CN110380518B - 一种可用于模块化无线电能传输系统的非对称双极性线圈 - Google Patents

一种可用于模块化无线电能传输系统的非对称双极性线圈 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于模块化无线电能传输系统的非对称双极性线圈，该线圈采用先按顺时针或逆时针方向从里往外或从外往里绕制形成一个矩形，然后按照相反方向继续从外往里或从里往外绕制形成另一个矩形，最终形成含左、右两个矩形的双矩形结构，且该线圈的左、右两侧呈现非对称形态；所述的非对称形态包括如下至少一种情形：1)线圈左侧与右侧形状不对称；2)线圈左侧与右侧匝数不对称；3)线圈左侧与右侧线间距不对称。采用本发明所述非对称双极性线圈可以有效消除同侧线圈之间的互感，对提高系统传输效率和降低系统控制难度具有重要意义，有利于模块化无线电能传输系统的发展。

Description

一种可用于模块化无线电能传输系统的非对称双极性线圈
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种可用于模块化无线电能传输系统的非对称双极性线圈。
背景技术
相比于传统有线电能传输技术，无线电能传输技术更为安全便捷，从而被广泛应用于各种用电设备，比如移动终端、医疗设备以及电动汽车等等。当所需的输出功率较大时，单一的无线电能传输系统中对元件的耐压耐流值均有较大要求，从而难以实现。然而，无线电能传输系统的模块化设计可以均匀地分配输出功率，而每个模块中的元件耐压耐流值均有所降低。目前针对可模块化的无线电能传输系统的研究尚鲜有报道。若在模块化无线电能传输系统中采用常见的矩形线圈或者DD线圈，无论其作为发射线圈还是接收线圈，只要存在同侧线圈，则同侧线圈之间的互感都较大。具体的：图3为带磁芯的两组发射接收矩形线圈模块单排放置时互感的仿真图。如图所示，第一模块发射线圈301与第二模块发射线圈303之间的互感为68.74μH，而第一模块发射线圈301与第一模块接收线圈302之间的互感为69.44μH，显然两并排放置的发射线圈之间的互感较大，实际应用中不可以被忽略。图4为带磁芯的两组发射接收DD线圈模块单排放置时互感的仿真图。如图所示，第一模块发射线圈401与第二模块发射线圈403之间的互感为12.6μH，而第一模块发射线圈401与第一模块接收线圈402之间的互感为44.9μH，相比于矩形线圈虽然同侧耦合互感有所降低，但仍未达到最优效果，在实际使用中也不可忽略。
由于模块化无线电能传输系统中同侧线圈之间存在的较大互感，导致每个模块中流过发射线圈中的电流受到影响，不仅仅会增加系统的无功功率和降低系统的效率，同时使得系统的控制存在较大难度。因此，本发明提供一种可用于模块化无线电能传输系统的非对称双极性线圈，能有效地消除同侧线圈之间的互感。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于模块化无线电能传输系统的非对称双极性线圈。
本发明提供一种可用于模块化无线电能传输系统的非对称双极性线圈，所述线圈可以包括有磁芯和磁屏蔽层。所述线圈可以用作发射线圈和/或接收线圈。当所述线圈用作发射线圈时，该线圈与补偿网络和驱动电源连接；当所述线圈用作接收线圈时，该线圈与补偿网络、整流器和负载连接。该线圈采用先按顺时针或逆时针方向从里往外或从外往里绕制形成一个矩形，然后按照相反方向继续从外往里或从里往外绕制形成另一个矩形，最终形成含左、右两个矩形的双矩形结构，且该线圈的左、右两侧呈现非对称形态；所述非对称形态包括至少一种如下情形：
1)线圈左侧与右侧形状不对称；
2)线圈左侧与右侧匝数不对称；
3)线圈左侧与右侧线间距不对称。
此外，本发明还提供一种无线电能传输系统，该系统中含有多组发射和/或接收线圈，其同侧的发射线圈和/或同侧的接收线圈采用上述的非对称双极性线圈。
本发明的有益效果是：
本发明针对无线电能传输系统尤其是模块化的情况，采用本发明所述非对称双极性线圈可以有效消除同侧线圈之间的互感，而采用常见矩形线圈或者DD线圈时若要消除同侧线圈之间的互感，往往需要将同侧线圈之间的间距尽可能的增大，但这不利于模块化应用，若要实现模块化，则需将同侧线圈间的间距限定，此时则需要通过复杂的控制手段才能够减弱其互感，本发明的非对称双极性线圈对提高系统传输效率和降低系统控制难度具有重要意义，有利于模块化无线电能传输系统的发展。
本说明书所描述的主题的实施方案的细节在随附图式和以下描述中予以阐述。其特征、方面和优点将从所述描述、所述图式和权利要求书变得显而易见。应注意，以下诸图的相对尺寸可未按比例绘制。
附图说明
图1为根据本发明的所有示范性实施例的单一模块无线电能传输系统的功能结构框图。
图2为本发明的一个实施例中非对称双极性线圈的示意图。
图3为带磁芯的两组发射接收矩形线圈模块单排放置时互感的仿真图。
图4为带磁芯的两组发射接收DD线圈模块单排放置时互感的仿真图。
图5为带磁芯的两组发射接收非对称双极性线圈模块单排放置时互感的仿真图。
具体实施方式
