CN110544988B - 基于轨道无线供电系统的磁耦合机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于轨道无线供电系统的磁耦合机构，包括磁芯、接收线圈和交流轨道线，本方案对磁芯及其相关附件进行改进设计，通过对磁芯的形状及支架的形状进行创造性的改进设计，磁芯采用双G型结构设计，两条交流轨道线分别对应的穿过上下两个凹槽的中心，且两条交流轨道线内电流方向相反；本方案中的磁芯结构相对于现有技术而言具有更好的聚磁效果，使得环绕交流轨道线缆的磁场线能够尽可能的汇聚于磁芯内，降低了磁芯的漏磁问题，提高了供电装置的能量输出效率；且该磁芯采用一体化结构设计，便于安装和维护，具有较高的实用和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电装置技术领域，具体涉及一种基于轨道无线供电系统的磁耦合机构。
背景技术
无线供电技术是一种安全方便的新技术，通过非电气接触的方式为静止或移动中的用电设备实时地提供能量供给。该技术是一种以感应耦合原理为基础的无线电能传输模式，主要以磁场做为电能传输的媒介，基于变压器疏松感应耦合的构造，通过电力电子技术提高磁场频率、降低气隙损耗，实现无线电能的传输。这种无线输电技术的特点是传输功率大，能达千瓦级别，在极近距离内效率很高。
轨道无线供电技术的耦合机构包括发射线圈，接收线圈及磁芯。利用磁芯的导磁效果，使接收线圈中产生高频交变磁场，从而感应出电流。其中磁芯结构多为E型磁芯或U型磁芯。传统E型或U型磁芯，由于其一侧磁芯未闭合，不能形成导磁回路，会导致磁芯在开口处有较大的漏磁，这会导致耦合机构的传输效率降低，进而导致系统输出功率及效率降低。
发明内容
本发明为解决现有轨道供电能量耦合机构传输效率较低的问题，提出一种基于轨道无线供电装置的磁耦合机构，以减少漏磁，提高能量传输效率。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于轨道无线供电系统的磁耦合机构，所述轨道无线供电系统用以为可移动设备供电，可移动设备沿轨道移动，所述磁耦合机构包括拾取器和交流轨道线，所述拾取器固定在可移动设备上，所述拾取器包括磁芯和接收线圈，接收线圈缠绕在磁芯上，交流轨道线穿过所述磁芯设置；
所述磁芯包括由上磁板、左磁板、下磁板和右磁板顺次连接围成的一体式框架，框架内的中间位置设置有一平行于上磁板和下磁板的中部磁板，中部磁板上下两侧形成两个凹槽，所述接收线圈缠绕在所述中部磁板上；所述左磁板的中间位置设置有一与中部磁板相对的开口，中部磁板上靠近开口的一端设置有垂直于中部磁板的阻挡磁板，且开口的长度L1小于阻挡磁板的长度L2，所述交流轨道线包括两条，分别对应的穿过上下两个凹槽的中心，且两条交流轨道线内电流方向相反。
进一步的，所述交流轨道线通过支架支撑以保持水平，支架设置在轨道上，所述支架上设置有两个用以支撑交流轨道线的支架臂，所述支架臂伸入磁芯的凹槽内，且在所述支架上设置有缺口，左磁板上除去开口的剩余部分嵌设在所述缺口中。
进一步的，所述交流轨道线的外侧设置有硬质绝缘套管，硬质绝缘套管固定在支架臂上。
进一步的，所述支架采用刚性材质制作，以保证结构强度，防止变形。
进一步的，所述支架采用PC材质制作。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明针对无线供电系统拾取器磁芯结构进行了研究，设计了双G型磁芯结构，并与支架结构设计相配合，磁芯结构设计的特殊性相比传统E型磁芯，其传输效率至少提高30％以上，有效提高耦合机构的电能传输能力，提高系统输出功率；另外，磁芯为一体化结构，在减少漏磁现象，提高能量传输效率的同时，简化了安装维护的复杂度，使设备应用更加灵活，实用价值更高。
附图说明
图1为本发明实施例所述磁耦合机构的结构示意图；
图2为本发明实施例所述拾取器的结构示意图；
