CN110085393A - 一种π型铁氧体及平板线圈无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种π型铁氧体及平板线圈无线电能传输系统，π型铁氧体包括一块平板铁氧体和两块凸极铁氧体，两块凸极铁氧体对称设置在所述的平板铁氧体同一表面两端，所述的平板铁氧体和凸极铁氧体形成“π”字型结构。平板线圈无线电能传输系统包括原边集成线圈和副边集成线圈，原边集成线圈和副边集成线圈均包括叠层设置的DDP线圈、铁氧体和铝板，铁氧体采用上述π型铁氧体，DDP线圈上与π型铁氧体上的凸极铁氧体对应位置处设有容纳凸极铁氧体的空隙，凸极铁氧体端部嵌入所述的空隙中。与现有技术相比，本发明降低了系统径向漏磁，提高了系统的传输效率。

Description

一种π型铁氧体及平板线圈无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及一种铁氧体及无线电能传输系统，尤其是涉及一种π型铁氧体及平板线圈无线电能传输系统。
背景技术
电动汽车中基于磁耦合原理的无线电能传输系统(Wireless Power Transfer，WPT)一、二次侧线圈之间气隙较大，由初级线圈发射到次级线圈的磁场无磁路限制，系统磁场杂散，磁泄露严重，降低了系统的传输效率，也会增加系统周围的电磁辐射，造成严重的电磁污染。而铁氧体具有磁导率高、磁损耗低的特点，能增加松耦合变压器线圈间的磁场强度，提高系统的传输效率，因此被广泛用于电动汽车无线电能传输系统中。
目前电动汽车无线电能传输系统采用双侧平面铁氧体板，铁氧体板不仅可以增加线圈间的磁场强度，也可对系统漏磁进行抑制，但铁氧体板过大，会增加系统成本和系统重量，且铁氧体可吸引磁场，使更多磁感线穿过线圈边沿处铁氧体板，形成漏磁耦合，导致原副线圈磁场耦合降低，系统的传输效率。
鉴于以上原因，目前广泛研究的双侧平面铁氧体板不能达到抑制系统横向漏磁，提高系统传输效率的目的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种π型铁氧体及平板线圈无线电能传输系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种π型铁氧体，该π型铁氧体包括一块平板铁氧体和两块凸极铁氧体，两块凸极铁氧体对称设置在所述的平板铁氧体同一表面两端，所述的平板铁氧体和凸极铁氧体形成“π”字型结构。
优选地，所述的凸极铁氧体与平板铁氧体一体成型。
优选地，所述的凸极铁氧体紧贴平板铁氧体固定设置。
优选地，所述的凸极铁氧体通过绝缘胶与平板铁氧体固定。
一种平板线圈无线电能传输系统，该系统包括原边集成线圈和副边集成线圈，所述的原边集成线圈和副边集成线圈均包括叠层设置的DDP线圈、铁氧体和铝板，所述的铁氧体采用上述π型铁氧体，所述的DDP线圈上与π型铁氧体上的凸极铁氧体对应位置处设有容纳凸极铁氧体的空隙，所述的凸极铁氧体端部嵌入所述的空隙中。
优选地，该系统的原边集成线圈和副边集成线圈中的DDP线圈相对设置。
优选地，所述的DDP线圈和π型铁氧体之间设有第一气隙，所述π型铁氧体和铝板之间设有第二气隙，所述的第一气隙和第二气隙中均填充绝缘件。
优选地，所述的绝缘件包括绝缘胶。
优选地，所述的第一气隙和第二气隙高度相等。
优选地，所述的π型铁氧体上的凸极铁氧体高度高于第一气隙高度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明π型铁氧体采用平板铁氧体和凸极铁氧体结合的形式，降低了目前广泛使用的铁氧体板的用量，同时凸极铁氧体使得线圈间的磁场在轴向磁场耦合区域聚集，降低了系统的径向漏磁，增加了线圈间磁场的耦合，进而提高了平板线圈无线电能传输系统的传输效率。
附图说明
图1为无线电能传输系统磁场耦合模型；
图2为无线电能传输系统电路等效模型；
