CN112421799A - 应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，包括：至少一个隐极型供电导轨模块(100)，每个隐极型供电导轨模块(100)之间通过谐振补偿电容箱连接，每个隐极型供电导轨模块中包含至少一个导轨单体(110)，其中，导轨单体(110)包括极靴(111)、磁轭(112)和绕组(113)，极靴位于磁轭行进方向上的两端，绕组缠绕至磁轭上。该隐极型供电导轨解决了现有的动态无线供电系统中，双极型供电导轨存在的结构高度大、磁芯成本高、对磁芯安装间隙敏感度高、供电稳定性差、工程模块化设计难度高等缺点，同时，提高了工作效率，更适用于1kW～200kW范围的移动设备动态无线供电应用中。

Description

应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道

技术领域

本发明涉及移动设备动态无线供电技术领域，特别涉及一种应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道。

背景技术

随着低碳环保、绿色节能意识的增强，越来越多的移动运输设备采用电能作为其动力来源。但传统的有线充电方式存在密封性要求高、易接触不良甚至短路、设备沉重使用不便等问题，且随着功率需求增大和电动移动设备数量的增加，有线充电设备的投入和维护成本显著增大。

动态无线供电方式能很好地解决这些问题，具有密封性好、非接触式供电、使用灵活等优点。动态无线供电系统可铺设在移动设备的行驶路径下方，可以给任意携带匹配接收端的移动设备进行电能供给，极大减小了额外的占地面积。在移动设备行驶过程中同时进行供电，不仅显著降低了装载电池的功率和容量需求，减少了电池成本，还避免了传统充电所需的较长的等待时间，提高了使用体验。

目前已有研究机构提出了多种可用于移动设备动态无线供电的供电轨道结构，按结构和工作方式可分为长线圈型、小线圈阵列型、双极型三种。其中双极型相比另两类供电导轨，具有磁耦合能力强、漏磁小、结构宽度小等优点，典型结构包括I型、S型、N型等。但是这些结构对于1kW级以上的应用还存在结构高度大、磁芯成本高、对磁芯安装间隙敏感度高、供电稳定性差等缺点，且工程化应用中对供电轨道进行分段模块化设计难度较高，模块安装和密封产生的连接间隙会导致功率传输能力大幅下降。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道。

为达到上述目的，本发明实施例提出了应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，包括：至少一个隐极型供电导轨模块100，每个隐极型供电导轨模块100之间通过谐振补偿电容箱连接，每个隐极型供电导轨模块中包含至少一个导轨单体110，其中，导轨单体110包括极靴111、磁轭112和绕组113，所述极靴位于所述磁轭行进方向上的两端，所述绕组缠绕至所述磁轭上。

本发明实施例的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，无需极身结构，高度更小，磁芯损耗更小，有利于保证路面强度和减少施工成本，有效提高工作效率，更适用于1kW～200kW范围的移动设备动态无线供电应用中，另外，隐极型供电导轨允许相邻模块之间存在较大空隙，便于制作外壳及进行内部密封，且空隙对隐极型供电导轨的耦合能力和功率传输能力几乎没有影响。

另外，根据本发明上述实施例的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述极靴111为两块铁氧体平板磁芯或由铁氧体磁芯块拼接成的平板形。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述磁轭112为铁氧体长条型磁芯或由铁氧体磁芯块拼接成的长条形。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述极靴111的宽度大于或等于所述磁轭112的宽度，所述极靴111的长度小于0.5倍的相邻单体中心距与所述绕组沿行进方向的长度的差。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述磁轭112的宽度和厚度以工作时所述磁轭112中的磁通密度小于长条型磁芯的磁饱和为限制条件进行设计。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述绕组113包含励磁绕组和回流线缆两部分，所述绕组的材料为Litz线。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述励磁绕组由一根线缆围绕所述磁轭112绕制组成，进线和出线在所述磁轭112的同一侧，所述回流线缆设置在所述磁轭112的另一侧。

进一步地，在本发明的一个实施例中，相邻导轨单体的励磁绕组匝数相同、绕向相反。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的导轨单体的磁芯结构爆炸图；

