CN110911144B - 一种无线电能传输高效率单股线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线电能传输高效率单股线圈；它包括有导线体，所述单股线圈由单根所述导线体按照一定形式缠绕而成，所述导线体为截面呈子弹头形状的长条形导体，所述导线体包括有内支撑体和导电镀层，所述导电镀层包覆于所述内支撑体的外表面，所述内支撑体和所述导电镀层均为为塑性材料；所述导线体的截面包括有外端面、上平面、下平面和内弧面，所述外端面、所述上平面和所述下平面均为平面，所述内弧面为圆弧面；本发明提供的单股线圈，能够在较小的线圈直径下得到更大的传输效率，能够有效减小无线输电的体积和重量，将无线输电系统应用到更多场合。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线电能传输高效率单股线圈。
背景技术
无线电能传输是近年来新型的能量传输方式，和传统的有线输电方式相比，它拥有一些有线方式无法比拟的优势，在医疗器械、空间发电和日常生活中，它都有极其广阔的应用前景；无线电能传输借助特殊的设备将电源的电能转变为电磁场或电磁波等无线传播的能量，在接收端又将无线能量转变回电能，现有技术通常使用电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式，研究的方向主要包括提高传输功率、效率，减小无线输电系统的体积和重量，将无线输电系统应用到更多场合等；MHz级的高频无线电能传输，相比于几百KHz级别频率而言有着无可比拟的优势，比如能够实现更高效率、更远距离的电能输送，但MHz级别的无线输电系统设计相对而言难度更大，需要考虑的因素更多，对线圈的要求更高，因此，设计一种能够实现在更小线圈直径下有更大的传输效率的单股铜线圈是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种在较小线圈直径下有更大的传输效率的无线电能传输高效率单股线圈。
本发明的目的是这样实现的：一种无线电能传输高效率单股线圈，它包括有导线体，所述单股线圈由单根所述导线体按照一定形式缠绕而成，所述导线体为截面呈子弹头形状的长条形导体，所述导线体包括有内支撑体和导电镀层，所述导电镀层包覆于所述内支撑体的外表面，所述内支撑体和所述导电镀层均为为塑性材料；所述导线体的截面包括有外端面、上平面、下平面和内弧面，所述外端面、所述上平面和所述下平面均为平面，所述内弧面为圆弧面；所述导线体的截面为在确定线圈直径、两线圈间距、传输频率的情况下，以kQd作为优化指标，满足效率公式
的最佳线圈截面，其中dQd＝QT，QT为线圈功率因数，k为互感系数，d为线圈直径。
所述导线体为由3D打印得到的所述内支撑体和在所述内支撑体外表面镀铜得到的所述导电镀层组成。
所述镀铜厚度为50um。
所述导线体包括有保护绝缘层，所述保护绝缘层包覆于所述导电镀层的外表面。
所述保护绝缘层可为电容纸、黄蜡绸或者涤纶薄膜中的一种。
所述内支撑体可由ABS材料、橡胶类材料或铝材料经3D打印而成。
所述外端面高度为12mm，所述上平面和所述下平面宽度为9mm，所述内弧面的最右端的顶点到所述外端面的垂直距离为17.5mm。
所述导电镀层的材质可为铜、铝或者银中的一种。
本发明的有益效果：本发明设计了一种高效率单股线圈，该线圈在MHz级高频无线输电领域能够取得很高的电能传输效率，在接收线圈与发送线圈参数相同的情况下，若忽略逆变、斩波、整流及其他器件损失，可以将传输效率η表示为
其中QT为线圈功率因数，k为互感系数，令QT＝dQd，d为线圈直径，那么传输效率η可表示为
得到效率公式后，在确定线圈直径、两线圈间距、传输频率的情况下，就可以以kQd作为优化指标，得到最佳线圈截面；线圈截面可通过先确定线圈直径、两线圈间距和传输频率，再使用matlab的globalsearch对截面进行最优化，最终确定使kQd最大的线圈截面，得到最佳线圈截面后，可以使用3D打印将模型制作出来，再将模型表面镀铜，从而得到所需线圈；本发明提供的单股线圈，能够在较小的线圈直径下得到更大的传输效率，能够有效减小无线输电的体积和重量，将无线输电系统应用到更多场合。
