CN109861402A - 一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端及其磁耦合机构 - Google Patents

一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端及其磁耦合机构 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端及其磁耦合机构，其由两部分组成，一部分是发射线圈，另一部分是发射端磁芯；所述发射端磁芯铺设于发射线圈的下方；所述发射线圈由三个矩形线圈串联组成，其中左侧矩形线圈的宽度为w1，中间矩形线圈宽度为w2，右侧矩形线圈宽度为w1，三个矩形线圈的长度相同，平行放置在同一水平面上；本发明结构中发射线圈在接收线圈中产生的磁场方向相同，相互叠加，提高了系统的传输功率，而在发射线圈外侧，其产生的磁场方向相反，削弱了漏磁场，减小了磁耦合机构产生的电磁辐射，使无线供电系统不会对车辆周围的电子设备及行人产生辐射危害，解决了现有磁耦合机构电磁兼容性差的问题。

Description

一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射 端及其磁耦合机构
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，特别是涉及一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端及其磁耦合机构。
背景技术
作为新能源汽车代表的电动汽车，凭借低能源消耗和低尾气排放这两点明显的优势，成为了全世界有效缓解环境污染和解决能源危机的主流方案。然而，传统的接触式充电方式中具有诸多问题：(1)需要频繁维护：充电桩和电动汽车的充电接收头存在机械摩擦和接触损耗；(2)安全性差：供电接口和充电插头均有高压，会对操作人员产生安全威胁；(3)防护安全级别低：雨雪、潮湿或极寒天气下充电插头安全隐患大。而电动汽车无线电能传输技术则可以实现电能从电网到车载电池的非接触式传输，在充电过程中完全没有电气连接，从而很好地规避上述劣势。
国内外各研究机构针对电动汽车无线供电系统进行了许多研究，现有的无线供电系统磁耦合机构发射端如圆盘型发射端(《Design and Optimisation of MagneticStructures for Lumped Inductive Power Transfer Systems》)、DD线圈型发射端(《Development and evaluation of single sided flux couplers for contactlesselectric vehicle charging》)、磁通管型发射端(《A New IPT Magnetic Coupler forElectric Vehicle Charging Systems》)等结构均具有一个相同的技术缺陷：电磁兼容性差，漏磁辐射严重。
发明内容
本发明目的是为了解决目前应用于电动汽车无线供电系统的磁耦合机构发射端中电磁兼容性差，漏磁辐射严重的问题，提出了一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端及其磁耦合机构。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端，所述发射端由两部分组成，一部分是用于在空间中激发磁场和传输电能的发射线圈1，另一部分是用于约束磁力线走向，提高磁耦合机构的耦合系数的发射端磁芯2；所述发射端磁芯2铺设于发射线圈1的下方；
所述发射线圈1由三个矩形线圈串联组成，其中左侧矩形线圈11的宽度为w1，中间矩形线圈12宽度为w2，右侧矩形线圈13宽度为w1，三个矩形线圈的长度相同，平行放置在同一水平面上；
任意相邻的两个矩形线圈绕向相反，故三个矩阵线圈串联时，任意相邻的两个矩形线圈中电流的走向相反，产生的磁场方向也相反。
进一步地，所述发射端磁芯2为平板型结构的软磁铁氧体磁芯，尺寸大于发射线圈1。
进一步地，所述发射端磁芯2由m个条形磁芯组成，其中m为正整数；各个条形磁芯的形状和尺寸完全相同，平行铺设在发射线圈1的下方，且任意相邻的两个条形磁芯的间距均相等。