图3为本发明实施例传统E型磁芯的磁场线分布示意图；
图4为本发明实施例磁芯结构的磁场线分布示意图；
图5为本发明实施例所述磁芯与支架配合结构示意图；
图6为本发明实施例另一种磁芯结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚的理解本发明的上述目的和优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细地描述，需要说明的是，本实施例中所述的上、下、左、右等位置关系以图2所示方向为准，且位置关系仅做解释用，对具体方案并不做限定。
实施例、一种基于轨道无线供电系统的磁耦合机构，如图1-2所示，包括拾取器和交流轨道线3，所述拾取器包括磁芯1和接收线圈2，所述磁芯1包括由上磁板、左磁板、下磁板和右磁板顺次连接围成的一体式矩形框架，矩形框架内的中间位置设置有一平行于上磁板和下磁板的中部磁板，中部磁板上、下两侧形成两个凹槽，所述接收线圈2缠绕在所述中部磁板上，所述左磁板的中间设置有一与中部磁板相对的开口11，中部磁板上靠近开口11的一端设置有垂直于中部磁板的阻挡磁板，所述阻挡磁板的长度L1略大于开口11的长度L2；如图2所示，所述交流轨道线3包括两条，分别对应的穿过上下两个凹槽的中心，且两条交流轨道线3内电流方向相反。
对于现有轨道供电技术，由于交流轨道线缆自身具有一定质量，将其悬空时会导致每段线缆中间部分下垂，为了保证整条轨道线路处于同一水平面上，每间隔一小段距离就需要设置一个支架来支撑轨道线。每个支架的距离根据轨道线的参数随之变化，保证轨道线因自重产生的下垂不会影响拾取器滑动。因此，为保证拾取器能顺利滑动，磁芯必须设置开口，使磁芯能通过轨道线支架。磁芯开口必定会导致磁芯产生漏磁现象，降低耦合机构的能量传输效率，而不设置开口又无法相对轨道滑动。
具体的，本方案中，轨道6为可移动设备行进的固定路线，用电设备(可移动设备)悬挂于轨道6上并沿轨道6移动。在不影响用电设备移动的前提下，设置用来固定轨道线3的支架5，并在支架末端位置伸出两个细长支架臂，伸入拾取器磁芯凹槽，且所述支架5上设置有缺口，开口11将左磁板分割的部分恰好嵌入所述缺口中，为了进一步保证整条轨道线处于同一水平面，使用硬质绝缘套管4对交流轨道线3进行包裹后，再将交流轨道线3固定于支架臂上。
本方案所提出的磁耦合机构的工作原理如下：
需要说明的是，轨道无线供电系统是为可移动设备供电的，该系统允许用电设备在移动或静止时拾取电能。因此，磁芯1和接收线圈2的部分是与用电设备固定在一起的，并跟随着设备的延固定线路一起移动。交流轨道线3的线路与设备移动线路基本一致，因此，系统在运作时，磁芯1将沿着交流轨道3的路径移动。两条轨道线3中通入高频交流电，其周围产生高频交变磁场，磁场沿磁芯1形成磁路，进而使接收线圈2中感应出高频交流电，完成电能传输。其中，两条轨道线3处于磁芯1凹槽的中间位置，且两条轨道线3内的电流方向是相反的，因此两条轨道线产生的磁场在磁芯1中间部分是同一方向，相当于将单根轨道线的磁场加倍。
如图3所示，为传统E型磁芯的磁场线分布示意图，可以看到，磁芯开口处没有磁芯导磁，导致该结构具有较大的漏磁，且由于两侧轨道线磁场在该E型磁芯结构中上方有一定的抵消，导致漏磁更为严重。
如图4所示，为本发明实施例所述的磁芯结构类似于双G型，图4为磁芯磁场线分布示意图，由于双G型磁芯1左侧磁板的中间留有开口，且左磁板的磁芯壁突出于中部磁板，中部磁板的一端设置有垂直于其方向延伸的阻挡磁板，以更大的面积形成磁场回路，需要说明的是，该结构的开口宽度要保证拾取器能够顺利安装并且在拾取器滑动过程中与支架无摩擦、磕碰现象。从图4可以看出，该结构的磁芯在磁芯壁间存在空隙，该磁芯在导磁时，大部分磁路都在上侧的磁芯壁经空气间隙重新进入中间的磁芯壁，或者由中间磁芯壁经间隙进入上侧磁芯壁。上侧的两个磁芯壁末端虽有漏磁和磁场抵消现象，但由于大部分磁路已经在磁芯靠两侧的部分传输，上侧磁芯壁末端的磁路密度很小，所造成的的漏磁和磁场抵消也较弱。综上，该磁芯结构虽然仍设有磁芯开口，但基本无漏磁，导磁效果更佳。