附图说明
图1为本发明一种无线电能传输高效率单股线圈的示意图。
图2为本发明一种无线电能传输高效率单股线圈的俯视结构示意图。
图3为本发明一种无线电能传输高效率单股线圈的导线体横截面的示意图。
图4为本发明一种无线电能传输高效率单股线圈自带保护绝缘层的导线体截面的示意图。
图中：1、外端面 2、上平面 3、下平面 4、内弧面 5、内支撑体 6、导电镀层 7、导线体 8、保护绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
如图1-4所示，一种无线电能传输高效率单股线圈，它包括有导线体7，所述单股线圈由单根所述导线体7按照一定形式缠绕而成，所述导线体7为截面呈子弹头形状的长条形导体，所述导线体7包括有内支撑体5和导电镀层6，所述导电镀层6包覆于所述内支撑体5的外表面，所述内支撑体5和所述导电镀层6均为为塑性材料；所述导线体7的截面包括有外端面1、上平面2、下平面3和内弧面4，所述外端面1、所述上平面2和所述下平面3均为平面，所述内弧面4为圆弧面；所述导线体7的截面为在确定线圈直径、两线圈间距、传输频率的情况下，以kQd作为优化指标，满足效率公式
的最佳线圈截面，其中dQd＝QT，QT为线圈功率因数，k为互感系数，d为线圈直径。
本发明设计了一种高效率单股线圈，该线圈在MHz级高频无线输电领域能够取得很高的电能传输效率，在接收线圈与发送线圈参数相同的情况下，若忽略逆变、斩波、整流及其他器件损失，可以将传输效率η表示为
其中QT为线圈功率因数，k为互感系数，令QT＝dQd，d为线圈直径，那么传输效率η可表示为
得到效率公式后，在确定线圈直径、两线圈间距、传输频率的情况下，就可以以kQd作为优化指标，得到最佳线圈截面；线圈截面可通过先确定线圈直径、两线圈间距和传输频率，再使用matlab的globalsearch对截面进行最优化，最终确定使kQd最大的线圈截面，得到最佳线圈截面后，可以使用3D打印将模型制作出来，再将模型表面镀铜，从而得到所需线圈；本发明提供的单股线圈，能够在较小的线圈直径下得到更大的传输效率，能够有效减小无线输电的体积和重量，将无线输电系统应用到更多场合。
实施例2
如图1-4所示，一种无线电能传输高效率单股线圈，它包括有导线体7，所述单股线圈由单根所述导线体7按照一定形式缠绕而成，所述导线体7为截面呈子弹头形状的长条形导体，所述导线体7包括有内支撑体5和导电镀层6，所述导电镀层6包覆于所述内支撑体5的外表面，所述内支撑体5和所述导电镀层6均为为塑性材料；所述导线体7的截面包括有外端面1、上平面2、下平面3和内弧面4，所述外端面1、所述上平面2和所述下平面3均为平面，所述内弧面4为圆弧面；所述导线体7的截面为在确定线圈直径、两线圈间距、传输频率的情况下，以kQd作为优化指标，满足效率公式
的最佳线圈截面，其中dQd＝QT，QT为线圈功率因数，k为互感系数，d为线圈直径。
为了更好的效果，所述导线体7为由3D打印得到的所述内支撑体5和在所述内支撑体5外表面镀铜得到的所述导电镀层6组成；可以根据不同的应用场景，根据需要选用不同的材料由3D打印得到所述内支撑体5，灵活高效，可有效提高本发明的适用性，在所述内支撑体5外表面通过镀铜得到所述导电镀层6，可根据实际需求灵活控制镀膜的厚度，以符合相应的设计相求。
为了更好的效果，所述镀铜厚度为50um；50um的镀膜厚度能适应日常无线充电等多种应用场景，提高本发明的实用性。
为了更好的效果，所述导线体7包括有保护绝缘层8，所述保护绝缘层8包覆于所述导电镀层6的外表面；可根据需求在所述导线体7上提前设置所述保护绝缘层8，在具体应用时，根据需要再包裹不同的绝缘套，适应性更强。