进一步地，所述发射线圈1均采用利兹线或各股间彼此绝缘的多股漆包线绕制，左右两侧矩形线圈的匝数为N1，中间矩形线圈12的匝数为N2，其中N1、N2均为正整数；所述发射线圈1的匝数是根据无线供电系统所需的自感、系统漏磁场大小和所需传输功率参数综合决定的。
进一步地，通过改变三个矩形线圈的宽度比，即w1/w2，来改善磁耦合机构在系统外侧区域产生漏磁场大小。
本发明还提出一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构，所述三极型磁耦合机构包括三极型磁耦合机构发射端、接收线圈3和接收端磁芯4，所述接收线圈3结构与发射线圈1结构相同。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明所述的应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端除了具有耦合系数较高，输出功率高等优点外，最重要的是，该结构中发射线圈在接收线圈中产生的磁场方向相同，相互叠加，提高了系统的传输功率，而在发射线圈外侧，其产生的磁场方向相反，削弱了漏磁场，减小了磁耦合机构产生的电磁辐射，使无线供电系统不会对车辆周围的电子设备及行人产生辐射危害，解决了现有磁耦合机构电磁兼容性差的问题。
附图说明
图1为本发明所述应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为发射线圈工作时在空间激发的磁场分布图；
图4为采用条形发射端磁芯后的发射端结构示意图；
图5为图4的俯视图；
图中标号对应的部件名称如下：1—发射线圈；11—左侧发射线圈；12—中间发射线圈；13—右侧发射线圈；2—发射端磁芯；3—接收线圈；4—接收端磁芯；5—磁耦合机构的主磁通；6—发射线圈在空间激发的等效磁极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1和图2，本发明提出一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端，所述发射端由两部分组成，一部分是用于在空间中激发磁场和传输电能的发射线圈1，另一部分是用于约束磁力线走向，提高磁耦合机构的耦合系数的发射端磁芯2；所述发射端磁芯2铺设于发射线圈1的下方；
所述发射线圈1由三个矩形线圈串联组成，其中左侧矩形线圈11的宽度为w1，中间矩形线圈12宽度为w2，右侧矩形线圈13宽度为w1，三个矩形线圈的长度相同，平行放置在同一水平面上；
任意相邻的两个矩形线圈绕向相反，例如左侧矩形线圈11为顺时针绕制时，则中间矩形线圈12为逆时针绕制，右侧矩形线圈13为顺时针绕制，故三个矩阵线圈串联时，任意相邻的两个矩形线圈中电流的走向相反，产生的磁场方向也相反。
所述发射端磁芯2为平板型结构的软磁铁氧体磁芯，尺寸略大于发射线圈1，一方面用于引导发射线圈1激发的磁力线，提高系统的耦合系数和互感，另一面用于屏蔽发射线圈1在下方区域产生的漏磁场，提高系统的电磁兼容性；其中发射端磁芯2厚度应保证在无线供电系统正常工作时磁芯不出现磁饱和现象。
结合图4和图5，所述发射端磁芯2由m个条形磁芯组成，其中m为正整数；各个条形磁芯的形状和尺寸完全相同，平行铺设在发射线圈1的下方，且任意相邻的两个条形磁芯的间距均相等。同样用于引导发射线圈1激发的磁力线走向，提高磁耦合机构的耦合系数和输出功率，并降低系统的漏磁通；使用条形磁芯代替之前的平板，可以在基本不改变磁耦合机构性能的同时有效的减小磁耦合机构发射端的重量和磁芯用量，从而降低成本。
所述发射线圈1均采用利兹线或各股间彼此绝缘的多股漆包线绕制，左右两侧矩形线圈的匝数为N1，中间矩形线圈12的匝数为N2，其中N1、N2均为正整数；所述发射线圈1的匝数是根据无线供电系统所需的自感、系统漏磁场大小和所需传输功率参数综合决定的。
所述发射线圈1中，发射线圈1的尺寸可调，通过优化发射线圈1的尺寸来改善系统的传输特性，尤其重要的是，可以通过改变三个矩形线圈的宽度比，即w1/w2，来改善磁耦合机构在系统外侧区域产生漏磁场大小，进一步降低磁耦合机构产生电磁辐射，提高其电磁兼容性。
本发明还提出一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构，所述三极型磁耦合机构包括三极型磁耦合机构发射端、接收线圈3和接收端磁芯4，所述接收线圈3结构与发射线圈1结构相同。
