CN112421800B - 应用于动态无线供电的模块化两通道隐极型接收线圈 - Google Patents

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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两通道隐极型接收线圈，包括多个隐极型接收线圈模块(100)，多个隐极型接收线圈模块(100)沿侧移方向等距排布，每个隐极型接收线圈模块(100)包括磁轭(101)、绕组D(102)、绕组Q(103)和屏蔽铝板(104)，其中，绕组D(102)和绕组Q(103)均缠绕在磁轭(101)上，屏蔽铝板(104))覆盖于上述其余部件上方。本发明解决了现有的动态无线供电系统中，现有两通道接收线圈存在的尺寸重量大、材料用量大、成本高、空间利用率低、抗侧移能力有限的缺点，可适用于与任意双极型供电导轨或能在行进方向上产生双极型特征磁场的发射线圈进行有效耦合传输。

Description

应用于动态无线供电的模块化两通道隐极型接收线圈
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两通道隐极型接收线圈。
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。但是由于这些结构在行进方向上交替出现两种磁极，传统的单通道接收线圈移动到两种磁极的过渡位置时耦合系数极低，该现象被称为“耦合零点”。针对这一问题，先后提出了两通道DD型、两通道DDQ型、两通道OQO型等接收线圈，原理均为通过一个通道的耦合峰值弥补另一个通道的耦合谷值。但是这些结构存在尺寸大、材料用量大、成本高、空间利用率低、抗侧移能力有限的缺点。
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两通道隐极型接收线圈。
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两通道隐极型接收线圈，包括多个隐极型接收线圈模块100，所述多个隐极型接收线圈模块100沿侧移方向等距排布，每个隐极型接收线圈模块100包括磁轭101、绕组D102、绕组Q103和屏蔽铝板104，其中，所述绕组D102 和所述绕组Q103均缠绕在所述磁轭101上，所述屏蔽铝板104覆盖于所述磁轭101、所述绕组D102和所述绕组Q103的上方。
本发明实施例的应用于移动设备动态无线供电的模块化两通道隐极型接收线圈，尺寸更小、用线量更小、成本更低，更适用于1kW～200kW范围的移动设备动态无线供电应用中，另外，可以根据功率传输的抗侧移能力需求选择两通道隐极型接收线圈模块数量，各模块沿侧移方向等距排布，模块间最远中心距等于需求的抗侧移距离的2倍。
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两通道隐极型接收线圈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，所述磁轭101为长条形铁氧体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，所述磁轭101的宽度和厚度以工作时所述磁轭中的磁通密度小于磁芯材料的磁饱和限制为条件进行设计。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述绕组D102中含1个子绕组，所述绕组Q103中含2个子绕组。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述绕组D102和所述绕组Q103的材料均为Litz线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述绕组D102的中心与所述磁轭101的中心一致，所述绕组Q103的每个子绕组与所述绕组D102的中心距等于0.5倍的供电导轨相邻磁极的中心距。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述绕组Q103中的2个子绕组由一根线缆绕制而成，绕向相反。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述每个隐极型接收线圈模块的D绕组102串联相接，每个绕组中的电流围绕各自隐极型接收线圈模块中磁轭101的方向相同；所述每个隐极型接收线圈模块的Q绕组103串联相接，每个绕组中的电流围绕各自隐极型接收线圈模块中磁轭101的方向相同。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述屏蔽铝板104的厚度需大于接收线圈工作频率下铝板材料的趋肤深度，其中，所述趋肤深度δ的计算公式为：
Figure GDA0003223592130000021
