CN110077246A - 一种无线充电电磁耦合结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于无线充电技术领域，公开了一种无线充电耦合结构及其设计方法，结构包括：相对设置的发射端及接收端，发射端与接收端之间存在气隙，且接收端与发射端同轴设置，其中，发射端从外到内依次包括：铝板一、设于铝板一上的磁芯一，及设于磁芯一上的谐振线圈一，谐振线圈一与磁芯一同心设置；接收端从外到内依次包括：铝板二、设于铝板二上的磁芯二，及设于磁芯二上的谐振线圈二，谐振线圈二与磁芯二同心设置；磁芯一的半径大于磁芯二的半径，且谐振线圈一的半径大于谐振线圈二的半径。本发明提出的谐振式电动汽车无线充电磁耦合结构，提高耦合程度，减少磁漏，减少磁损耗，提高充电效率，减少磁芯体积与重量，并提高系统的抗偏移能力。
Description
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，提供了一种无线充电电磁耦合结构及其设计方法。
背景技术
现在电动汽车主要还是以有线充电为主，通过充电桩对电动汽车进行充电，有线充电方式存在如下弊端：1、输出功率一般都比较大，导致充电线中的电流会很大，操作人员来说存在较大的安全隐患；2、采用插拔式充电方式，限制了电动汽车充电的灵活性，且电气连接有操作可能产生电火花或接触不良等问题，不仅影响操作人员的安全，也大大减少了充电装置的使用寿命；3、在特殊天气可能会发生短路，断路的危险；5、充电桩长期在室外需要人维护还增加了充电成本。无线充电技术则可以避免上述问题，还能促进电动汽车的推广。尽管磁耦合谐振式无线充电技术有很多优势，但其相对于有线充电高效率来说还是有局限性，现在的问题就如何提高电动汽车无线充电磁耦合结构的充电效率。
发明内容
本发明实施例提供了一种无线充电磁耦合结构，旨在提高无线充电耦合结构的充电效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种无线充电磁耦合结构，所述结构包括：
相对设置的发射端及接收端，发射端与接收端之间存在气隙，且接收端与发射端同轴设置，其中，发射端从外到内依次包括：铝板一、设于铝板一上的磁芯一，及设于磁芯一上的谐振线圈一，谐振线圈一与磁芯一同心设置；
接收端从外到内依次包括：铝板二、设于铝板二上的磁芯二，及设于磁芯二上的谐振线圈二，谐振线圈二与磁芯二同心设置；
磁芯一的半径大于磁芯二的半径，且谐振线圈一的半径大于谐振线圈二的半径。
进一步的，所述磁芯一及所述磁芯二均由若干磁条组成，磁条的截面呈T字型，磁条呈环形均匀分布，两磁条之间存在间隙。
进一步的，所述铝板的形状为圆形。
进一步的，所述磁芯的材料为铁基纳米晶合金。
进一步的，所述谐振线圈一及所述谐振线圈二为环形。
本发明是这样实现的，一种无线充电耦合结构的设计方法，所述方法具体包括如下步骤：
S1、在仿真软件中搭建谐振线圈一及谐振线圈二的模型，谐振线圈一及谐振线圈二同轴设置，且两者之间存在气隙，定义两者的初始参数，包括谐振线圈一的最大面积、谐振线圈二的最大面积及气隙大小；
S2、比较同等面积下圆形谐振线圈与方形谐振线圈的互感值，将互感值大的形状作为谐振线圈一及谐振线圈二的形状，圆形谐振线圈的互感值大于方形谐振线圈的互感值，即将谐振线圈一及谐振线圈二设计为圆形；
S3、以单匝的谐振线圈一模型为基础，以外径为变量，以耦合系数变化率为参考值，结合谐振线圈一的面积约束条件，进行变步长仿真，将最大耦合系数变化率下的外径值赋予谐振线圈一，