为了更好的效果，所述保护绝缘层8可为电容纸、黄蜡绸或者涤纶薄膜中的一种；可根据线圈的不同技术要求选择不同类型的所述保护绝缘层8，其中电容纸耐热性能最好，涤纶薄膜最薄，黄蜡绸适用较大型的线圈。
为了更好的效果，所述内支撑体5可由ABS材料、橡胶类材料或铝材料经3D打印而成；根据不同的应用场景和线圈技术要求，可选用通用型的ABS材料、塑性好的橡胶类材料或者导电性能好的铝材料作为3D打印的耗材。
为了更好的效果，所述外端面1高度为12mm，所述上平面2和所述下平面3宽度为9mm，所述内弧面4的最右端的顶点到所述外端面1的垂直距离为17.5mm；该尺寸的所述导线体7能适应日常无线充电等多种应用场景，提高本发明的实用性。
为了更好的效果，所述导电镀层6的材质可为铜、铝或者银中的一种；可根据不同的应用场景和线圈技术要求，在综合考虑成本与性能的前提下，选用不同材质的金属作为所述导电镀层6的原材料。
本发明设计了一种高效率单股线圈，该线圈在MHz级高频无线输电领域能够取得很高的电能传输效率，在接收线圈与发送线圈参数相同的情况下，若忽略逆变、斩波、整流及其他器件损失，可以将传输效率η表示为
其中QT为线圈功率因数，k为互感系数，令QT＝dQq，d为线圈直径，那么传输效率η可表示为
得到效率公式后，在确定线圈直径、两线圈间距、传输频率的情况下，就可以以kQd作为优化指标，得到最佳线圈截面；线圈截面可通过先确定线圈直径、两线圈间距和传输频率，再使用matlab的globalsearch对截面进行最优化，最终确定使kQd最大的线圈截面，得到最佳线圈截面后，可以使用3D打印将模型制作出来，再将模型表面镀铜，从而得到所需线圈；本发明提供的单股线圈，能够在较小的线圈直径下得到更大的传输效率，能够有效减小无线输电的体积和重量，将无线输电系统应用到更多场合。
Claims (6)
1.一种MHz级别的无线电能传输高效率单股线圈，它包括有导线体（7），所述单股线圈
由单根所述导线体（7）按照一定形式缠绕而成，其特征在于：所述导线体（7）为截面呈子弹
头形状的长条形导体，所述导线体（7）包括有内支撑体（5）和导电镀层（6），所述导电镀层
（6）包覆于所述内支撑体（5）的外表面，所述内支撑体（5）的材质为ABS材料、橡胶类材料或
铝材料，所述导电镀层（6）的材质为铜、铝或者银中的一种；所述导线体（7）的截面包括有外
端面（1）、上平面（2）、下平面（3）和内弧面（4），所述外端面（1）、所述上平面（2）和所述下平
面（3）均为平面，所述内弧面（4）为圆弧面；在接收线圈与发送线圈参数相同的情况下，忽略
逆变、斩波、整流及其他器件损失，传输效率
表示为
，其中
为
线圈功率因数，
为互感系数，令
，
为线圈直径，那么传输效率
表示为
，线圈截面通过先确定线圈直径、两线圈间距和传输频率，以
作为优化指标，再使用matlab的globalsearch对截面进行最优化，最终确定使
最大的线圈截面，得到最佳线圈截面。
2.如权利要求1所述的一种MHz级别的无线电能传输高效率单股线圈，其特征在于，所述导线体（7）为由3D打印得到的所述内支撑体（5）和在所述内支撑体（5）外表面镀铜得到的所述导电镀层（6）组成。
3.如权利要求2所述的一种MHz级别的无线电能传输高效率单股线圈，其特征在于，所述导电镀层（6）的镀铜厚度为50um。
4.如权利要求1所述的一种MHz级别的无线电能传输高效率单股线圈，其特征在于，所述导线体（7）包括有保护绝缘层（8），所述保护绝缘层（8）包覆于所述导电镀层（6）的外表面。
5.如权利要求4所述的一种MHz级别的无线电能传输高效率单股线圈，其特征在于，所述保护绝缘层（8）为电容纸、黄蜡绸或者涤纶薄膜中的一种。
6.如权利要求1所述的一种MHz级别的无线电能传输高效率单股线圈，其特征在于，所述外端面（1）高度为12mm，所述上平面（2）和所述下平面（3）宽度为9mm，所述内弧面（4）的最右端的顶点到所述外端面（1）的垂直距离为17.5mm。
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