式中，μ0为真空磁导率，μr为铝板材料的相对磁导率，σ为铝板材料的电导率，f为接收线圈的工作频率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，使用多个隐极型接收线圈模块时，每个隐极型接收线圈模块100的上方均覆盖一个屏蔽铝板104，每个屏蔽铝板的长度和宽度均大于所述磁轭102长度和宽度，但小于所述多个隐极型接收线圈模块的安装空间长度和宽度；
或使用多个隐极型接收线圈模块时，只使用一个屏蔽铝板104覆盖在所有隐极型接收线圈模块100的上方，该屏蔽铝板的长度和宽度均大于所有隐极型接收线圈模块形成的整体长度和宽度，但小于所述多个隐极型接收线圈模块的接收线圈安装空间长度和宽度。
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两通道隐极型接收线圈的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的采用两个隐极型接收线圈模块的位置关系示意图；
图3是本发明一个实施例的接收线圈模块绕组D与双极型供电导轨耦合时的磁场分布图；
图4是本发明一个实施例的接收线圈模块绕组Q与双极型供电导轨耦合时的磁场分布图；
图5是本发明一个实施例的使用单模块和双模块的耦合互感与侧移距离关系示意图；
图6是本发明一个实施例的采用多模块的两通道隐极型接收线圈的系统电路图。
附图标记说明：
100-隐极型接收线圈模块、101-磁轭、102-绕组D、103-绕组Q和104-屏蔽铝板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述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两通道隐极型接收线圈。
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两通道隐极型接收线圈的结构示意图。
如图1所示，该模块化两通道隐极型接收线圈包括：多个隐极型接收线圈模块100，多个隐极型接收线圈模块100沿侧移方向等距排布，每个隐极型接收线圈模块100包括铁氧体磁芯组成的磁轭101、含1个子绕组的绕组D102、含2个子绕组的绕组Q103和屏蔽铝板104。
其中，绕组D102和绕组Q103均缠绕在磁轭101上，屏蔽铝板104覆盖于磁轭101、绕组D102和绕组Q103的上方。
具体地，磁轭101为长条形磁芯或由磁芯块拼接成长条形，磁轭101长度要求大于双极型供电导轨相邻磁极的中心距，且小于实际允许的接收线圈安装空间长度。磁轭101的宽度和厚度以工作时磁轭中的磁通密度小于磁芯材料的磁饱和限制为条件进行设计。
具体地，绕组D102和绕组Q103均缠绕在磁轭101上，材料均为Litz线。绕组D102的中心与磁轭101中心一致，绕组Q103的每个子绕组与绕组D102的中心距等于0.5倍的供电导轨相邻磁极的中心距，绕组D102的两个子绕组由一根线缆绕制而成，绕向相反。
进一步地，屏蔽铝板104覆盖于磁轭101、绕组D102和绕组Q103上方，屏蔽铝板104厚度要求大于接收线圈工作频率下铝板材料的趋肤深度，趋肤深度δ的公式为：
Figure GDA0003223592130000041
式中，μ0为真空磁导率，μr为铝板材料的相对磁导率，σ为铝板材料的电导率，f为接收线圈的工作频率。
具体地，使用多个隐极型接收线圈模块时，可以对每个隐极型接收线圈模块100的上方均覆盖一个屏蔽铝板104，每个屏蔽铝板的长度和宽度均大于磁轭101长度和宽度，但小于多个隐极型接收线圈模块的安装空间长度和宽度；也可以只使用一个屏蔽铝板104覆盖在所有隐极型接收线圈模块100的上方，该屏蔽铝板的长度和宽度均大于所有隐极型接收线圈模块形成的整体长度和宽度，但小于多个隐极型接收线圈模块的接收线圈安装空间长度和宽度。
综上，隐极型接收线圈模块可与双极型供电导轨或任意能在行进方向产生双极型特征磁场的发射线圈产生有效耦合，其具体工作原理为：如图3所示为绕组D102与双极型供电导轨耦合时的磁场，双极型供电导轨相邻绕组电流方向相反，使相邻磁极在上方产生的磁场方向也相反。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，该磁场称为具有双极型特征的磁场。接收线圈模块的磁轭101两端分别接近N极和S极，在磁轭101内部产生磁场穿过绕组D，此时绕组D102产生感应电压，绕组Q103几乎不产生感应电压，由绕组D102向接收端电路传输功率。如图4所示为接收线圈模块绕组Q103与双极型供电导轨耦合时的磁场，接收线圈模块的磁轭101中间接近N极，两端接近S极，在磁轭101内部产生从中间到两端的磁场，分别穿过绕组Q103的一个子绕组。由于绕组Q103的两个自绕组围绕磁轭101的绕向相反，因此两个自绕组产生的感应电压同相叠加，此时绕组D102几乎不产生感应电压，由绕组Q103向接收端电路传输功率。
下面以两个模块为例对本发明提出的模块化两通道隐极型接收线圈进一步说明。
如图2所示，两个隐极型接收线圈模块沿侧移方向排布，接收线圈的抗侧移距离需求300mm，则接收线圈模块中心距等于需求的接收线圈抗侧移距离的2倍即600mm，屏蔽铝板104长度和宽度均大于两个隐极型接收线圈模块的整体长度和宽度。如图5所示，对比采用模块和一个模块的耦合互感与侧移距离的关系，可见采用一个模块时，侧移距离达到300mm时耦合互感下降严重；而采用两个模块时，侧移距离在300mm以内时耦合互感几乎不变，采用多个隐极型接收线圈模块可以显著提高接收线圈的抗侧移能力。