所述发射线圈1外接高频逆变源和谐振补偿网络，系统正常工作时，发射线圈1中通入高频交变电流，在发射端磁芯约束下在空间中激发出高频磁场，如图3所示由于发射线圈中任意相邻的两个矩形线圈绕向和电流走向相反，因此它们在空间激发的磁场方向不同，在某一时刻，左侧矩形线圈11中电流方向为顺时针方向，该线圈在空间中激发的磁场等效为一个上S下N的磁极6，此时中间矩形线圈12中电流方向则为逆时针方向，其在空间中激发的磁场等效为一个上N下S的磁极6，同理右侧矩形线圈13可以等效为一个上S下N的等效磁极6，此时磁力线由等效磁极6的N极出发，经铁氧体磁芯后，终止于等效磁极6的S极，构成磁耦合机构的主磁通5；由于本发明所述的发射线圈1通电时等效形成3个磁极6，故称为三极型磁耦合机构发射端；
三极型磁耦合机构中接收线圈3结构与发射线圈1相同，由于发射端磁芯2的磁阻很小，主磁通5受发射端磁芯2和接收端磁芯4的束缚，磁力线大部分穿过接收线圈3，从而提高系统的耦合系数；由电磁感应原理可知，发射线圈1激发的高频电磁场会在接收线圈3中感应出高频交变的接收电压，经整流稳压后变为直流电压向车载电池充电，从而实现电能的无线传输；
由图3可以得出，中间矩形线圈12中左侧导线的电流方向与左侧矩形线圈11中右侧导线的电流方向一致，且与左侧矩形线圈11中左侧导线的电流方向相反，故它们在磁耦合机构左侧区域位置产生的漏磁场方向相反，相互抵消；同理，中间矩形线圈12中右侧导线的电流方向与右侧矩形线圈13中左侧导线的电流方向一致，但与右侧矩形线圈13中右侧导线的电流方向相反，故它们在磁耦合机构右侧区域位置产生的漏磁场方向相反，相互抵消；而在接收线圈3位置处，三个矩形线圈中所有导线产生的磁场方向相同，相互叠加，因此，本发明所述的三极型磁耦合机构发射端可以在不减弱系统传输功率的前提下，降低了磁耦合机构产生的漏磁通，减小电磁辐射，提高磁耦合机构的电磁兼容性。
本发明提出了一种应用于电动汽车无线供电系统三极型磁耦合机构发射端及其磁耦合机构，结构中，发射线圈在接收线圈中产生的磁场方向相同，相互叠加，提高了系统的传输功率，而在发射线圈外侧，其产生的磁场方向相反，从而实现削弱了漏磁场的目的，减小了磁耦合机构产生的电磁辐射，很好地解决了现有无线供电磁耦合机构的不足。
以上对本发明所提供的一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端及其磁耦合机构，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构发射端，其特征在于：所述发射端由两部分组成，一部分是用于在空间中激发磁场和传输电能的发射线圈(1)，另一部分是用于约束磁力线走向，提高磁耦合机构的耦合系数的发射端磁芯(2)；所述发射端磁芯(2)铺设于发射线圈(1)的下方；
所述发射线圈(1)由三个矩形线圈串联组成，其中左侧矩形线圈(11)的宽度为w1，中间矩形线圈(12)宽度为w2，右侧矩形线圈(13)宽度为w1，三个矩形线圈的长度相同，平行放置在同一水平面上；
任意相邻的两个矩形线圈绕向相反，故三个矩阵线圈串联时，任意相邻的两个矩形线圈中电流的走向相反，产生的磁场方向也相反。
2.根据权利要求1所述的发射端，其特征在于：所述发射端磁芯(2)为平板型结构的软磁铁氧体磁芯，尺寸大于发射线圈(1)。
3.根据权利要求1所述的发射端，其特征在于：所述发射端磁芯(2)由m个条形磁芯组成，其中m为正整数；各个条形磁芯的形状和尺寸完全相同，平行铺设在发射线圈(1)的下方，且任意相邻的两个条形磁芯的间距均相等。
4.根据权利要求2或3所述的发射端，其特征在于：所述发射线圈(1)均采用利兹线或各股间彼此绝缘的多股漆包线绕制，左右两侧矩形线圈的匝数为N1，中间矩形线圈(12)的匝数为N2，其中N1、N2均为正整数；所述发射线圈(1)的匝数是根据无线供电系统所需的自感、系统漏磁场大小和所需传输功率参数综合决定的。
5.根据权利要求4所述的发射端，其特征在于：通过改变三个矩形线圈的宽度比，即w1/w2，来改善磁耦合机构在系统外侧区域产生漏磁场大小。
6.一种应用于电动汽车无线供电系统的三极型磁耦合机构，其特征在于：所述三极型磁耦合机构包括如权利要求1-5中任意一项所述的发射端、接收线圈(3)和接收端磁芯(4)，所述接收线圈(3)结构与发射线圈(1)结构相同。
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