CN110855015B - 一种用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构及其设计方法，适用于多种功率的无线充电场合，通过配置不同形状的辅助线圈可帮助线圈阵列产生在某一高度的均匀磁场，可保证在充电范围内的充电装置通过的磁场强度均匀，在智能家居、生产生活等应用场合，本发明实用性高、可实施性强，具有很好的经济性和社会意义。

Description

一种用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其是一种用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构及其设计方法。

背景技术

无线充电设备是未来无人化、智能化生活的重要设施之一。无线充电快捷、方便，大大减少了输电线路在日常生活中的空间位置，大大提高了人们的日常用电安全。但是无线充电的区域受到发射线圈的影响，需要将发射线圈和接收线圈完全对齐才能达到其最高的效率。

无线充电过程中的效率问题亟待解决，通过增加无线充电产生磁场的面积大小可以可靠地提高无线充电的使用范围。但是应当注意到，如果产生的磁场大小不够均匀可能会出现局部温度过高损坏用电设备等问题。因此，提高无线充电产生的磁场面积和保证磁场的均匀度需要一并得到重视，均匀磁场对于无线充电系统的大规模推广有着重要的意义，产生均匀磁场的装置设计及其控制策略成为了当前领域产业化急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构及其设计方法，通过配置不同形状的辅助线圈可帮助线圈阵列产生在某一高度的均匀磁场，可保证在充电范围内通过充电装置的磁场强度均匀。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构，包括：以田字形线圈为基本单元的线圈阵列和辅助线圈，线圈阵列使用任意形状的线圈，辅助线圈形状根据线圈阵列的空间磁场分布进行设计，大小与线圈阵列在空间中的排布方式有关，线圈阵列和辅助线圈由激励源A和激励源B激励，电流方向一致，均为顺时针或逆时针。

优选的，辅助线圈的形状设计与线圈阵列在空间中的磁场强度梯度分布图形状一致，大小取决于线圈阵列的空间分布。

优选的，线圈阵列的激励源A以及辅助线圈的激励源B，两激励源相位相同，但大小关系与所需要产生的均匀磁场的大小有关，其中连接线圈阵列的激励源A为定值，连接辅助线圈的激励源B的输出可调节，用以辅助产生均匀磁场。

相应的，一种用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构设计方法，包括如下步骤：

(1)基本磁场的产生：连通线圈阵列的激励源A开始工作，建立基本磁场，所设计得到的均匀磁场应不大于基本磁场的大小；

(2)辅助线圈的形状、大小、位置参数确立：辅助线圈形状应与空间中的磁场强度梯度分布图一致，线圈阵列的磁场强度梯度分布图可通过计算获得，辅助线圈的大小与线圈阵列在空间中的排布方式有关，辅助线圈的位置应当与线圈阵列处于同一平面；

(3)根据所需均匀磁场的大小确定激励源B的输出：根据设计所需的应用场景选择输出功率和产生均匀磁场的大小及其范围，通过数学关系确定激励源B的输出大小，获取需要的均匀磁场；

(4)系统的控制单元设置：通过检测装置，控制单元调节激励源B的输出，保证在一定高度的磁场强度均匀且强度达到所需大小。

优选的，步骤(2)中，辅助线圈的形状应当与线圈阵列产生的磁场分布梯度图一致，辅助线圈的大小以线圈基本单元为例进行给出；所述辅助线圈的四个顶点应当处于基本单元的对称轴上，辅助线圈的中心点与基本单元的中心点重合，并与线圈阵列处于同一平面上，基本单元按照对称轴建立直角坐标系；所述基本单元的辅助线圈形状与大小需满足下式：

L_e为基本单元内辅助线圈在直角坐标系下的曲线方程，R为圆形线圈的半径大小，α为空间位置角度的积分参数，x，y为基本单元直角坐标系下的横、纵坐标，H_U为产生的均匀磁场的磁场强度大小，I₁为激励源A在圆形线圈阵列中产生的电流，N为辅助线圈的匝数，I₂为激励源B在辅助线圈中产生的电流；

所述辅助线圈的四个顶点坐标分别为：(R+d/2,0),(0,R+d/2),(-R-d/2,0),(0,-R-d/2)，所述I₁与I₂的相角一致，d为相邻圆形线圈边与边之间的最短距离。

优选的，步骤(1)和步骤(3)中，线圈阵列设计的激励来源有两个，分别是供给线圈阵列的激励源A和供给辅助线圈的激励源B，激励源B可通过下式计算得到

式中，H_U代表在某一高度平面上产生的均匀磁场的磁场强度大小，R代表圆形线圈的半径大小，I₁为通过圆形线圈阵列的电流，I₂为通过辅助线圈的电流，两激励源的相角应该保持一致，α代表空间位置角度的积分参数，x，y代表空间中均匀磁场所在平面中的任一点P(x,y)的坐标。

优选的，步骤(4)中，先给定线圈阵列的激励源A大小，产生初始磁场，设定需要的均匀磁场大小后，计算得到辅助线圈所需的激励源B大小，再用程序输出的控制信号控制激励源B的输出，产生均匀磁场。

