CN111371199B - 一种线圈可调式无线电能传输耦合机构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线圈可调式无线电能传输耦合机构及其设计方法，本发明的线圈可调式无线电能传输耦合机构包括发射端及接收端，所述发射端包括发射线圈及伸缩式支架，所述发射线圈由四个尺寸规格相同的圆形线圈交叠组成用于产生多自由度的磁场，所述伸缩式支架包括在平面上相互垂直的四个支撑杆，每个所述支撑杆上安装一个所述的圆形线圈；所述接收端结构包括一个接收线圈和磁芯：所述接收线圈为方形环路线圈用于耦合发射线圈接收能量，所述接收线圈表面刷有绝缘层，其上平面与磁芯下平面平行，两者在距离上贴合。本发明具有灵活满足多种传输需求的优点。

Description

一种线圈可调式无线电能传输耦合机构及其设计方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种线圈可调式无线电能传输耦合机构及其设计方法。

背景技术

无线电能传输技术是目前比较新型的电能传输技术之一，可通过空气等媒介，避开电缆线的直接物理连接实现能量的有效传递，依托感应、磁耦合谐振、微波等技术可实现传输距离为几厘米至几米，传输功率几瓦至几十千瓦，完全可满足电动汽车充放电功率和距离的需求，同时也具备了供电方式灵活，绿色环保、无接触电火花、充电过程中无人工插拔操作、无机构磨损等一系列优点。

磁耦合谐振式无线电能传输由于其较感应式传输距离更远且能获得较大的传输效率，近年来获得广泛的关注。耦合机构的设计是磁耦合谐振式无线电能传输系统的关键组成部分，高性能的耦合机构可以增加能量的传输距离、提高系统的传输效率、增加传输系统的抗偏移能力。通常会在原边线圈与副边线圈的工作回路中添加谐振电容，根据原边和副边耦合机构中电容与线圈的连接方式，将耦合机构的种类SS、SP、PS和PP四种类型，其中S代表电容与线圈串联连接，P代表电容与线圈并联连接。

无线电能传输系统由于其发射端和接收端分离，所以经常发生线圈无法完全对准的情况，甚至在某些特定的场合，需要在一定的传输特性下允许接收端能够在一定的范围内偏移。而传统的无线电能传输磁耦合机构设计通常磁路被设计成固定式，其适用范围较小。当应用需求发生变化时，需要重新设计耦合机构，增加了成本。所以设计能够满足较大的适用范围的磁耦合机构，当传输需求发生改变时，能灵活地产生较强的耦合或满足不同范围的抗偏移能力耦合机构，是呈待解决的问题。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种线圈可调式无线电能传输耦合机构及其设计方法，实现多种需求场景的无线电能传输。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种线圈可调式无线电能传输耦合机构，包括发射端及接收端，所述发射端包括发射线圈及伸缩式支架，所述发射线圈由四个尺寸规格相同的圆形线圈交叠组成用于产生多自由度的磁场，所述伸缩式支架包括在平面上相互垂直的四个支撑杆，每个所述支撑杆上安装一个所述的圆形线圈；所述接收端结构包括一个接收线圈和磁芯：所述接收线圈为方形环路线圈用于耦合发射线圈接收能量，所述接收线圈表面刷有绝缘层，其上平面与磁芯下平面平行，两者在距离上贴合。

进一步地，所述发射端的四个圆形线圈由利兹线绕至而成，且四个圆形线圈串联连接。

进一步地，所述发射端的四个圆形线圈尺寸相同且相互交叠放置，单个线圈的半径为r通过以下方法确定：当耦合机构的传输距离为z,根据磁场大小H与发射线圈尺寸与传输距离的关系，设定：

此时可获得满足发射端与接收端的耦合需求的磁场强度H。

进一步地，所述发射端的四个圆形线圈的圆心坐标与接收线圈的几何中心可移动区域之间的关系为：设发射端的单个线圈的圆心坐标为(x_m,y_m)(其中m＝1，2，3，4)，令各发射线圈圆心只在所处坐标象限中沿与坐标轴夹角45°方向移动且移动的距离相同，设移动距离为ΔL，则移动的范围为ΔL＝0～r，进而得出接收线圈的几何中心可移动区域为边长为d的正方形，其中

各发射线圈的圆心坐标为：

上述线圈可调式无线电能传输耦合机构的设计方法，该方法包括如下步骤：

(1)确定所需无线电能传输特性需求，包括线圈电流和传输功率；根据所需线圈电流和传输功率与互感关系的表达式，确定合适的电源电压等级，谐振频率，并依据线圈电流、谐振频率和线圈的半径与线径选定单股利兹线的线径和股数；