图3是本发明一个实施例的导轨单体的绕组结构示意图；

图4是本发明一个实施例的隐极型供电导轨模块的连接示意图；

图5是本发明一个实施例的隐极型供电导轨与两通道两绕组接收端组合示意图；

图6是本发明一个实施例的两通道两绕组接收端电路连接图示意图；

图7是本发明一个实施例的隐极型供电导轨的工作磁场分布图。

附图标记说明：

100-隐极型供电导轨模块、110-导轨单体、111-极靴、112-磁轭和113-绕组。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道。

图1是本发明一个实施例的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道的结构示意图。

如图1所示，该模块化隐极型供电导轨包括：至少一个隐极型供电导轨模块100，每个隐极型供电导轨模块之间通过谐振补偿电容箱连接，每个隐极型供电导轨模块100中包含至少一个导轨单体110，其中，导轨单体包括极靴111、磁轭112和绕组113，极靴111位于磁轭112行进方向上的两端，绕组113缠绕至磁轭112上。

具体地，如图2所示，隐极型供电导轨模块100中的导轨单体110主要包含磁芯结构和绕组，其中，磁芯结构中包含极靴111和磁轭112，极靴111位于导轨单体的磁轭112沿行进方向上的两端，为两块平板磁芯，磁芯材料为铁氧体，极靴111宽度大于或等于磁轭112宽度，长度小于0.5*(相邻单体中心距—绕组沿行进方向的长度)；磁轭112为长条型磁芯，磁芯材料为铁氧体，磁轭112宽度和厚度以工作时磁轭中的磁通密度小于磁芯的磁饱和限制为条件进行设计，从上到下观察磁轭则长度逐渐减小。若磁轭112由固定尺寸的磁芯块拼接而成，则从上到下磁芯块数量逐渐减小。进一步地，如图3所示，绕组113包含励磁绕组和回流线缆两部分，绕组材料为Litz线，其中，励磁绕组由一根线缆围绕磁轭绕制而成，进线和出线在磁轭的同一侧，相邻单体的励磁绕组匝数相同、绕向相反。在磁轭另一侧设置一根回流线缆。

如图4所示，本发明在实际应用中每个隐极型供电导轨模块100均会做一个外壳，隐极型供电导轨模块100里的线都会在外壳两端做成连接端子，具体地，一个隐极型供电导轨模块可包含一个或多个导轨单体110，隐极型供电导轨模块内的励磁绕组或回流线缆均为一根线缆制成，绕组连至隐极型供电导轨模块两侧对应的励磁线缆端子和回流线缆端子，一个隐极型供电导轨模块的励磁线缆端子和回流线缆端子连接谐振补偿电容箱的进线端子后，其出线端子相应连至相邻模块的励磁线缆端子和回流线缆端子或短接。在一个动态无线供电系统中，由至少一个隐极型供电导轨模块通过以上连接组成一个供电分段，供电分段始端的隐极型供电导轨模块一端的励磁线缆端子和回流线缆端子连接至供电逆变源的输出端。

需要说明的是，只要是多个隐极型供电导轨模块100构成一段供电路段，连接既可以是“隐极型供电导轨模块+谐振补偿电容箱+隐极型供电导轨模块+谐振补偿电容箱+隐极型供电导轨模块”，也可以是“隐极型供电导轨模块+隐极型供电导轨模块+谐振补偿电容箱+隐极型供电导轨模块”，也可以是“隐极型供电导轨模块+隐极型供电导轨模块+隐极型供电导轨模块+谐振补偿电容箱”等等，在此不做具体限定，本领域技术人员可以根据供电的路段长度、使用的补偿电容箱个数、制作外壳和工程部署能接受的模块长度等需求进行设定。

进一步需要说明的是，如图5所示，本发明实施例可对单通道(或多通道)、每个通道含单绕组(或多绕组、相邻绕组绕向相反)的接收端产生有效功率传输，但要求相邻导轨模块之间的中心距等于每个通道的相邻绕组之间的中心距。如图6所示，每个通道的接收端连接至谐振补偿电容和整流电路后并联输出至负载。