进一步地，如图6所示为采用多隐极型接收线圈模块的两通道隐极型接收线圈的系统电路图，各隐极型接收线圈模块的绕组D102串联相接，各绕组中的电流围绕各自模块中磁轭的方向相同；各模块的Q绕组103串联相接，各绕组中的电流围绕各自模块中磁轭的方向相同。串联的绕组D和绕组Q分别连接谐振补偿电容和整流电路构成两个接收通道，两个接收通道并联输出至负载。
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两通道隐极型接收线圈相对于现有的两通道接收线圈具有以下优点：
1、现有的两通道接收线圈中，每个通道均需要多个子绕组组成DD、OQO等结构，以增加供电导轨产生磁场穿过接收线圈的总面积，增强耦合能力，导致接收线圈尺寸大、用线量大、成本高。而在本发明的两通道隐极型接收线圈中，仅需在宽度较小的磁轭上绕制绕组即可获得较大的供电磁场穿过接收线圈的总面积，在与现有两通道接收线圈相同的耦合能力的条件下，隐极型接收线圈的尺寸更小、用线量更小、成本更低。
2、由于两通道隐极型接收线圈相比现有的两通道接收线圈的用线量更少，具有更小的工作损耗，因此两通道隐极型接收线圈的工作效率优于现有的两通道接收线圈，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。
3、现有的两通道接收线圈需要根据功率传输的抗侧移能力需求，相应增大接收线圈宽度，导致接收线圈整体尺寸较大，线圈中心部分无任何结构，整体空间利用率较低。而本发明的两通道隐极型接收线圈可以根据功率传输的抗侧移能力需求选择两通道隐极型接收线圈模块数量，各模块沿侧移方向等距排布，模块间最远中心距等于需求的抗侧移距离的2倍。该接收线圈结构可以在侧移范围内获得平稳的功率传输能力，且整体空间利用率明显高于现有的两通道接收线圈。
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 (4)

1.一种应用于移动设备动态无线供电的模块化两通道隐极型接收线圈，其特征在于，包括多个隐极型接收线圈模块(100)，所述多个隐极型接收线圈模块(100)沿侧移方向等距排布，每个隐极型接收线圈模块(100)包括磁轭(101)、绕组D(102)、绕组Q(103)和屏蔽铝板(104)，其中，所述绕组D((102))和所述绕组Q(103)均缠绕在所述磁轭(101)上，所述绕组D(102)和所述绕组Q(103)的材料均为Litz线，所述绕组D(102)中含1个子绕组，所述绕组Q(103)中含2个子绕组由一根线缆绕制而成，绕向相反，所述绕组D(102)的中心与所述磁轭(101)的中心一致，所述绕组Q(103)的每个子绕组与所述绕组D(102)的中心距等于0.5倍的供电导轨相邻磁极的中心距，所述屏蔽铝板(104)覆盖于所述磁轭(101)、所述绕组D(102)和所述绕组Q(103)的上方，使用多个隐极型接收线圈模块时，每个隐极型接收线圈模块的上方均覆盖一个屏蔽铝板，每个屏蔽铝板的长度和宽度均大于所述磁轭(101)的长度和宽度，但小于所述多个隐极型接收线圈模块的安装空间长度和宽度；
或使用多个隐极型接收线圈模块时，只使用一个屏蔽铝板覆盖在所有隐极型接收线圈模块的上方，该屏蔽铝板的长度和宽度均大于所有隐极型接收线圈模块形成的整体长度和宽度，但小于所述多个隐极型接收线圈模块的接收线圈安装空间长度和宽度；
所述每个隐极型接收线圈模块的绕组D(102)串联相接，每个绕组中的电流围绕各自隐极型接收线圈模块中磁轭(101)的方向相同；所述每个隐极型接收线圈模块的绕组Q(103)串联相接，每个绕组中的电流围绕各自隐极型接收线圈模块中磁轭(101)的方向相同；串联的所述绕组D(102)和所述绕组Q(103)分别连接各自对应的谐振补偿电容和整流电路构成两个接收通道，所述两个接收通道并联输出至负载。
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两通道隐极型接收线圈，其特征在于，所述磁轭(101)为长条形铁氧体磁芯或由铁氧体磁芯块拼接成的长条形。
3.根据权利要求2所述的应用于移动设备动态无线供电的模块化两通道隐极型接收线圈，其特征在于，所述磁轭(101)的宽度和厚度以工作时所述磁轭中的磁通密度小于磁芯材料的磁饱和限制为条件进行设计。
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两通道隐极型接收线圈，其特征在于，所述屏蔽铝板(104)的厚度需大于接收线圈工作频率下铝板材料的趋肤深度，其中，所述趋肤深度δ的计算公式为：
Figure FDA0003247830190000021
式中，μ0为真空磁导率，μr为铝板材料的相对磁导率，σ为铝板材料的电导率，f为接收线圈的工作频率。
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