CN112653255B - 一种无线充电耦合机构及无线充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线充电耦合机构及无线充电装置，属于无线电能传输技术领域，包括发射线圈模块、接收线圈模块和隔离铁氧体；所述发射线圈模块包括多个发射线圈和第一铁氧体衬底，多个发射线圈、隔离铁氧体均设于第一铁氧体衬底上，隔离铁氧体用于将多个发射线圈分隔开；接收线圈模块设于隔离铁氧体上。本发明采用多个发射线圈，相较于单个线圈，能够产生更多区域性磁场，减少磁场不均匀的面积，使发射侧整体磁场分布均匀；进一步地，本发明隔离铁氧体将多个发射线圈进行分隔，隔开了多个发射之间的磁场交叠，从而减少了发射线圈之间的耦合，进一步大大地降低发射线圈之间的互感，进而降低了发射侧的损耗。

Description

一种无线充电耦合机构及无线充电装置
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种无线充电耦合机构及无线充电装置。
背景技术
无人机发展迅速，但续航问题是一直制约着无人机进一步发展的重要障碍，频繁的插拔式充电既对使用者产生不便，又容易产生电火花、损伤充电设备。无线充电的引入，既可以完全消除人为插拔电池的过程，也可以减少对电网的冲击。
无线充电电路结构一般包括顺次连接的逆变电路、原边补偿电路、发射线圈模块、接收线圈模块、副边补偿电路和整流电路，逆变电路与直流电源连接，整流电流输出单与负载连接。无线充电电路结构中最重要的部分即为耦合机构，具体为发射线圈模块和接收线圈模块。
现有发射线圈模块有采用单个发射线圈或者多个发射线圈的情况，然而单个发射线圈的线圈平面内会存在磁场分布不均匀的问题，多个发射线圈之间又会存在耦合现象，即发射线圈模块产生的互感电动电势削减了电源电压，使发射线圈模块输出功率大大降低，进而降低了无线充电的效率，在此基础上，如何降低多发射线圈之间的损耗问题是目前亟需解决的问题。同时，为保证无线电能能量传输能力，提升电能传输效率，需要进一步加强发射线圈模块中各发射线圈与接收线圈模块中接收线圈之间的耦合。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中无法降低发射线圈之间的耦合的问题，提供一种无线充电耦合机构及无线充电装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无线充电耦合机构，系统具体包括发射线圈模块、接收线圈模块和隔离铁氧体；所述发射线圈模块包括多个发射线圈和第一铁氧体衬底，多个发射线圈、隔离铁氧体均设于第一铁氧体衬底上，隔离铁氧体用于将多个发射线圈分隔开；接收线圈模块设于隔离铁氧体上。
作为一选项，所述发射线圈模块包括四个串联连接的发射线圈，四个发射线圈均匀设于第一铁氧体衬底上，隔离铁氧体设于第一铁氧体衬底的两个中轴线上。
作为一选项，所述接收线圈模块包括单个接收线圈和第二铁氧体，所述第二铁氧体设于接收线圈上。
作为一选项，在第二铁氧体两个中轴线进行刻划处理直至去除两个中轴线部分对应的第二铁氧体，以将第二铁氧体分为四部分，并在第二铁氧体各部分进行挖孔处理。
作为一选项，所述第二铁氧体、接收线圈、隔离铁氧体、发射线圈以及第一铁氧体衬底由上至下顺次设置，且第二铁氧体、接收线圈、隔离铁氧体以及第一铁氧体衬底的中轴线均重合。
作为一选项，所述发射线圈、接收线圈结构相同，具体为多圈连续具有圆弧角的正方形线圈。
作为一选项，所述正方形线圈采用利兹线绕制而成。
作为一选项，所述正方形线圈的圆弧角半径范围为0.2cm—0.4cm。
作为一选项，所述正方形线圈各圈之间的间隔宽度为0.8—1.5倍利兹线直径。
需要进一步说明的是，上述耦合机构各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
本发明还包括一种无线充电装置，该装置包括上述的无线充电耦合机构，还包括逆变电路、原边补偿电路、副边补偿电路、整流电路和滤波电路；逆变电路、原边补偿电路、发射线圈模块、接收线圈模块、副边补偿电路、整流电路和滤波电路顺次连接。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
本发明采用多个发射线圈，相较于单个线圈，能够产生更多区域性磁场，减少磁场不均匀的面积，使发射侧整体磁场分布均匀；进一步地，本发明隔离铁氧体将多个发射线圈进行分隔，隔开了多个发射之间的磁场交叠，从而减少了发射线圈之间的耦合，进一步大大地降低发射线圈之间的互感，进而降低了发射侧的损耗。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例1的耦合机构示意图；