S4、以单匝的谐振线圈二模型为基础，以外径为变量，以耦合系数变化率为参考值，在结合谐振线圈二的面积约束条件，进行变步长仿真，将最大耦合系数变化率下外径值赋予谐振线圈二；
S5、基于电流频率计算趋附深度，基于趋附深度来确定谐振线圈一及谐振线圈二中的单根利兹线直径；
S6、根据输出功率要求的互感值来计算谐振线圈一及谐振线圈二中的线圈匝数，从而确定谐振线一及谐振线圈二的内径；
S7、增大谐振线圈一的外半径，且谐振线圈一的匝数保持不变；
S8、为了减少磁芯用料的浪费，磁芯一、磁芯二均由若干磁条组成，磁条的截面呈T字型，磁条呈环形均匀分布，两磁条之间存在间隙，磁芯一与谐振线圈一同心设置，磁芯二与谐振线圈二同心设置；
S9、在谐振线圈一的外壁上建立如S8所述磁芯一，在谐振线圈二的外壁上建立如S8所述磁芯二，建立外部电路，以瞬态场为仿真条件，测试不同材料磁芯的磁损，将磁损较小的材料作为磁芯材料；
S10、在磁芯一的外侧添加铝板一来屏蔽漏磁，铝板一将磁芯一完全包裹，在磁芯二的外侧添加铝板二来屏蔽磁漏，铝板二将磁芯二完全包裹，使得周围的磁漏达到安全标准。
进一步的，所述方法还包括如下步骤：
S11、检测能量在耦合器中间传递效率是否大于设定值；
S12、若检测结果为是，则执行步骤S10，若检测结果为否，则调节磁条宽度、长度或厚度，再执行步骤S11。
进一步的，所述磁芯材料为铁基纳米晶合金。
本发明实施例提供的无线充电耦合结构具有如下有益效果：
对谐振线圈和磁芯结构进行设计优化，对于谐振线圈而言，对谐振线圈的形状，匝数及材料进行了设计；对于磁芯而言，对磁体的材料和磁体的形状进行设计，并加入磁屏蔽结构，提出一整套的谐振式电动汽车无线充电磁耦合结构，提高耦合程度，减少磁漏，减少磁损耗，提高充电效率，减少磁芯体积与重量，并提高系统的抗偏移能力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的无线充电磁耦合结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的发射端正视图；
1.铝板一、2.磁芯一、3.谐振线圈一、4.铝板二、5.磁芯二、6.谐振线圈二。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的无线充电磁耦合结构的示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。
该无线充电耦合结构适用于3.3KW小型电动汽车无线充电，无线充电耦合结构包括：
相对设置的发射端及接收端，两者之间存在气隙，接收端与发射端同轴设置，其中，发射端从外到内依次包括：铝板一、设于铝板一上的磁芯一，及设于磁芯一上的谐振线圈一，谐振线圈一与磁芯一同心设置；
接收端从外到内依次包括：铝板二、设于铝板二上的磁芯二，及设于磁芯二上的谐振线圈二，谐振线圈二与磁芯二同心设置；
磁芯一的半径大于磁芯二的半径，且谐振线圈一的半径大于谐振线圈二的半径。
铝板为屏蔽层，需要完全包括磁芯一或磁芯二，其形状可以是圆形，由于磁芯一的半径大于磁芯二的半径，因此，铝板一的半径大于铝板二的半径。
为了减少磁芯的体积与重量，本发明实施例中的磁芯一、磁芯二均由若干磁条组成，磁条的截面呈T字型，磁条呈环形均匀分布，两磁条之间存在间隙，磁芯一的结构如图2所述，图2为本发明实施例提供的发射端正视图。
上述无线充电耦合结构设计方法具体包括如下步骤：
S1、在仿真软件中搭建谐振线圈一及谐振线圈二的模型，谐振线圈一及谐振线圈二同轴设置，且两者之间存在气隙，定义两者的初始参数，包括谐振线圈一的最大面积、谐振线圈二的最大面积及气隙大小；
