CN110289157A - 一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构 - Google Patents

一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构，包括：原边能量发射部分和副边能量拾取部分；原边能量发射部分分为四层结构，从下至上依次为，第一层为磁芯层，第二层为方形线圈层，第三层为DD结构线圈层，第四层为与第三层DD线圈正交的DD线圈层，四层结构为中心对齐放置，两层DD结构线圈层与一层方形线圈层的外轮廓尺寸相同，且四层结构都互相平行放置；原边能量发射部分的线圈的磁芯层面积与线圈外轮廓相同，第三层与第四层的DD结构线圈层的线圈匝数相同，原边能量发射部分的线圈的连接方式为串联连接；副边能量拾取部分为方形环路线圈，方形环路线圈与磁芯平铺。提高磁路机构的耦合系数和偏移性能。

Description

一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构
技术领域
本申请涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线电能传输系统的多 层磁路耦合机构。
背景技术
电磁感应式无线输电作为一种通过磁场耦合的非接触式充电方式，已经在 各种领域有着广泛的应用。感应式无线充电系统具有传输容量大、传输效率高 的优点，是目前技术成熟度最高的电动汽车无线充电技术。但是感应式无线充 电系统具有一定缺点，比如传输距离短，当磁路机构两侧线圈距离增大后，传 输效率和容量都会下降很多；原副边线圈错位容忍度差，当出现较大偏差后效 率和容量下降很多，用户体验较差；参数敏感度高，当线圈参数、频率等发生 变化后都会对系统容量和效率产生较大的影响。
无线输电系统主要由交流电源、原边整流、高频逆变、原边谐振补偿、磁 路机构、副边谐振补偿、副边整流滤波、负载等部分组成。其中磁路机构是无 线输电技术的核心部分，是实现无线充电功能的关键技术。磁路机构类似于松 耦合变压器，其耦合系数很小，一般在0.3以下。原副边没有直接接触，之间 存在一定的间隙。磁路机构的原副边存在多种形态，不同的形态拥有不同的性 能，其应用场合也随之不同。
无线输电系统的磁路机构是研究的热点。由于原副边之间存在较大的漏磁 且在无线输电过程之中通常无法实现原副边完全对准，所以提高磁路机构的耦 合系数和偏移性能，是亟需解决的问题。
发明内容
本申请提供一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构，解决如何提高磁 路机构的耦合系数和偏移性能的问题。
本申请提供的一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构，其特征在于， 包括：原边能量发射部分和副边能量拾取部分；原边能量发射部分分为四层结 构，从下至上依次为，第一层为磁芯层，第二层为方形线圈层，第三层为DD 结构线圈层，第四层为与第三层DD线圈正交的DD线圈层，所述四层结构为中 心对齐放置，两层DD结构线圈层与一层方形线圈层的外轮廓尺寸相同，且四层 结构都互相平行放置；原边能量发射部分的线圈的磁芯层面积与线圈外轮廓相 同，第三层与第四层的DD结构线圈层的线圈匝数相同，第二层的方形线圈层的 线圈数与所述DD结构线圈层的线圈匝数不同；原边能量发射部分的线圈的连接 方式为串联连接；副边能量拾取部分为方形环路线圈，所述方形环路线圈与磁 芯平铺。
优选的，第一层为磁芯层，所述磁芯层为常规的磁芯平铺。
优选的，所述线圈层的线圈由利兹线绕制而成。
优选的，所述DD结构线圈层的线圈由结构尺寸相同的矩形线圈组成且相互 正交叠放。
优选的，还包括：
所述无线电能传输系统的多层磁路耦合机构在设计时，按具体实施场景与 功率要求确定原边能量发射部分和副边能量拾取部分面积、磁芯厚度、原副边 气隙；
按原边能量发射部分的电流要求，选用合适的利兹线线径；
根据具体的电路拓扑结构，以获得输出功率输出功率Pout的表达式；根据 Pout的表达式通过改变原边能量发射部分方形线圈匝数和副边能量拾取部分线 圈匝数得到在原边能量发射部分和副边能量拾取部分正对情况下所需的原边 能量发射部分和副边能量拾取部分互感，以满足输出功率Pout要求；
在有限元仿真软件中，设定所述两层DD线圈的匝数n为变量；设定匝数n 为一定合理范围，通过仿真得出在此范围内，副边能量拾取部分线圈接收到的 功率曲面最平整即在一定偏移范围内原边能量发射部分接收到的最大最小功 率差值为最小时的n值，此时的n值即为两层DD线圈的匝数取值。
本申请提供一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构，通过在原边能量 发射部分上方固定距离的一定面积水平充电区域内，复变接收线圈在此区域内 各大位置所获得的能量相同，实现在无法保证原副边线圈中心完全对准的情况 下，当副边处于一定的充电区域内时，整个系统可以提供用电设备所需要的特 定功率，使整个系统可以正常稳定的工作，提高磁路机构的耦合系数和偏移性 能。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构的 结构示意图；