本发明的有益效果为：(1)实现过程简单，线圈设计严谨科学，通过在线圈阵列中添加设计好的辅助线圈，可实现较为理想的均匀磁场的获取；(2)输出模式多样化，通过配合调节激励源A、B的大小可控制输出的均匀磁场的大小以及输出的功率大小，可为智能家居中的微波炉、手机、电脑等电器提供能源；(3)均匀磁场产生装置可模块化，将多个均匀磁场产生装置进行拼接，理论上可将均匀磁场的范围无线延展，装置设置方法十分灵活，实用性较强；(4)用简单便捷可靠的方法即可产生均匀磁场，解决了一个无线充电系统产业化推进所面临的关键问题，在无线充电技术迅猛发展的环境下，该创新性设计迎合了市场需要，前景广阔。

附图说明

图1为本发明产生均匀磁场的线圈阵列示意图。

图2为本发明均匀磁场系统工作示意图。

图3为本发明用于矩形线圈阵列中的补偿装置设计图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构，包括：线圈阵列和辅助线圈，线圈阵列使用任意形状的线圈，辅助线圈形状根据线圈阵列的空间磁场分布进行设计，线圈阵列和辅助线圈由的激励源A和激励源B激励，电流方向一致，均为顺时针或逆时针。

圆形线圈的磁场为以圆形线圈中心为原点，呈放射状发散分布，随着距离原点距离的增加，其磁场强度呈梯度减小。线圈阵列为四圆形线圈产生的磁场梯度分布的集合，因此其磁场强度的分布梯度图为四个圆形线圈的磁场强度梯度分布图的叠加场。辅助线圈的形状应设计成线圈阵列在空间中的磁场强度梯度分布图形状。用来补偿空间中磁场强度较小的位置，减小空间中磁场强度较大的位置。在加入辅助线圈后，空间中线圈阵列的范围内，磁场强度基本一致，呈现出均匀磁场的特性。空间中磁场强度梯度分布图的形状可通过毕奥·萨伐尔定律计算得到，并通过相关仿真软件仿真得到。

线圈阵列的激励源A以及辅助线圈的激励源B，两激励源相位相同，但大小关系与所需要产生的均匀磁场的大小有关，其中连接线圈阵列的激励源A为定值，连接辅助线圈的激励源B的输出可控，用以辅助产生均匀磁场。

一种用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构设计方法，包括如下步骤：

(1)基本磁场的产生：连通线圈阵列的激励源A开始工作，建立基本磁场，所设计得到的均匀磁场应不大于基本磁场的大小；

(2)辅助线圈的形状、大小、位置参数确立：辅助线圈形状应与空间中的磁场强度梯度分布图一致，线圈阵列的磁场强度梯度分布图可通过计算获得，辅助线圈的大小与线圈阵列在空间中的排布方式有关，辅助线圈的位置应当与线圈阵列处于同一平面；

(3)根据所需均匀磁场的大小确定激励源B的输出：根据设计所需的应用场景选择输出功率和产生均匀磁场的大小及其范围，通过数学关系确定激励源B的输出大小，获取需要的均匀磁场；

(4)系统的控制单元设置：通过磁场检测装置，控制单元调节激励源B的输出，保证在一定高度的磁场强度均匀且强度达到所需大小。

步骤(1)中，先给定激励源A的大小，建立基本磁场。

步骤(2)中，辅助线圈的形状应设计成线圈阵列在空间中的磁场强度梯度分布图的形状，并与线圈阵列处于同一平面上。用来补偿空间中磁场强度较小的位置。空间中磁场强度梯度分布图的形状可通过毕奥·萨伐尔定律计算得到，并通过相关仿真软件仿真得到。圆形线圈的毕奥·萨伐尔定律计算公式如下：

式中，R代表圆形线圈的半径大小，α代表空间位置角度的积分参数，x，y，z代表空间中任一点P(x,y,z)的坐标，r为空间中任意一点P到线圈上任一线元之间的距离，dl1和dl2分别代表线圈阵列和辅助线圈的线元。根据上述公式，可得线圈阵列在空间中任一点的磁场强度为：

根据该公式，可计算得到空间中某一高度下的xy平面磁场强度的梯度分布图，补偿磁场应当与该磁场的梯度分布图呈反比关系以获得均匀磁场，因此辅助线圈产生的磁场强度梯度分布图可以确定下来，而单线圈的磁场强度梯度分布图与线圈的形状成正比分布，由此可确定辅助线圈的形状。

而辅助线圈的大小确定需要进一步计算，需产生的均匀磁场大小为：

则可计算得到L_e的大小为：

式中，H_U代表产生的均匀磁场的磁场强度大小，R代表圆形线圈的半径大小，I₁为通过圆形线圈阵列的电流，I₂为通过辅助线圈的电流，α代表空间位置角度的积分参数，L_e代表辅助线圈的有限磁路长度，x，y，z代表空间中任一点P(x,y,z)的坐标，r为空间中任意一点P到线圈上任一线元之间的距离，dl₁和dl₂分别代表线圈阵列和辅助线圈的线元。可以看出L_e的大小与所需产生的均匀磁场以及通过辅助线圈的电流大小有关，可通过磁场强度的分布梯度图计算得到辅助线圈的形状。