如图7所示，本发明实施例工作时，由于相邻隐极型供电导轨模块100的绕组绕向相反，相邻隐极型供电导轨模块100产生的磁场方向也相反，但相邻区域对上方空间产生的磁场方向相同。若将向上方向的磁场称为N极，向下方向的磁场称为S极，则沿行进方向看整个供电导轨将产生N极S极交替出现的磁场，接收端每个通道相邻绕组的绕向相反，因此供电导轨的每个磁极的磁场在接收端每个绕组中产生的感应电压同相叠加。

综上，本发明实施例提出的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道相对于现有的双极型供电导轨具有以下优点：

1、隐极型供电导轨无需极身结构，通过相邻隐极型供电导轨模块的绕组共同作用产生与现有的双极型供电导轨相同的磁极分布，相同条件下，本发明的高度更小，在工程应用中埋设到路面下时，对路面的施工深度较小，有利于保证路面强度和减少施工成本。

2、因无需极身结构，极靴和磁轭相对于现有的双极型供电导轨尺寸更小，因此本发明的磁芯用量小于现有的双极型供电导轨，即隐极型供电导轨的磁芯成本小于现有的双极型供电导轨。

3、因隐极型供电导轨的磁芯成本小于现有的双极型供电导轨，工作时产生的磁芯损耗更小，且制作模块化外壳后绕组和磁芯距离壳体较近，便于进行散热设计，因此隐极型供电导轨的工作效率优于现有的双极型供电导轨，更适用于1kW～200kW范围的移动设备动态无线供电应用中，且可应用的工作频率范围为10～500kHz。

4、空隙会导致双极型供电导轨的耦合能力和功率传输能力急剧下降，现有的双极型供电导轨不允许相邻磁极之间存在较大空隙，难以制作外壳和进行内部密封。然而本发明允许相邻模块之间存在较大空隙，便于制作外壳及进行内部密封，且空隙对隐极型供电导轨的耦合能力和功率传输能力几乎没有影响。

5、由于隐极型供电导轨的耦合能力和功率传输能力几乎不受相邻模块之间空隙影响，因此不同相邻模块间的不同空隙几乎不会导致的耦合能力和功率传输能力降低情况不同，在行进方向上，隐极型供电导轨的功率传输稳定性高于现有的双极型供电导轨。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，其特征在于，包括：至少一个隐极型供电导轨模块(100)，每个隐极型供电导轨模块(100)之间通过谐振补偿电容箱连接，每个隐极型供电导轨模块中包含至少一个导轨单体(110)，其中，导轨单体(110)包括极靴(111)、磁轭(112)和绕组(113)，所述极靴位于所述磁轭行进方向上的两端，所述绕组缠绕至所述磁轭上。

2.根据权利要求1所述的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，其特征在于，所述极靴(111)为两块铁氧体平板磁芯或由铁氧体磁芯块拼接成的平板形。

3.根据权利要求1所述的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，其特征在于，所述磁轭(112)为铁氧体长条型磁芯或由铁氧体磁芯块拼接成的长条形。

4.根据权利要求1所述的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，其特征在于，所述极靴(111)的宽度大于或等于所述磁轭(112)的宽度，所述极靴(111)的长度小于0.5倍的相邻单体中心距与所述绕组沿行进方向的长度的差。

5.根据权利要求1所述的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，其特征在于，所述磁轭(112)的宽度和厚度以工作时所述磁轭(112)中的磁通密度小于长条型磁芯的磁饱和为限制条件进行设计。

6.根据权利要求1所述的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，其特征在于，所述绕组(113)包含励磁绕组和回流线缆两部分，所述绕组的材料为Litz线。

7.根据权利要求6所述的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，其特征在于，所述励磁绕组由一根线缆围绕所述磁轭(112)绕制组成，进线和出线在所述磁轭(112)的同一侧，所述回流线缆设置在所述磁轭(112)的另一侧。

8.根据权利要求1所述的应用于移动设备动态无线供电的模块化隐极型供电轨道，其特征在于，相邻导轨单体的励磁绕组匝数相同、绕向相反。

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