图2是本申请实施例涉及的原边能量发射部分方形线圈层的绕线方式以及 关键参数示意图；
图3是本申请实施例涉及的原边能量发射部分第一层DD线圈层的绕线方 式以及关键参数示意图；
图4是本申请实施例涉及的原边能量发射部分第二层DD线圈层的绕线方 式以及关键参数示意图；
图5是本申请实施例涉及的原边能量发射部分磁芯层的关键参数示意图， 其中，
图5(a)为本申请实施例涉及的原边能量发射部分磁芯层为实心的矩形的 长度和宽度参数示意图；
图5(b)为本申请实施例涉及的原边能量发射部分磁芯层为实心的矩形的 厚度参数示意图；
图6是本申请实施例涉及的副边能量拾取部分方形线圈的绕线方式以及关 键参数示意图；
图7是本申请实施例涉及的副边能量拾取部分磁芯层关键参数示意图，其 中，
图7(a)为本申请实施例涉及的副边能量拾取部分磁芯层为实心的矩形的 长度和宽度参数示意图；
图7(b)为本申请实施例涉及的副边能量拾取部分磁芯层为实心的矩形的 厚度参数示意图；
图8是本申请实施例涉及的线圈多层磁路耦合机构设计流程图；
图9是本申请实施例涉及的原副边偏移情况下传输功率P的曲面图，其中，
图9(a)为原边能量发射部分方形线圈通电，两层DD线圈不通电的传输 功率P曲面图；
图9(b)为原边能量发射部分方形线圈不通电，两层DD线圈通电的传输 功率P曲面图；
图9(c)为原边能量发射部分方形线圈通电，两层DD线圈同时通电情况 下的传输功率P曲面图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请 能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背 本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
请参看图1，图1是本申请提供的一种无线电能传输系统的多层磁路耦合 机构的结构示意图，下面结合图1对本申请实施例提供的多层磁路耦合机构进 行详细说明。
如图1所示，本申请提供一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构，其 特征在于，包括：原边能量发射部分和副边能量拾取部分；原边能量发射部分 分为四层结构，从下至上依次为，第一层为磁芯层，第二层为方形线圈层，第 三层为DD结构线圈层，第四层为与第三层DD线圈正交的DD线圈层，所述四层 结构为中心对齐放置，两层DD结构线圈层与一层方形线圈层的外轮廓尺寸相同， 且四层结构都互相平行放置；原边能量发射部分的线圈的磁芯层面积与线圈外 轮廓相同，第三层与第四层的DD结构线圈层的线圈匝数相同，第二层的方形线 圈层的线圈数与所述DD结构线圈层的线圈匝数不同；原边能量发射部分的线圈的连接方式为串联连接；副边能量拾取部分为方形环路线圈，所述方形环路线 圈与磁芯平铺。
第一层为磁芯层，所述磁芯层为常规的磁芯平铺。
所述线圈层的线圈由利兹线绕制而成。
所述DD结构线圈层的线圈由结构尺寸相同的矩形线圈组成且相互正交叠 放。
原边能量发射部分的方形线圈层的绕线方式与关键参数如图2所示，其其 外部轮廓与两层DD线圈的外部轮廓相同，其所通电流与两层DD线圈所通电流 相等，其匝数与DD线圈匝数一般不同。其参数关系如下：
x＝a-2×d×L
y＝b-2×d×L
其中：x为方形线圈的内宽，y为方形线圈的内长，a为方形线圈的外宽， b为方形线圈的外长，d为利兹线的截面直径，L为单个DD线圈层的线圈匝数。
原边能量发射部分的两层DD线圈层的绕线方式与关键参数如图3、图4所 示，其两者外部轮廓尺寸相同，且两者匝数相同，使用时所通电流大小相等。 其参数关系如下：
c＝a-2×d×n
d＝b-2×d×n
其中：c为DD线圈的内宽，d为DD线圈的内长，a为DD层的外宽，b为 DD层的外长，d为利兹线的截面直径，n为单个方形线圈层的线圈匝数。
原边能量发射部分的磁芯层的关键参数如图5所示，其面积、厚度与副边 能量拾取部分的磁芯层一般不同。
副边能量拾取部分的方形线圈层的绕线方式与关键参数如图6所示。
副边能量拾取部分的磁芯层的关键参数如图7所示，其面积与副边能量拾 取部分的方形线圈层的面积相同。
本发明的重点为提出一种新型的磁路机构，故在本实例中电路拓扑结构选 用最简单的SS补偿结构。
其输出功率Pout的公式如下：
其中IP为原边线圈电流，M为原副边互感，RL为负载等效电阻。
在本实施例中，原边均指原边能量发射部分，副边均指副边能量拾取部分， 原副边均指原边均指原边能量发射部分和副边均指副边能量拾取部分。
所述无线电能传输系统的多层磁路耦合机构在设计时，按具体实施场景与 功率要求确定原边能量发射部分和副边能量拾取部分面积、磁芯厚度、原副边 气隙；
按原边能量发射部分的电流要求，选用合适的利兹线线径；
根据具体的电路拓扑结构，以获得输出功率输出功率Pout的表达式；根据 Pout的表达式通过改变原边能量发射部分方形线圈匝数和副边能量拾取部分线 圈匝数得到在原边能量发射部分和副边能量拾取部分正对情况下所需的原边 能量发射部分和副边能量拾取部分互感，以满足输出功率Pout要求；