考虑到需要产生的均匀磁场需要进行拼接以获得更大面积的均匀磁场，因此，辅助线圈的四角应当处于圆形线圈阵列的对称轴上，辅助线圈的中心点与线圈阵列的中心点重合，为保证辅助线圈之间可紧密连接，设置辅助线圈的四顶点位于相邻圆形线圈的中点位置，顶点之间的线圈弧度与磁场强度梯度分布图的形状应一致，根据上述方法可得出辅助线圈的大小。若以线圈阵列的中心点位置为坐标原点建立方程，限定了激励源B的大小以后，辅助线圈大小及形状的公式可表达为：

式中，R为圆形线圈阵列的半径，d为相邻圆形线圈边与边之间的最短距离，选取过定点(R+d/2,0),(0,R+d/2),(-R-d/2,0),(0,-R-d/2)的曲线方程，即为辅助线圈的形状大小方程。

步骤(3)中，线圈阵列设计的激励来源有两个，分别是供给线圈阵列的激励源A和供给辅助线圈的激励源B，两个激励源的大小关系通过公式(8)计算得到：

式中，H_U代表产生的均匀磁场的磁场强度大小，I₁为通过圆形线圈阵列的电流，I₂为通过辅助线圈的电流，r为空间中任意一点P到线圈上任一线元之间的距离，dl₁和dl₂分别代表线圈阵列和辅助线圈的线元，激励源B的计算公式如(9)：

式中，H_U代表在某一高度平面上产生的均匀磁场的磁场强度大小，R代表圆形线圈的半径大小，I₁为通过圆形线圈阵列的电流，I₂为通过辅助线圈的电流，两激励源的相角应该保持一致，α代表空间位置角度的积分参数，x，y代表空间中均匀磁场所在平面中的任一点P(x,y)的坐标。

如图2所示，步骤(4)中，先给定线圈阵列的激励源A大小，产生初始磁场，设定需要的均匀磁场大小后，计算得到辅助线圈所需的激励源B大小，再用程序输出的控制信号控制激励源B的输出，产生需要的均匀磁场。

如图3所示，为矩形线圈阵列的均匀磁场补偿装置设计示意图。

本发明通过配置不同形状的辅助线圈可帮助线圈阵列产生在某一高度的均匀磁场，可保证在充电范围内通过充电装置的磁场强度均匀。

Claims (3)

1.一种用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基本磁场的产生：连通线圈阵列的激励源A开始工作，线圈阵列建立基本磁场，所设计得到的均匀磁场应不大于基本磁场的大小；

(2)辅助线圈的形状、大小、位置参数确立：辅助线圈形状应与空间中的磁场强度梯度分布图一致，线圈阵列的磁场强度梯度分布图可通过计算获得，辅助线圈的大小与线圈阵列在空间中的排布方式有关，辅助线圈的位置应当与线圈阵列处于同一平面；

(3)根据所需均匀磁场的大小确定激励源B的输出：根据设计所需的应用场景选择输出功率和产生均匀磁场的大小及其范围，通过数学关系确定激励源B的输出大小，获取需要的均匀磁场；线圈阵列设计的激励来源有两个，分别是供给线圈阵列的激励源A和供给辅助线圈的激励源B，激励源B可通过下式计算得到

式中，H_U代表在某一高度平面上产生的均匀磁场的磁场强度大小，R代表圆形线圈的半径大小，I₁为通过圆形线圈阵列的电流，I₂为通过辅助线圈的电流，两激励源的相角应该保持一致，α代表空间位置角度的积分参数，x，y代表空间中均匀磁场所在平面中的任一点P(x,y)的坐标；

(4)系统的控制单元设置：通过检测装置的反馈信号，控制单元调节激励源B的输出，保证在一定高度的磁场强度均匀且强度达到所需大小。

2.如权利要求1所述的用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构设计方法，其特征在于，步骤(4)中，先给定线圈阵列的激励源A大小，产生初始磁场，设定需要的均匀磁场大小后，计算得到辅助线圈所需的激励源B大小，再用程序输出的控制信号控制激励源B的输出，产生均匀磁场。

3.一种采用如权利要求1所述的设计方法实现的用于阵列发射线圈的均匀磁场补偿结构，其特征在于，包括：以田字形线圈为基本单元的线圈阵列和辅助线圈，线圈阵列使用任意形状的线圈，辅助线圈形状根据线圈阵列的空间磁场分布进行设计，线圈阵列和辅助线圈由激励源A和激励源B激励，电流方向一致，均为顺时针或逆时针；

辅助线圈的形状设计与线圈阵列在空间中的磁场强度梯度分布图形状一致，大小取决于线圈阵列的空间分布；

线圈阵列的激励源A以及辅助线圈的激励源B，两激励源相位相同，但大小关系与所需要产生的均匀磁场的大小有关，其中连接线圈阵列的激励源A为定值，连接辅助线圈的激励源B的输出可通过计算得到，用以辅助产生均匀磁场。

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