图3为四种类型双侧平面铁氧体板结构示意图；
图4为采用四种类型双侧平面铁氧体板时WPT系统气隙中心测量线磁场分布图；
图5为采用四种类型双侧平面铁氧体板时WPT系统副边线圈径向偏移距离与系统互感；
图6为本发明π型铁氧体的结构示意图；
图7为本发明平板线圈无线电能传输系统的结构示意图；
图8为本发明平板线圈无线电能传输系统副边线圈径向偏移距离与系统互感；
图9为本发明平板线圈无线电能传输系统气隙中心测量线处的磁场强度；
图10为本发明布谷鸟搜索算法的流程框图；
图11为本发明π型铁氧体结构尺寸参数示意图；
图12为副边线圈径向偏移距离与系统互感比较图；
图13为系统测量线示意图；
图14为x轴测量线处的磁场强度；
图15为y轴气隙中心测量线处的磁场强度；
图16为z轴测量线处的磁场强度。
图中，1为平板铁氧体，2为凸极铁氧体，3为DDP线圈，4为铝板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，无线电能传输系统磁场耦合模型中原边集成线圈1尺寸大于副边集成线圈2尺寸，图1中TX(TX-1、TX-2)为原边线圈，RX(RX-1、RX-2)为副边线圈，梯形部分为WPT系统轴向磁场的主磁通耦合路径。原边集成线圈Pri由TX、第一铁氧体板Fe1和第一铝板Lu1三部分组成，副边集成线圈Sec由RX、第二铁氧体板Fe2和第二铝板Lu2三部分组成。铁氧体板的磁阻远小于空气的磁阻，使得原边线圈发射的部分磁场可在原边集成线圈Pri处耦合，形成径向漏磁，从而导致系统磁场的耦合降低，系统的传输效率也会随之降低。
如图2所示，图中Uac为高频电源，Rdc为电源内阻，L1、L2为线圈自感，Lf1、Lf2为寄生电感，C1、C2为补偿电容电容，Cf1、Cf2为寄生电容，R1、R2为线圈电阻，Zrefl为副边线圈映射到原边线圈的电路阻抗。当系统处于谐振状态时，个谐振网络的谐振方程如公式(1)所示：
则系统的传输效率为：
由公式(2)可知，当系统原边线圈、副边线圈、补偿电容、补偿电感和负载确定时，线圈电感及其寄生电阻、补偿电容寄生电阻和补偿电感寄生电阻也随之确定，由此可知，系统的传输效率与系统频率ω和互感M密切相关。美国汽车工程师协会(SAE)J2954将轻型电动汽车无线充电的标准频带确立为85kHz，此时，系统互感M的大小将决定系统传输效率的高低。
图3为四种类型双侧平面铁氧体板结构示意图，图中斜线部分为平面铁氧体板，Type1-Type4铁氧体面积逐渐减少，Type4型铁氧体较Type1型铁氧体，铁氧体1的用量降低73.23％，铁氧体2的用量降低63.3％。图4为使用四种不同铁氧体板时WPT系统气隙中心测量线磁场分布情况。由图可知，Type1在达到ICNIRP要求时到气隙中心的距离大于其他三种不同型的铁氧体，磁泄露较为严重；磁场耦合区域的磁场强度大于其他三种不同型的铁氧体，铁芯损耗较多。由以上分析可知，Type1型铁氧体降低了WPT系统的传输效率。由图5可知，Type1-Type4系统互感逐渐增大，Type4型铁氧体较Type1型铁氧体WPT系统的互感提升了20.02％。当系统铁氧体板为Type1和Type3，副边线圈偏移距离为200mm时，系统互感为零；Type2和Type4型铁氧体在副边线圈偏移距离为200mm时，互感大于0。由此可知，较Type1和Type3型铁氧体，Type2和Type4型铁氧体可提高系统的抗偏移能力。相比Type2型铁氧体，Type4型铁氧体极大的降低了铁氧体使用量，且当副边线圈偏移距离大于100mm时，Type4型铁氧体的抗偏移能力略有提升。由以上分析可知，Type4型铁氧体板可有效的提升系统互感，极大降低铁氧体使用量。
为进一步聚集系统磁场，降低系统漏磁，提高系统的传输效率，本发明在Type4型铁氧体板结构的基础上对铁氧体板结构进行优化，提出了一种π型铁氧体结构。