在有限元仿真软件中，设定所述两层DD线圈的匝数n为变量；设定匝数n 为一定合理范围，通过仿真得出在此范围内，副边能量拾取部分线圈接收到的 功率曲面最平整即在一定偏移范围内原边能量发射部分接收到的最大最小功 率差值为最小时的n值，此时的n值即为两层DD线圈的匝数取值。
以电动汽车无线充电的磁路机构的设计为例，根据磁路机构拓扑设计如下： (1)设定输出功率为1.2kw，常规的电动轿车底盘高度为150mm左右，设定磁 路机构的气隙为155mm。
(2)电动汽车无线充电的磁路机构的原边能量发射装置的尺寸一般比副边能 量接收装置大，设定原边线圈尺寸为600*550mm，副边线圈尺寸为 250*250mm的方形线圈。
(3)原副边磁性厚度设置为3mm，其尺寸与原副边线圈相同，即原边磁芯 600*550mm，副边磁芯250*250mm。
(4)负载等效电阻设置为59Ω，原边电流14.2A，通过仿真软件，调节原边 方形线圈为15匝，副边线圈为19匝时以满足输出功率表达式要求。
(5)按照图8所示的磁路机构设计流程图，以确定两层互相正交的DD线圈匝 数，最后确定当DD线圈取7匝时，副边线圈接收到的功率平面呈现最平 整的状态，故确定DD线圈匝数为7匝。
原副边偏移情况下的传输功率P的曲面图如图9所示。其中图9(a)为原 边能量发射部分方形线圈通电，两层DD线圈不通电的传输功率P曲面图，可 见此时曲面图呈中间高两边低的山峰状；图9(b)为原边能量发射部分方形线 圈不通电，两层DD线圈通电的传输功率P曲面图，可见此时曲面图呈中间低 两边高的谷状；图9(c)为原边能量发射部分方形线圈通电，两层DD线圈同 时也通电情况下的传输功率P曲面图，可见此时功率曲面图呈现良好的水平状， 这意味着在一定偏移区域内，副边线圈所接收到的能量几乎为恒定值，这样就 很好的达到了线圈偏移性能好的设计目标。
本申请提供的一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构，通过在原边能 量发射部分上方固定距离的一定面积水平充电区域内，复变接收线圈在此区域 内各大位置所获得的能量相同，实现在无法保证原副边线圈中心完全对准的情 况下，当副边处于一定的充电区域内时，整个系统可以提供用电设备所需要的 特定功率，使整个系统可以正常稳定的工作，提高磁路机构的耦合系数和偏移 性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实 施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明 的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任 何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无线电能传输系统的多层磁路耦合机构，其特征在于，包括：原边能量发射部分和副边能量拾取部分；原边能量发射部分分为四层结构，从下至上依次为，第一层为磁芯层，第二层为方形线圈层，第三层为DD结构线圈层，第四层为与第三层DD线圈正交的DD线圈层，所述四层结构为中心对齐放置，两层DD结构线圈层与一层方形线圈层的外轮廓尺寸相同，且四层结构都互相平行放置；原边能量发射部分的线圈的磁芯层面积与线圈外轮廓相同，第三层与第四层的DD结构线圈层的线圈匝数相同，第二层的方形线圈层的线圈数与所述DD结构线圈层的线圈匝数不同；原边能量发射部分的线圈的连接方式为串联连接；副边能量拾取部分为方形环路线圈，所述方形环路线圈与磁芯平铺。
2.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，第一层为磁芯层，所述磁芯层为常规的磁芯平铺。
3.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述线圈层的线圈由利兹线绕制而成。
4.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述DD结构线圈层的线圈由结构尺寸相同的矩形线圈组成且相互正交叠放。
5.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，还包括：
所述无线电能传输系统的多层磁路耦合机构在设计时，按具体实施场景与功率要求确定原边能量发射部分和副边能量拾取部分面积、磁芯厚度、原副边气隙；
按原边能量发射部分的电流要求，选用合适的利兹线线径；
根据具体的电路拓扑结构，以获得输出功率输出功率Pout的表达式；根据Pout的表达式通过改变原边能量发射部分方形线圈匝数和副边能量拾取部分线圈匝数得到在原边能量发射部分和副边能量拾取部分正对情况下所需的原边能量发射部分和副边能量拾取部分互感，以满足输出功率Pout要求；
在有限元仿真软件中，设定所述两层DD线圈的匝数n为变量；设定匝数n为一定合理范围，通过仿真得出在此范围内，副边能量拾取部分线圈接收到的功率曲面最平整即在一定偏移范围内原边能量发射部分接收到的最大最小功率差值为最小时的n值，此时的n值即为两层DD线圈的匝数取值。
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