如图5所示，与磁芯1的结构相配合，设计了支撑高频轨道线3的支架5，该支架从磁芯中部伸入，接近末端延磁芯结构分出两条支架臂用以支撑轨道线3，且在磁芯上方磁芯壁经过的位置开出两道缺口，使磁芯在滑动时能顺利通过支架。由于缺口及支架臂的存在，在支架5支撑轨道线3时，缺口处和支架臂根部受力会增加。为保证支架的机械强度，采用PC材料进行生产制造。该材料耐热，抗冲击，机械强度非常高，能够保证支架5不会由于受力问题导致变形损坏，与磁芯发生碰撞。
本发明中的磁芯结构相对于现有技术而言具有更好的聚磁效果，使得环绕交流轨道线缆3的磁场线能够尽可能的汇聚于双G型磁芯1内，降低了磁芯的漏磁问题，提高了供电装置的能量输出效率。且该磁芯为一体化结构，无需补充附加的磁芯结构，更便于设备的安装和维护。
对于本方案所提出的磁耦合机构，通过ANSYS软件实验建模分析发现，相对于传统的E型磁芯，在磁芯长度L、磁芯厚度相等，以及线圈各项参数都相同的前提下，本方案所提出的磁芯结构的耦合系数更高(本方案磁芯结构的耦合系数约为0.68，而传统的E型磁芯的耦合系数只有0.52)，耦合系数越高，其传输效率也就越高。如果将磁芯的开口L1减小或者将左磁板与阻挡磁板的间距L3相应的减小，又或者是增大阻挡磁板的长度L2，满足上述3个条件中的至少一个都会使耦合系数进一步增大，由此，本实施例所提出的磁芯结构的传输效率提升的更加显著。
具体实施时，对于参数大小根据实际情况和要求设定，比如L1小于20mm，L2大于25mm，L3小于5mm，具体参数方面在此不做限制。当然，除了本实施例所述的上述结构，在不脱离上述设计思路的前提下，还可以采用图6所示的磁芯结构形式，当然，相应的支架的结构也需要进行相应的适应性改进。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.基于轨道无线供电系统的磁耦合机构，所述轨道无线供电系统用以为可移动设备供电，可移动设备沿轨道(6)移动，所述磁耦合机构包括拾取器和交流轨道线(3)，所述拾取器固定在可移动设备上，所述拾取器包括磁芯(1)和接收线圈(2)，接收线圈(2)缠绕在磁芯(1)上，交流轨道线(3)穿过所述磁芯(1)设置，其特征在于：
所述磁芯(1)包括由上磁板、左磁板、下磁板和右磁板顺次连接围成的一体式框架，磁芯在磁芯壁间存在空隙，框架内的中间位置设置有一平行于上磁板和下磁板的中部磁板，中部磁板上下两侧形成两个凹槽，所述接收线圈(2)缠绕在所述中部磁板上；所述左磁板的中间位置设置有一与中部磁板相对的开口(11)，左磁板的磁芯壁突出于中部磁板，中部磁板上靠近开口(11)的一端设置有垂直于中部磁板的阻挡磁板，且开口(11)的长度L1小于阻挡磁板的长度L2，所述交流轨道线(3)包括两条，分别对应的穿过上下两个凹槽的中心，且两条交流轨道线(3)内电流方向相反；
所述交流轨道线(3)通过支架(5)支撑以保持水平，支架(5)从磁芯(1)中部伸入，支架(5)设置在轨道(6)上，所述支架(5)上设置有两个用以支撑交流轨道线(3)的支架臂，所述支架臂伸入磁芯(1)的凹槽内，且在所述支架(5)上设置有缺口，左磁板上除去开口(11)的剩余部分嵌设在所述缺口中。
2.根据权利要求1所述的基于轨道无线供电系统的磁耦合机构，其特征在于：所述交流轨道线(3)的外侧设置有硬质绝缘套管(4)，硬质绝缘套管(4)固定在支架臂上。
3.根据权利要求1或2所述的基于轨道无线供电系统的磁耦合机构，其特征在于：所述支架(5)采用刚性材质制作。
4.根据权利要求1或2所述的基于轨道无线供电系统的磁耦合机构，其特征在于：所述支架(5)采用PC材质制作。
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