个或多个三相接收线圈构成，三相接收线圈的结构类型包括单层叠放的三相接收线圈和双层叠放的三相接收线圈，三相接收线圈包括第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3，并且每个三相接收线圈包括的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3的个数相同均为1；当第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3之间按照依次叠压方式叠放时构成单层叠放的三相接收线圈，如图7所示；当第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3之间按照双层叠压方式叠放时构成双层叠放的三相接收线圈，如图6所示；所述的铁氧体磁芯组由多个铁氧体磁芯分布构成，铁氧体磁芯组包括侧边磁芯组4和中部磁芯组5，并且三相接收线圈的第一相接收线圈1与第二相接收线圈2的交叠处、第一相接收线圈1与第三相接收线圈3的交叠处和第二相接收线圈2与第三相接收线圈3的交叠处放置中部磁芯组5，在三相接收线圈的两侧不存在交叠处放置侧边磁芯组4；其中侧边磁芯组4为m×1个铁氧体磁芯，中部磁芯组5为n×1个铁氧体磁芯，其中m与n均为大于等于1的整数，且m＝n+1≥2。如此设置，当m＝4，n＝3时由一个双层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈的三相电能接收磁耦合机构结构示意图和俯视图如图1和图2所示；当m＝6，n＝5时由一个双层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈的三相电能接收磁耦合机构结构示意图如图3所示；当m＝4，n＝3时由多个双层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈的三相电能接收磁耦合机构结构示意图和俯视图如图4和图5所示。在三相线圈中，采用铁氧体磁芯增强三相接收线圈与发射线圈的互感，大幅度提高了电能接收功率密度，铁氧体磁芯采用分布式结构，以减少铁氧体磁芯用量，并且易于实现三相接收线圈感应电压平衡，即幅度的一致性和相位差的准确性。
所述的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3的尺寸相同，且第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3的圈匝数均不小于1匝。
将多个单层叠放的三相接收线圈依次叠放，得到由多个单层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈，并且在叠压的两个单层叠放的三相接收线圈的交叠处放置中部磁芯组5。
所述的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3之间按照双层叠放方式构成双层叠放的三相接收线圈的过程为，将第一相接收线圈1和第三相接收线圈3放置在同一平面上，并且第一相接收线圈1和第三相接收线圈3之间留有缝隙，然后将第二相接收线圈2叠放在第一相接收线圈1和第三相接收线圈3之间的缝隙上。
将相邻的两个双层叠放的三相接收线圈上下翻转叠压，得到由多个双层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈，并且在叠压的两个双层叠放的三相接收线圈的交叠处放置中部磁芯组5。
将第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3进行弯折，使相邻两个第一相接收线圈1、第二相接收线圈2或第三相接收线圈3之间的交叠处位于同一平面。如此设置，为减小接收线圈的叠放层数对接收线圈与发射线圈峰值互感的影响，可通过弯曲接收线圈以将磁芯下方线圈限定在同一平面，接受线圈按照依次叠放方式时的弯折如图7所示，接受线圈按照双层叠放方式时的弯折如图6所示。
所述的三相接收线圈中的第一相接收线圈1和第二相接收线圈2的互感为M12，第二相接收线圈2与第三相接收线圈3的互感为M23，第一相接收线圈1和第三相接收线圈3的互感为M13，其中M12＝M23≠M13；将第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3上分别与第一相电感6、第二相电感7和第三相电感8串联，其中第一相电感6和第二相电感7的电感相同，第三相电感8与第一相电感6和第二相电感7的电感相反，第一相电感6与第二相电感7的互感为m12，第一相电感6和第三相电感8的互感为m13，第二相电感7和第三相电感8的互感为m23，满足M12+m12＝M13+m13＝M23+m23。如此设置，如图9所示，三相接收线圈由于位置关系存在互感不一致，M12＝M23≠M13，因此引入三相平衡电感9，三相平衡电感9包括第一相电感6、第二相电感7和第三相电感8，第一相电感6、第二相电感7和第三相电感8分别与第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3串联，满足M12+m12＝M13+m13＝M23+m23，通过加入三相平衡电感9，能够消除三相耦合不平衡引起的三相不平衡特性，同时也提高了三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构设计的灵活性。
所述的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3的左侧中心与右侧中心距离为a，相邻两个第一相接收线圈1、第二相接收线圈2或第三相接收线圈3之间的左侧相对距离为b，侧边磁芯组4的铁氧体磁芯左端与相交的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2或第三相接收线圈3的左侧中心距离为c，b＝2/3a，c≤1/2a；侧边磁芯组4的铁氧体磁芯右端与相交的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2或第三相接收线圈3的左侧中心之间距离为d，1/2a≥d≥c；中部磁芯组5的铁氧体磁芯超出交叠处位于上方的第一相接收线圈1、第二相接收线圈2或第三相接收线圈3的一侧中心线的距离为e，e≤1/2a；中部磁芯组5的相邻的两列铁氧体磁芯之间距离为f。如此设置，如图2和图5所示，第一相接收线圈1、第二相接收线圈2和第三相接收线圈3的尺寸一致，并按依次间隔相同的长度b叠放。利用有限元仿真，首先得到第一相接收线圈1和第三相接收线圈3位于期望互感为零点处与发射线圈互感为零时的中部磁芯组5的相邻的两个铁氧体磁芯之间距离f值，以实现三相线圈的感应电压相位差精确为120°，在相位差要求精度不高时，f＝0。基于有限元仿真得到f值，进一步仿真计算得到e值，实现三相线圈感应电压幅度一致。
两侧的侧边磁芯组4的总有效长度大于中部磁芯组5的总有效长度，使三相接收线圈天然具有较好的平衡特性。通过调整中部磁芯组5的铁氧体磁芯间隔实现调整三相接收线圈感应电压相位差偏差的方法简单有效，几乎不受中部磁芯组5的铁氧体磁芯左端与相邻接收线圈的左侧中心之间距离e的影响，因而避免了在调整中部磁芯组5的铁氧体磁芯间隔时需要重新调整相位差偏差的过程，从而简化参数确定过程。