如图6所示，一种π型铁氧体，该π型铁氧体包括一块平板铁氧体1和两块凸极铁氧体2，两块凸极铁氧体2对称设置在平板铁氧体1同一表面两端，平板铁氧体1和凸极铁氧体2形成“π”字型结构。凸极铁氧体2与平板铁氧体1一体成型，另外一种实现方式为：凸极铁氧体2与平板铁氧体1分体设置，凸极铁氧体2紧贴平板铁氧体1固定设置，具体地，凸极铁氧体2通过绝缘胶与平板铁氧体1固定。
如图7所示，一种平板线圈无线电能传输系统，该系统包括原边集成线圈和副边集成线圈，原边集成线圈和副边集成线圈均包括叠层设置的DDP线圈3、铁氧体和铝板4，铁氧体采用上述π型铁氧体，DDP线圈3上与π型铁氧体上的凸极铁氧体2对应位置处设有容纳凸极铁氧体2的空隙，凸极铁氧体2端部嵌入空隙中。
该系统的原边集成线圈和副边集成线圈中的DDP线圈3相对设置。
DDP线圈3和π型铁氧体之间设有第一气隙，所述π型铁氧体和铝板4之间设有第二气隙，第一气隙和第二气隙中均填充绝缘件，本实施例绝缘件采用绝缘胶。第一气隙和第二气隙高度相等，π型铁氧体上的凸极铁氧体2高度高于第一气隙高度。
本实施例中第一气隙和第二气隙高度均为4mm，DDP线圈3直径为也为4mm，凸极铁氧体2高度为6mm，由此知，凸极铁氧体2有2mm处于DDP线圈3的空隙中。
为探究凸极铁氧体2对WPT系统传输效率的影响，分别对原边副边都无凸极铁氧体2(S1)、原边有凸极铁氧体2副边无凸极铁氧体2(S2)、原边无凸极铁氧体2副边有凸极铁氧体2(S3)和原边副边均有凸极铁氧体2(S4)的互感和系统线圈气隙中心径向磁场泄漏情况进行分析比较，如图8和图9所示。
由图8可知铁氧体板为S4时，系统互感最大，在线圈同轴无偏移放置时，相比S1系统互感提升12.46％，有效提升了系统的传输效率。铁氧体板为S3和S4的系统互感相差不大，但由图9(c)和(d)可知，铁氧体板S3的WPT系统径向磁泄漏达到ICNIRP要求的范围大于铁氧体板为S4的WPT系统。由以上分析可知，凸极铁氧体2可有效降低系统径向漏磁，提高系统互感，进而可明显提高系统的传输效率。
凸极铁氧体2可将径向漏磁向线圈气隙处引导，从而降低系统漏磁。凸极铁氧体2的体积不同，对系统磁场的聚集能力不同，从而可导致系统互感不同。为在取得系统最优互感的同时，双侧凸极铁氧体2的体积最优，需对凸极铁氧体2的长、宽和高进一步优化。
本发明利用Ansoft软件对WPT系统进行仿真，但此软件对含有多个变量的模型进行仿真时，模型的计算量大且耗时长。为加快模型优化进程，缩短仿真时间，本文利用布谷鸟搜索算法(Cuckoo Search，CS)对双侧凸极铁氧体2L、W和H进行优化来有效求解最优Mopt，优化流程如图10所示。图11为凸极铁氧体2的尺寸参数，图11(a)为原边π型铁氧体的俯视图，11(b)为副边π型铁氧体的俯视图，图11(c)为原边π型铁氧体的侧视图，11(d)为副边π型铁氧体的侧视图，其中A1、B1和A2、B2为尺寸参数固定值，本实施例中A1＝226mm，B1＝376mm，A2＝204mm，B2＝304mm，L1、W1、L2、W2和H1、H2为尺寸参数设计变量。
本实施例采用布谷鸟搜索算法得到优化后的以及设计变量的值，并利用对优化后系统的π型铁氧体结构与传统的双侧平面铁氧体板结构进行比较分析。由图4可知，Type4较Type1型铁氧体结构系统互感提升20.02％，图12为本发明π型铁氧体结构与上述Type4型铁氧体所对应的副边线圈径向偏移距离与系统互感的比较图。由图12所示，同轴无偏移放置时的π型铁氧结构较Type4型铁氧体结构的WPT系统互感提升8.7％。由此可得，π型铁氧体结构WPT系统较目前广泛使用的平板铁氧体1结构WPT系统互感提升了30.46％，极大的提高了系统内部的传输效率；当系统发生径向偏移时，π型铁氧体结构WPT系统互感的衰减速率大于Type4型铁氧体结构的WPT系统。且偏移距离小于180mm时，π型铁氧体结构WPT系统的互感仍大于Type4型铁氧体结构WPT系统的互感。