下文结合附加图式而阐述的详细描述希望作为对本发明的示范性实施例的描述，且不希望表示可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述而使用的术语“示范性”意谓“充当实例、例子或说明”，且未必应被认作相对于其它示范性实施例优选或有利。详细描述包含特定细节以便提供对本发明的示范性实施例的透彻理解。在一些例子中，一些装置是以框图形式而展示。
图1为根据本发明的所有示范性实施例的单一模块无线电能传输系统的功能结构框图。功率发射器109包含驱动电源101、补偿网络102和发射线圈103。驱动电源101输出高频交流电，加在补偿网络102和发射线圈103上，从而使得功率发射器109产生高频交变磁场。补偿网络102可包含电容器和/或电感器，常用补偿电容与发射线圈串联补偿的形式，可以抵消功率发射器109中的无功功率。功率接收器110包含接收线圈104、补偿网络105和整流器106。接收线圈104因功率发射器109产生的高频交变磁场而产生高频交流电，经过补偿网络105之后将高频交流电输入整流器106。补偿网络105可包含电容器和/或电感器，常用补偿电容与发射线圈串联补偿的形式，可以抵消功率接收器110中的无功功率。整流器106将高频交流电整流为直流电，并将电能提供给负载107，从而实现电能的无线传输。
发射线圈103和接收线圈104可配置为包含空芯或实芯，例如铁氧体磁芯。含有铁氧体磁芯的线圈可更好地将能量从功率发射器109传输至功率接收器110。
图2为本发明的一个实施例中非对称双极性线圈的示意图。如图所示，该非对称双极性线圈采用先按逆时针方向从里往外绕制形成一个矩形，然后按照顺时针方向从外往里继续绕制形成另一个矩形，最终形成含左、右两个矩形的双矩形结构，显然该线圈左侧与右侧呈现非对称形态。且图2中所述非对称形态包括：
1)线圈左侧与右侧形状不对称，即左侧矩形线圈长度d1不等于右侧矩形线圈长度d2；
2)线圈左侧与右侧匝数不对称，即左侧矩形线圈匝数n1不等于右侧矩形线圈匝数n2；
3)线圈左侧与右侧线间距不对称，即左侧矩形线圈线间距大于右侧矩形线圈线间距。
在某些实施例中，线圈左侧与右侧形状不对称可视为两侧线圈的面积不对称。在某些特殊的实施例中，线圈左侧与右侧可为面积不对称的两个正方形。实际应用中，非对称双极性线圈只要含有上述至少一种情形的非对称形态即可。
对采用不同线圈时同侧线圈的互感情况进行仿真，设置：线圈尺寸为400mm×350mm，同侧两线圈间距为10mm，发射与接收线圈的传输距离为20cm；采用同样的线圈、磁芯材质，具体如下：
图3为带磁芯305的两组发射接收矩形线圈模块单排放置时互感的仿真图。如图所示，第一模块发射线圈301与第二模块发射线圈303之间的互感为68.74μH，而第一模块发射线圈301与第一模块接收线圈302之间的互感为69.44μH，显然两并排放置的发射线圈之间的互感较大，实际应用中不可以被忽略。
图4为带磁芯405的两组发射接收DD线圈模块单排放置时互感的仿真图。如图所示，第一模块发射线圈401与第二模块发射线圈403之间的互感为12.6μH，而第一模块发射线圈401与第一模块接收线圈402之间的互感为44.9μH。相比于图3，虽然同侧耦合互感有所降低，但其同侧互感与第一模块发射线圈与接收线圈之间的互感的比值仍较高，未达到最优效果，在实际使用中也不可忽略。
图5为带磁芯505的两组发射接收非对称双极性线圈模块单排放置时互感的仿真图。如图所示，第一模块发射线圈501与第二模块发射线圈503之间的互感仅仅为0.05μH，而第一模块发射线圈501与第一模块接收线圈502之间的互感为44.53μH，显然，此时同侧互感与第一模块发射线圈与接收线圈之间的互感的比值接近零，远远小于图4中的情况，说明在模块化无线电能传输系统中采用非对称双极性线圈可以有效地消除同侧线圈之间的互感，从而可以使得模块化无线电能传输系统的传输效率提高，同时降低系统的控制难度。
在不脱离本发明的精神或范围的情况下，上述实施例的各种修改将易于显而易见，且本文所界定的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明不希望限于本文所展示的实施例，而应符合与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (2)

1.一种无线电能传输系统，其特征在于，该系统中含有多组发射和/或接收线圈，发射线圈或接收线圈单排放置，且单排放置的两个线圈相邻处的绕线方向相反，其同侧的发射线圈和/或同侧的接收线圈采用如下非对称双极性线圈；
所述的线圈采用先按顺时针或逆时针方向从里往外或从外往里绕制形成一个矩形，然后按照相反方向继续从外往里或从里往外绕制形成另一个矩形，最终形成含左、右两个矩形的双矩形结构，且该线圈的左、右两侧呈现非对称形态；所述的非对称形态包括如下至少一种情形：
1）线圈左侧与右侧形状不对称；
2）线圈左侧与右侧匝数不对称；
3）线圈左侧与右侧线间距不对称。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述的非对称双极性线圈包括磁芯和磁屏蔽层。
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