S2、比较同等面积下圆形谐振线圈与方形谐振线圈的互感值，将互感值大的形状作为谐振线圈一及谐振线圈二的形状，圆形谐振线圈的互感值大于方形谐振线圈的互感值，即将谐振线圈一及谐振线圈二设计为圆形；
S3、以单匝的谐振线圈一模型为基础，以外径为变量，以耦合系数变化率为参考值，结合谐振线圈一的面积约束条件，进行变步长仿真，将最大耦合系数变化率下的外径值赋予谐振线圈一，
S4、以单匝的谐振线圈二模型为基础，以外径为变量，以耦合系数变化率为参考值，在结合谐振线圈二的面积约束条件，进行变步长仿真，将最大耦合系数变化率下外径值赋予谐振线圈二；
S5、基于电流频率计算趋附深度，基于趋附深度来确定谐振线圈一及谐振线圈二中的单根利兹线直径，利兹线的直径约为趋附深度的2倍，趋附深度pd的计算公式具体如下：
其中，b为温度系数，其取值一般为1，μ0为真空磁导率，γ为铜导线导电率，ω为角频率。
S6、根据输出功率要求的互感值来计算谐振线圈一及谐振线圈二中的线圈匝数，从而确定谐振线一及谐振线圈二的内径；
S7、增大谐振线圈一的外半径，且谐振线圈一的匝数保持不变，如增大100mm，使得谐振线圈二在中心点偏移100mm以内仍然处于谐振线圈一的发射范围之内；
S8、为了减少磁芯用料的浪费，磁芯一、磁芯二均由若干磁条组成，磁条的截面呈T字型，磁条呈环形均匀分布，两磁条之间存在间隙，磁芯一与谐振线圈一同心设置，磁芯二与谐振线圈二同心设置；
对圆盘形的磁芯进行优化设计，对磁耦合结构在软件中进行仿真，从磁场分布图来看，磁场呈现中间高两边地的分布图，根据线圈本身的磁场分布，采用辐射性的磁芯结构来代替圆盘形的结构，辐射性的磁芯结构可以减少必要的磁芯材料的浪费。
S9、在谐振线圈一的外壁上建立如S8所述磁芯一，在谐振线圈二的外壁上建立如S8所述磁芯二，建立外部电路，以瞬态场为仿真条件，测试不同材料磁芯的磁损，将磁损较小的材料作为磁芯材料，如铁基纳米晶合金；
对磁芯材料进行选择，以同样的模型在ANSYA MAXWELL仿真软件中，建立外部电路，并以瞬态场为仿真条件，步长为1s，通过后处理的磁损图来看，铁基纳米晶合金的磁损要远远小于铁氧体的磁损，最后选择铁基纳米晶合金作为磁芯材料，该材料比铁氧体的磁损较少70％。
S10、在磁芯一的外侧添加铝板一来屏蔽漏磁，铝板一将磁芯一完全包裹，在磁芯二的外侧添加铝板二来屏蔽磁漏，铝板二将磁芯二完全包裹，使得周围的磁漏达到安全标准。
在本发明实施例中，在步骤S10之前还包括：
S11、检测能量在耦合器中间传递效率是否大于设定值(如95％)，能量在耦合器间的传递效率的计算公式具体如下；
其中，Rp为谐振线圈一的电阻，RS为谐振线圈二的电阻，M为互感值，ω为角频率。
S12、若检测结果为是，则执行步骤S10，若检测结果为否，则调节磁条宽度、长度或厚度，再执行步骤S11，磁条包括横磁条及垂直于横磁条的竖磁条，磁条的宽度是指横磁条的宽度，磁条的长度是指竖磁条的长度，磁条的厚度是指横磁条及竖磁条的高度。
本发明实施例提供的无线充电耦合结构具有如下有益效果：
对谐振线圈和磁芯结构进行设计优化，对于谐振线圈而言，对谐振线圈的形状，匝数及材料进行了设计；对于磁芯而言，对磁体的材料和磁体的形状进行设计，并加入磁屏蔽结构，提出一整套的谐振式电动汽车无线充电磁耦合结构，提高耦合程度，减少磁漏，减少磁损耗，提高充电效率，减少磁芯体积与重量，并提高系统的抗偏移能力。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无线充电磁耦合结构，其特征在于，所述结构包括：