图2为本发明实施例1的发射线圈模块示意图；
图3为本发明实施例1的发射线圈连接示意图；
图4为本发明实施例1的接收线圈模块仰视图；
图5为本发明实施例1的接收线圈模块俯视图；
图6为本发明实施例1的接收线圈模块侧视图；
图7为本发明实施例1的发射线圈示意图；
图8为本发明实施例1的接收线圈示意图；
图9为本发明实施例1的发射线圈模块平面磁场分布图；
图10为本发明实施例1的发射线圈模块平面磁场分布图；
图11为本发明实施例1的第二铁氧体上方的磁场分布图；
图12为本发明实施例2的无线充电装置电路框图。
图中：发射线圈模块1、第一铁氧体衬底11、发射线圈12、接收线圈模块2、第二铁氧体21、接收线圈22、隔离铁氧体3
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，在实施例1中，一种无线充电耦合机构，具体包括发射线圈模块1、接收线圈模块2和隔离铁氧体3；发射线圈模块1包括多个发射线圈12和第一铁氧体衬底11，多个发射线圈12、隔离铁氧体3均设于第一铁氧体衬底11上，隔离铁氧体3用于将多个发射线圈12分隔开；接收线圈模块2设于隔离铁氧体3上。本发明采用多个发射线圈12，相较于单个线圈，能够产生更多区域性磁场，减少磁场不均匀的面积，使发射侧整体磁场分布均匀；进一步地，本发明隔离铁氧体3将多个发射线圈12进行分隔，隔开了多个发射之间的磁场交叠，从而减少了发射线圈12之间的耦合，进一步大大地降低发射线圈12之间的互感，进而降低了发射侧的损耗。
具体地，隔离铁氧体3可以为单独的隔离铁氧体3，也可以为多个铁氧体进行组合而成，可以通过1个隔离铁氧体3对发射线圈12进行分隔，也可通过多个隔离铁氧体3对发射线圈12进行分隔。发射线圈模块1中发射线圈12的数量不限于2个、3个、4个等。第一铁氧体衬底11具体为铁氧体薄片，作为一选项，可采用厚度为0.5cm的、边长为30cm的正方形MnZn铁氧体薄片，其磁导率为2800，可支持于频率为1MHz以下的磁屏蔽环境，在实现发射磁防护的同时，可以增大发射侧线圈的感值。
作为一优选，发射线圈模块1(发射侧)包括四个发射线圈12，四个发射线圈12均匀设于第一铁氧体衬底11上，隔离铁氧体3设于第一铁氧体衬底11的两个中轴线上。具体地，如图2-3所示，四个发射线圈12串联连接，以保证每个发射线圈12的电流方向一致。本实施例中包括两个隔离铁氧体3，该隔离铁氧体3由两个厚度为0.5cm、高度为2.5cm的铁氧体组合而成，即隔离铁氧体3宽度为1cm；两个隔离铁氧体3将第一铁氧体衬底11分隔为四部分，各部分对应设置1个发射线圈12，发射线圈12之间沿第一铁氧体衬底11的中轴线对称设置。需要说明的是，图2-3中四个发射线圈12的首端与尾端经利兹线连接是为了在仿真阶段使耦合机构正常工作用。
进一步地，接收线圈模块2(接收侧)包括单个接收线圈22和第二铁氧体21，第二铁氧体21设于接收线圈22上。具体地，第二铁氧体21为厚度为0.4cm、边长为17cm的正方形MnZn铁氧体薄片，其磁导率为2800，可支持于频率为1MHz以下的磁屏蔽环境。
进一步地，在第二铁氧体21两个中轴线进行刻划处理直至去除两个中轴线部分对应的第二铁氧体21，以将第二铁氧体21分为四部分，并在第二铁氧体21各部分进行挖孔处理。更为具体地，对第二铁氧体21进行刻划的宽度小于等于10mm，如图4-图6所示，本实施例中，在对第二铁氧体21进行刻划后，左右铁氧体衬底之间的间隙为4mm，上下铁氧体衬底之间的间隙为10mm。在第二铁氧体21各部分进行挖孔处理得到具有多个正方形孔洞的铁氧体衬底，孔洞的边长小于等于10mm，优选为10mm，孔洞具体分布在以第二铁氧体21两个中轴线角点为圆心的同心圆圆弧边上。上述刻划处理以及挖孔处理，在保证磁场不会大量从铁氧体溢出使铁氧体实现磁防护功能的前提下，首先可以减轻接收侧重量，为无人机提高续航能力；其次，能够使磁场更多的集中于铁氧体孔洞中，可以减少部分磁场进入其他发射线圈12磁场区域产生磁场交叠，从而减少发射线圈12之间的耦合；并且，还能够使磁场更多的集中于铁氧体孔洞和分隔间隙中，可以使发射磁场的磁场更多的往发射线圈12趋近，从而增强发射线圈12与接收线圈22的耦合，以此增强无线电电能传输能力，提升传输效率。需要说明的是，图5中接收线圈22的首端与尾端经利兹线连接是为了在仿真阶段使耦合机构正常工作用。
进一步地，第二铁氧体21、接收线圈22、隔离铁氧体3、发射线圈12以及第一铁氧体衬底11由上至下顺次设置，且第二铁氧体21、接收线圈22、隔离铁氧体3以及第一铁氧体衬底11的中轴线均重合，能够实现中心对准充电时有较大抗偏移影响的能力，并且在发射侧垂直映射区域都可以进行无线电能传输。