(2)按具体实施场景与传输特性目标确定接收线圈几何中心的可移动范围，即求出该实施场景的传输距离下满足传输功率、效率要求的互感范围，该接收线圈几何中心的可移动范围为边长为d的正方形区域；

(3)确定发射端的四个圆形线圈的交叠区域，该交叠区域也为一个边长为d的正方形区域，设置圆形发射线圈的起始位置在原点，则可移动支撑杆需要在各自象限与轴夹角45°方向上的位移的距离ΔL如下式所示：

进而得到发射线圈各圆心的坐标：

然后取出可移动伸缩支架上的紧固螺栓，根据所需对准刻度移动四个支撑杆移动ΔL的距离，最后拧紧四个紧固螺栓，使四个发射线圈交叠范围固定。

有益效果：

本发明提供一种具有高自由度的无线电能传输耦合机构，通过调整发射端发射线圈的交叠位置，使得磁耦合机构传输的磁路灵活变化，既可以按照需求完全交叠产生具有高耦合系数的磁耦合机构，又可以按照需求产生部分交叠的具有一定抗偏移能力的磁场，实现在发射端和接收端不对准情况下，依然可以具有较好的传输性能。该设计具有灵活满足多种传输需求的优点。

附图说明

图1是本发明提供的一种线圈可调式无线电能传输耦合机构的结构示意图；

图2是本发明的满足接收端一定偏移范围的发射端发射线圈交叠参数示意图；

图3是本发明的满足最高耦合系数时的发射端发射线圈交叠参数示意图；

图4是本发明的满足接收端最大偏移范围时发射端发射线圈交叠参数示意图；

图5是SS型补偿拓扑电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请提供的磁耦合机构设计做详细说明。

如图1所示，一种线圈可调式无线电能传输耦合机构，包括：发射端结构和接收端结构。发射端结构分为发射线圈和带有刻度的可移动支架，所述发射线圈由四个尺寸规格相同的圆形线圈交叠组成用于产生多自由度的磁场，所述带有刻度的可移动支架包括带有刻度的支撑杆和紧固螺栓，四个支撑杆在平面上相互垂直，可在沿杆方向进行一定范围的伸缩，所述支撑杆和紧固螺栓用于在一定范围内调节和固定发射线圈的位置；接收端结构分为单个接收线圈和磁芯：所述接收线圈为方形环路线圈用于耦合发射线圈接收能量，接收线圈表面刷有绝缘层，其上平面与磁芯下平面平行，两者在距离上贴合。

发射端四个圆形线圈由利兹线绕至而成，四个线圈串联连接，且每个线圈的绕向使得产生的磁场方向一致，起增磁的作用。

发射端射线圈尺寸相同且相互交叠放置，线圈的参数设计由传输距离和传输特性相关参数决定，为获得较大的磁场强度H以满足发射端与接收端的耦合需求，线圈的半径设为：

四个发射线圈位置可以通过带有刻度的可移动伸缩式支架进行位置的精确调节，设单个线圈的圆心坐标为(x_m,y_m)(其中m＝1，2，3，4)，如图2所示，各发射线圈圆心只在所处坐标象限中沿与坐标轴夹角45°方向移动且移动的距离相同，设移动距离为ΔL，则移动的范围为ΔL＝0～r，进而得出接收线圈的几何中心可移动区域为边长为d的正方形，其中

基于上述线圈可调式无线电能传输耦合机构的设计方法，包括如下步骤：

1)，确定所需无线电能传输特性需求，包括线圈电流和传输功率。在电路补偿拓扑设计时，除了考虑上述因素，还应考虑补偿器件的多少和控制的难易程度。因为本申请提供的多自由度磁耦合机构具有较大的灵活性，在调整中电路参数会发生较大的变化，相应的补偿拓扑的参数也应做出相应的调整，所以针对本申请，采用较少补偿元件的低阶补偿拓扑最为适合。同时低阶补偿拓扑易于控制实现，且能量损耗较少。低阶补偿拓扑可在SS,SP,PP,PS拓扑中选择，在本例中考虑到SP,PP,PS中的谐振电容均和互感M有关系，而且本例以图2为例考虑较为复杂传输需求(有较高的耦合系数同时也具备一定的抗偏移能力)，偏移时互感M会有变动会导致谐振电容变化引起谐振频率点偏移影响功率传输，所以本例选择SS拓扑最合适。根据SS拓扑电路可以得到发射线圈电流和输出功率的表达式如式(1)、(2)所示：