图13为系统测量线示意图，图中My点为测量线中心线，x轴、y轴、z轴表示三条磁场测量线。图14为x轴处的磁场强度，由图可知，Type1在WPT系统中心处的磁场强度较大，且向系统外侧的磁场衰减速度较快，但其磁泄露仍大于π型和Type4铁氧体WPT系统。图15为y轴测量线处的磁场强度，当磁场强度达到ICNIRP要求时，Type1、Type4和π型铁氧体结构WPT系统到线圈气隙中心点的距离分别为674mm、752mm和498mm，π型铁氧体结构WPT系统较目前广泛使用的平板铁氧体1结构WPT系统的电磁辐射范围降低了35.34％，并且π型铁氧体结构磁场耦合区域处的磁场强度较小，可降低系统的铁芯损耗，进一步提高系统的传输效率。图16为z轴测量线处的磁场强度即耦合机构间的磁场强度。
由以上分析可知，π型铁氧体结构WPT系统互感大于Type1和Type4铁氧体结构WPT系统，且由图14、图15和图16可知，π型铁氧体结构WPT系统磁场较Type1和Type4铁氧体结构WPT系统磁场变化较小，磁场较为集中，进一步证明了π型铁氧体结构WPT系统的可行性。
本发明的原理为：铁氧体的磁阻远小于空气磁阻，因此原边集成线圈处的部分磁场会穿过原边铁氧体，在原边处形成耦合漏磁，降低了系统的传输效率。π型铁氧体的平板铁氧体1，既减少了铁氧体的使用量，又降低了原边漏磁的耦合几率，使得更多磁场向系统磁场耦合空间处聚集，提高了系统的传输效率。π型铁氧体的凸极铁氧体2可将系统径向漏磁向磁场耦合区域处聚集，进一步增加磁场的耦合几率，系统传输效率进一步提高。铁芯损耗与系统的工作频率和磁场强度有关，当系统的工作频率确定时，系统磁场强度越大，系统的铁芯损耗越大。π型铁氧体结构有效降低了线圈间的磁场强度，降低了系统的铁芯损耗，能够进一步提高系统的传输效率。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种π型铁氧体，其特征在于，该π型铁氧体包括一块平板铁氧体(1)和两块凸极铁氧体(2)，两块凸极铁氧体(2)对称设置在所述的平板铁氧体(1)同一表面两端，所述的平板铁氧体(1)和凸极铁氧体(2)形成“π”字型结构。
2.根据权利要求1所述的一种π型铁氧体，其特征在于，所述的凸极铁氧体(2)与平板铁氧体(1)一体成型。
3.根据权利要求1所述的一种π型铁氧体，其特征在于，所述的凸极铁氧体(2)紧贴平板铁氧体(1)固定设置。
4.根据权利要求3所述的一种π型铁氧体，其特征在于，所述的凸极铁氧体(2)通过绝缘胶与平板铁氧体(1)固定。
5.一种平板线圈无线电能传输系统，该系统包括原边集成线圈和副边集成线圈，所述的原边集成线圈和副边集成线圈均包括叠层设置的DDP线圈(3)、铁氧体和铝板(4)，其特征在于，所述的铁氧体采用如权利要求1～4任意一项所述的π型铁氧体，所述的DDP线圈(3)上与π型铁氧体上的凸极铁氧体(2)对应位置处设有容纳凸极铁氧体(2)的空隙，所述的凸极铁氧体(2)端部嵌入所述的空隙中。
6.根据权利要求5所述的一种平板线圈无线电能传输系统，其特征在于，该系统的原边集成线圈和副边集成线圈中的DDP线圈(3)相对设置。
7.根据权利要求5所述的一种平板线圈无线电能传输系统，其特征在于，所述的DDP线圈(3)和π型铁氧体之间设有第一气隙，所述π型铁氧体和铝板(4)之间设有第二气隙，所述的第一气隙和第二气隙中均填充绝缘件。
8.根据权利要求7所述的一种平板线圈无线电能传输系统，其特征在于，所述的绝缘件包括绝缘胶。
9.根据权利要求7所述的一种平板线圈无线电能传输系统，其特征在于，所述的第一气隙和第二气隙高度相等。
10.根据权利要求7所述的一种平板线圈无线电能传输系统，其特征在于，所述的π型铁氧体上的凸极铁氧体(2)高度高于第一气隙高度。
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