进一步地，发射线圈12、接收线圈22结构相同，具体为多圈连续具有圆弧角的正方形线圈。具体地，本实施例发射线圈12、接收线圈22的圆弧角具体为四分之一圆弧角；发射线圈12具体为六匝发射线圈12，接收线圈22具体为九匝接收线圈22。
进一步地，正方形线圈采用利兹线绕制而成。具体地，本实施中选择0.1mm×600股，直径0.34cm，截面积4.70mm2，过最大23.5A电流的利兹线。
进一步地，正方形线圈的圆弧角半径范围为0.2cm—0.4cm，避免过大或过小半径导致线圈中间空心区域过大，使磁场空白区过多，无法实现最优区域性充电的问题；正方形线圈各圈之间的间隔宽度为0.8—1.5倍利兹线直径，避免过大或过小间隔使磁场分布不均匀。
作为一优选，如图7所示，发射线圈12最内层四分之一圆弧半径为0.3cm，发射线圈12之间的间隔为0.34cm，最外层线圈四分之一圆弧半径为3.5cm；如图8所示，接收线圈22最内层四分之一圆弧半径为0.3cm，线圈之间的间隔为0.34cm，最外层四分之一圆弧半径为5.42cm。上述线圈设计能够实现均匀磁场分布，使四个发射线圈12产生的磁场能够均匀分布在发射侧平面内。
为说明本发明耦合机构的技术效果，利用有限元仿真对该耦合机构仿真分析，磁场分布图如图9-11所示，由上述可知，本发明耦合机构能实现电磁防护功能，且发射线圈12与接收线圈22之间耦合情况良好。
实施例2
本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上，提供了一种无线充电装置，包括如实施例1的无线充电耦合机构，在此基础上，还包括逆变电路、原边补偿电路、副边补偿电路、整流电路和滤波电路。具体地，如图12所示，该无线充电装置中逆变电路、原边补偿电路、发射线圈模块1、接收线圈模块2、副边补偿电路、整流电路和滤波电路顺次连接。
更具体地，直流电源作为输入与逆变电路连接，经过逆变电路将直流电转换为交流电。发射侧的原边补偿电路与发射端的串联四线圈谐振，进行无功功率消除，增大传输的功率。单接收线圈22接收到能量后，经过副边补偿电路进行补偿此时电流为交流电，再通过整流电路把交流电转换为直流电，再经过滤波，最后得到稳定直流电通入电池，进而实现了无线充电功能。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无线充电耦合机构，包括发射线圈模块（1）和接收线圈模块（2），其特征在于：耦合机构还包括隔离铁氧体（3）；所述发射线圈模块（1）包括多个发射线圈（12）和第一铁氧体衬底（11），多个发射线圈（12）、隔离铁氧体（3）均设于第一铁氧体衬底（11）上，隔离铁氧体（3）用于将多个发射线圈（12）分隔开；接收线圈模块（2）设于隔离铁氧体（3）上；
所述接收线圈模块（2）包括单个接收线圈（22）和第二铁氧体（21），所述第二铁氧体（21）设于接收线圈（22）上；
在第二铁氧体（21）两个中轴线进行刻划处理直至去除两个中轴线部分对应的第二铁氧体（21），以将第二铁氧体（21）分为四部分，并在第二铁氧体（21）各部分进行挖孔处理；
所述发射线圈（12）、接收线圈（22）结构相同，具体为多圈连续具有圆弧角的正方形线圈；
所述正方形线圈的圆弧角半径范围为0.2cm—0.4cm；
所述正方形线圈各圈之间的间隔宽度为0.8—1.5倍利兹线直径。
2.根据权利要求1所述的一种无线充电耦合机构，其特征在于：所述发射线圈模块（1）包括四个串联连接的发射线圈（12），四个发射线圈（12）均匀设于第一铁氧体衬底（11）上，隔离铁氧体（3）设于第一铁氧体衬底（11）的两个中轴线上。
3.根据权利要求1所述的一种无线充电耦合机构，其特征在于：所述第二铁氧体（21）、接收线圈（22）、隔离铁氧体（3）、发射线圈（12）以及第一铁氧体衬底（11）由上至下顺次设置，且第二铁氧体（21）、接收线圈（22）、隔离铁氧体（3）以及第一铁氧体衬底（11）的中轴线均重合。
4.根据权利要求1所述的一种无线充电耦合机构，其特征在于：所述正方形线圈采用利兹线绕制而成。
5.一种无线充电装置，其特征在于：包括权利要求1-4中任一项所述的无线充电耦合机构，还包括逆变电路、原边补偿电路、副边补偿电路、整流电路和滤波电路；
逆变电路、原边补偿电路、发射线圈模块（1）、接收线圈模块（2）、副边补偿电路、整流电路和滤波电路顺次连接。
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