其中I_P为发射线圈电流，R_S为电源内阻，R₁为发射线圈内阻，R₂为接收线圈内阻，R_L为负载等效电阻。

对于单匝圆形线圈，其电感计算表达式可近似为：

其中，r为导线半径，s为导线线径，μ₀是真空的磁导率，μ₀＝4π×10^-7；r与s的比值越大，上述公式精度越高，故设计时在满足效率的前提下使线圈半径与导线线径的比值尽可能大。

根据所需线圈电流和传输功率的表达式，确定合适的电源电压等级，谐振频率。并依据电流、频率和线圈的半径与线径选定单股利兹线的线径和股数。

2)，按具体实施场景与传输特性目标确定接收线圈几何中心的可移动范围。以图2为例，当应用场景需要接收端能够在边长为d的正方形范围内都能保持良好的传输性能时，则确定发射线圈交叠范围如图2阴影部分所示。

3)，在步骤2中所确定的交叠范围边长为d，设置圆形发射线圈的起始位置在原点，则可移动支撑杆需要在各自象限与轴夹角45°方向上的位移的距离如下式所示

进而得到发射线圈各圆心的坐标：

首先取出可移动伸缩支架上的紧固螺栓，根据所需对准刻度移动四个支撑杆移动ΔL的距离，最后拧紧四个紧固螺栓，使四个发射线圈交叠范围固定。

以上所述仅是本发明的技术方案，不能以此限定本发明的保护范围。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，依然可以对本发明做出修改和等同替换，其均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种线圈可调式无线电能传输耦合机构，其特征在于，包括发射端及接收端，所述发射端包括发射线圈及伸缩式支架，所述发射线圈由四个尺寸规格相同的圆形线圈交叠组成用于产生多自由度的磁场，所述伸缩式支架包括在平面上相互垂直的四个支撑杆，每个所述支撑杆上安装一个所述的圆形线圈；所述接收端包括一个接收线圈和磁芯：所述接收线圈为方形环路线圈用于耦合发射线圈接收能量，所述接收线圈表面刷有绝缘层，其上平面与磁芯下平面平行，两者在距离上贴合。

2.根据权利要求1所述的线圈可调式无线电能传输耦合机构，其特征在于，所述发射端的四个圆形线圈由利兹线绕至而成，且四个圆形线圈串联连接。

3.根据权利要求1所述的线圈可调式无线电能传输耦合机构，其特征在于，所述发射端的四个圆形线圈尺寸相同且相互交叠放置，单个线圈的半径为r通过以下方法确定：当耦合机构的传输距离为z,根据磁场大小H与发射线圈尺寸与传输距离的关系，设定：

此时可获得满足发射端与接收端的耦合需求的磁场强度H。

4.根据权利要求1所述的线圈可调式无线电能传输耦合机构，其特征在于，所述发射端的四个圆形线圈的圆心坐标与接收线圈的几何中心可移动区域之间的关系为：设发射端的单个线圈的圆心坐标为(x_m,y_m)，其中m＝1，2，3，4，令各发射线圈圆心只在所处坐标象限中沿与坐标轴夹角45°方向移动且移动的距离相同，设移动距离为ΔL，则移动的范围为ΔL＝0～r，进而得出接收线圈的几何中心可移动区域为边长为d的正方形，其中

各发射线圈的圆心坐标为：

5.一种权利要求1-4之一所述线圈可调式无线电能传输耦合机构的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)确定所需无线电能传输特性需求，包括线圈电流和传输功率；根据所需线圈电流和传输功率与互感关系的表达式，确定合适的电源电压等级，谐振频率，并依据线圈电流、谐振频率和线圈的半径与线径选定单股利兹线的线径和股数；

(2)按具体实施场景与传输特性目标确定接收线圈几何中心的可移动范围，即求出该实施场景的传输距离下满足传输功率、效率要求的互感范围，该接收线圈几何中心的可移动范围为边长为d的正方形区域；

(3)确定发射端的四个圆形线圈的交叠区域，该交叠区域也为一个边长为d的正方形区域，设置圆形发射线圈的起始位置在原点，则可移动支撑杆需要在各自象限与轴夹角45°方向上的位移的距离ΔL如下式所示：

进而得到发射线圈各圆心的坐标：

然后取出可移动伸缩支架上的紧固螺栓，根据所需对准刻度移动四个支撑杆移动ΔL的距离，最后拧紧四个紧固螺栓，使四个发射线圈交叠范围固定。

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