图8的a为典型的蜿蜒型三相发射轨道，其中发生轨道中线圈的极距j＝a,当所述接收端从左至右沿该三相发射轨道移动时，三相接收线圈与任意一相发射线圈的互感随位置呈正弦变化；图8的b为三相接收线圈与A相发射线圈的互感随位置变化关系，在理想情况下，三相接收线圈与发射线圈的耦合零点的位置间隔分别用g、h和i表示，其中g＝h＝i。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (8)

1.一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，其特征在于：包括三相线圈和铁氧体磁芯组，所述的三相线圈由一个或多个三相接收线圈构成，三相接收线圈的结构类型包括单层叠放的三相接收线圈和双层叠放的三相接收线圈，三相接收线圈包括第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)和第三相接收线圈(3)，并且每个三相接收线圈包括的第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)和第三相接收线圈(3)的个数相同均为1；当第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)和第三相接收线圈(3)之间按照依次叠压方式叠放时构成单层叠放的三相接收线圈；当第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)和第三相接收线圈(3)之间按照双层叠压方式叠放时构成双层叠放的三相接收线圈；所述的铁氧体磁芯组由多个铁氧体磁芯分布构成，铁氧体磁芯组包括侧边磁芯组(4)和中部磁芯组(5)，并且三相接收线圈的第一相接收线圈(1)与第二相接收线圈(2)的交叠处、第一相接收线圈(1)与第三相接收线圈(3)的交叠处和第二相接收线圈(2)与第三相接收线圈(3)的交叠处放置中部磁芯组(5)，在三相接收线圈的两侧不存在交叠处放置侧边磁芯组(4)；其中侧边磁芯组(4)为m×1个铁氧体磁芯，中部磁芯组(5)为n×1个铁氧体磁芯，其中m与n均为大于等于1的整数，且m＝n+1≥2。
2.根据权利要求1所述的一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，其特征在于：所述的第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)和第三相接收线圈(3)的尺寸相同，且第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)和第三相接收线圈(3)的圈匝数均不小于1匝。
3.根据权利要求1所述的一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，其特征在于：将多个单层叠放的三相接收线圈依次叠放，得到由多个单层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈，并且在叠压的两个单层叠放的三相接收线圈的交叠处放置中部磁芯组(5)。
4.根据权利要求1所述的一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，其特征在于：所述的第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)和第三相接收线圈(3)之间按照双层叠放方式构成双层叠放的三相接收线圈的过程为，将第一相接收线圈(1)和第三相接收线圈(3)放置在同一平面上，并且第一相接收线圈(1)和第三相接收线圈(3)之间留有缝隙，然后将第二相接收线圈(2)叠放在第一相接收线圈(1)和第三相接收线圈(3)之间的缝隙上。
5.根据权利要求4所述的一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，其特征在于：将相邻的两个双层叠放的三相接收线圈上下翻转叠压，得到由多个双层叠放的三相接收线圈构成的三相线圈，并且在叠压的两个双层叠放的三相接收线圈的交叠处放置中部磁芯组(5)。
6.根据权利要求1所述的一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，其特征在于：将第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)和第三相接收线圈(3)进行弯折，使相邻两个第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)或第三相接收线圈(3)之间的交叠处位于同一平面。
7.根据权利要求1所述的一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，其特征在于：所述的三相接收线圈中的第一相接收线圈(1)和第二相接收线圈(2)的互感为M12，第二相接收线圈(2)与第三相接收线圈(3)的互感为M23，第一相接收线圈(1)和第三相接收线圈(3)的互感为M13，其中M12＝M23≠M13；将第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)和第三相接收线圈(3)上分别与第一相电感(6)、第二相电感(7)和第三相电感(8)串联，其中第一相电感(6)和第二相电感(7)的电感相同，第三相电感(8)与第一相电感(6)和第二相电感(7)的电感相反，第一相电感(6)与第二相电感(7)的互感为m12，第一相电感(6)和第三相电感(8)的互感为m13，第二相电感(7)和第三相电感(8)的互感为m23，满足M12+m12＝M13+m13＝M23+m23。
8.根据权利要求1或3或5所述的一种三相磁场耦合式无线电能接收磁耦合机构，其特征在于：所述的第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)和第三相接收线圈(3)的左侧中心与右侧中心距离为a，相邻两个第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)或第三相接收线圈(3)之间的左侧相对距离为b，侧边磁芯组(4)的铁氧体磁芯左端与相交的第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)或第三相接收线圈(3)的左侧中心距离为c，b＝2/3a，c≤1/2a；侧边磁芯组(4)的铁氧体磁芯右端与相交的第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)或第三相接收线圈(3)的左侧中心之间距离为d，1/2a≥d≥c；中部磁芯组(5)的铁氧体磁芯超出交叠处位于上方的第一相接收线圈(1)、第二相接收线圈(2)或第三相接收线圈(3)的一侧中心线的距离为e，e≤1/2a；中部磁芯组(5)的相邻的两列铁氧体磁芯之间距离为f。
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