相对设置的发射端及接收端，发射端与接收端之间存在气隙，且接收端与发射端同轴设置，其中，发射端从外到内依次包括：铝板一、设于铝板一上的磁芯一，及设于磁芯一上的谐振线圈一，谐振线圈一与磁芯一同心设置；
接收端从外到内依次包括：铝板二、设于铝板二上的磁芯二，及设于磁芯二上的谐振线圈二，谐振线圈二与磁芯二同心设置；
磁芯一的半径大于磁芯二的半径，且谐振线圈一的半径大于谐振线圈二的半径。
2.如权利要求1所述无线充电耦合结构，其特征在于，所述磁芯一及所述磁芯二均由若干磁条组成，磁条的截面呈T字型，磁条呈环形均匀分布，两磁条之间存在间隙。
3.如权利要求1或2所述无线充电耦合结构，其特征在于，所述铝板的形状为圆形。
4.如权利要求1或2所述无线充电耦合结构，其特征在于，所述磁芯的材料为铁基纳米晶合金。
5.如权利要求1所述无线充电耦合结构，其特征在于，所述谐振线圈一及所述谐振线圈二为环形。
6.如权利要求1至5任一权利要求所述无线充电耦合结构的设计方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1、在仿真软件中搭建谐振线圈一及谐振线圈二的模型，谐振线圈一及谐振线圈二同轴设置，且两者之间存在气隙，定义两者的初始参数，包括谐振线圈一的最大面积、谐振线圈二的最大面积及气隙大小；
S2、比较同等面积下圆形谐振线圈与方形谐振线圈的互感值，将互感值大的形状作为谐振线圈一及谐振线圈二的形状，圆形谐振线圈的互感值大于方形谐振线圈的互感值，即将谐振线圈一及谐振线圈二设计为圆形；
S3、以单匝的谐振线圈一模型为基础，以外径为变量，以耦合系数变化率为参考值，结合谐振线圈一的面积约束条件，进行变步长仿真，将最大耦合系数变化率下的外径值赋予谐振线圈一，
S4、以单匝的谐振线圈二模型为基础，以外径为变量，以耦合系数变化率为参考值，在结合谐振线圈二的面积约束条件，进行变步长仿真，将最大耦合系数变化率下的外径值赋予谐振线圈二；
S5、基于电流频率计算趋附深度，基于趋附深度来确定谐振线圈一及谐振线圈二中的单根利兹线直径；
S6、根据输出功率要求的互感值来计算谐振线圈一及谐振线圈二中的线圈匝数，从而确定谐振线一及谐振线圈二的内径；
S7、增大谐振线圈一的外半径，且谐振线圈一的匝数保持不变；
S8、为了减少磁芯用料的浪费，磁芯一、磁芯二均由若干磁条组成，磁条的截面呈T字型，磁条呈环形均匀分布，两磁条之间存在间隙，磁芯一与谐振线圈一同心设置，磁芯二与谐振线圈二同心设置；
S9、在谐振线圈一的外壁上建立如S8所述磁芯一，在谐振线圈二的外壁上建立如S8所述磁芯二，建立外部电路，以瞬态场为仿真条件，测试不同材料磁芯的磁损，将磁损较小的材料作为磁芯材料；
S10、在磁芯一的外侧添加铝板一来屏蔽漏磁，铝板一将磁芯一完全包裹，在磁芯二的外侧添加铝板二来屏蔽磁漏，铝板二将磁芯二完全包裹，使得周围的磁漏达到安全标准。
7.如权利要求6所述无线充电耦合结构的设计方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
S11、检测能量在耦合器中间传递效率是否大于设定值；
S12、若检测结果为是，则执行步骤S10，若检测结果为否，则调节磁条宽度、长度或厚度，再执行步骤S11。
8.如权利要求6所述无线充电耦合结构的设计方法，其特征在于，所述磁芯材料为铁基纳米晶合金。
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