CN112735727B - 一种无线电能传输系统的pcb线圈装置设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输系统的PCB线圈装置设计方法，其特点是采用PCB印刷电路将激励‑负载线圈和发射‑接收线圈线圈设计在一层或多层的电路板上，印制成两线圈系统、四线圈系统或中继线圈系统的PCB线圈装置。本发明与现有技术相比具有设备体积，提升线圈参数精度等特点，线圈装置可以贴合在设备表面，对改善设备的小型化和美观程度有着较强的优势，且传输的功率和效率较高，极大的减小了线圈的趋肤效应和邻近效应，在未来无线电能传输领域具有较高的与实际应用价值和商业优势。

Description

一种无线电能传输系统的PCB线圈装置设计方法

技术领域：

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其是一种用于无线电能传输系统的PCB线圈装置设计方法。

背景技术：

无线电能传输技术可以在避免物理导线接触处的情况下将能量传输到负载端，在未来移动用电设备中有着广泛的应用，尤其是手机，机器人，电动汽车等领域。其基本原理是利用高频的变化磁场作为传输介质，用两个具有相同谐振频率的线圈，一个作为发射端，另一个作为接收端，在发射端通入谐振频率的电流后，便会在周围产生同频率的变化磁场，接收端的线圈处于一定的磁场范围内时，其内部也会产生相同频率的谐振电流。相对于传统的有线电能传输技术具有可靠性更好，实用性更强，安全性更好，美观性和便携性更高，维护方便，节省资源等诸多优势。影响无线电能传输的关键因素有频率、距离、匹配等，通常频率越高，距离越近，匹配度越高传输效率越高。在频率方面，由于要考虑电磁兼容的问题，相关标准对频率有一定的规定，如电动汽车无线充电技术中比较常用的频率有85KHz，小功率设备中也有使用13.56MHz作为传输频率的，这些频率都是公开的民用频段。

对于传输距离，目前没有特别明确的规定，但各类研究开发都在试图将传输距离提升到更远的程度。因而出现了三线圈系统和四线圈系统，在三线圈系统中，除了发射线圈和接收线圈外还有一个中继线圈；四线圈系统中除了发射线圈和接收线圈外，还存在激励线圈和负载线圈。激励线圈多由匝数较少的线圈构成，激励线圈和发射线圈贴合在一起发射线圈中的电流由激励线圈产生高频磁场谐振产生。

理论上需要发射端和接收端的谐振频率完全一致才能保证传输效率。由于谐振时电容和电感上的电压相互抵消，整个电路呈纯阻性，因此电路的谐振频率仅与线路的电容和电感有关。为了保证无线电能传输的谐振参数一致，通常使用两个相同的线圈，但是由于实际工艺和材料的特性，两个线圈的参数很难到完全一样。而且由于无线电能传输工作在高频环境中，电感L和电容C的值都比较小，线圈的参数细微差异都将对系统的谐振频率造成影响。

目前，比较常见的线圈结构有螺旋密绕型、平面螺旋型和空间螺旋型三种。螺旋密绕线圈结构相对来说比较简单，但是这类线圈由于导线都集中在一处，体积较大，而且由于线圈紧密绕制，导线的发热，形变等都是比较棘手的问题；平面螺旋形线圈形状类似于一个盘式蚊香，线圈的半径逐渐扩大但都在同一平面，形成一个圆盘状的线圈，因为其厚度只有一圈，这类线圈可以做的比较薄，适合在各类设备上集成，大幅的缩小设备的体积，但是这类线圈的各圈半径不一致，因此存在一定的方向性，当线圈发生较大的偏移时其传输的效果也会有所下降；空间螺旋结构线圈似于日常生活中所见到的弹簧，这类线圈的体积较大，利用线圈的固有谐振频率实现谐振，从而不需要外接电容，但是这类线圈容易发生形变，环境的湿度和温度以及导线自身的发热膨胀等都会对线圈的参数产生很大的影响。

综上所述，现有技术的无线电能传输装置和体积大，占用设备空间，谐振匹配较难，趋肤效应和邻近效应较大。虽然PCB线圈已有实际用例，但是目前均采用单股均匀导线设计，由于平面导线承载的电流较小，同样存在趋肤效应和邻近效应，导线发热不均匀导致PCB线圈发生形变，进而影响到系统整体参数。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种无线电能传输系统的PCB线圈装置设计方法，采用PCB印刷电路将激励-负载线圈和发射-接收线圈线圈设计在一层或多层的电路板上，印制成两线圈系统、四线圈系统或中继线圈系统的PCB线圈装置，通过调整线圈的长度宽度和半径等参数，使得每根线圈的电阻保持一致，极大的减小了线圈的趋肤效应和邻近效应，发热均匀、形变小，大大提高了系统可靠性，结构简单，安全、高效，体积小，进一步降低成本，节省空间，易于推广，实用性高。

本发明的目的是这样实现的：一种无线电能传输系统的PCB线圈装置设计方法，其特点是采用PCB印刷电路将激励-负载线圈和发射-接收线圈线圈设计在一层或多层的电路板上，印制成两线圈系统、四线圈系统或中继线圈系统的PCB线圈装置。

所述线圈装置的设计分为两种，分别为匝数较少的线激励-负载线圈和多匝发射-接收线圈，激励线圈通常只有一匝，但是线圈上的电流通常较大，因此要求导线的过流能力较强。对于平面印刷电路，增加印刷电路的宽度和印刷厚度即可增加导流能力，但是与之而来产生趋肤效应也较严重。为了克服这类问题，本发明通过计算导线每一圈的长度结合导线的长度和宽度通过计算得出导线的电阻。以保持电阻一致为原则，将激励、负载线圈设计为多匝线圈并联。由于每匝线圈的电阻一致，电流得到均衡。且线圈的长度较短，因此各线圈的阻抗差异可以忽略。

所述发射-接收线圈的设计采用平面螺旋结构，该结构与激励线圈相似，为了避免趋肤效应和邻近效应，在设计时将每匝线圈采用多股细线并联的方式。由于发射和接收线圈的匝数较多线圈较长，在设计时需要考虑到每股细线圈之间长度差异带来的影响。同时从电流均流的角度出发，还需要考虑线圈的电阻问题，因此线圈采用等长等宽的方式设计，既保证每根细线圈的的电阻一致同时也保证电流在导线中流过的路程一致。

所述PCB设计时多层板的每一层都可以绘制一个线圈，通过串、并联不同层之间的线圈可以拓展线圈的性能。将激励、发射线圈，或接收、负载线圈设计在同一块电路板上，可以增强互感，还能节约系统的材料，缩小线圈的体积，增强移动设备的便携性。

本发明与现有技术相比具有以下优点；

1)线圈装置采用PCB电路印刷而成，便于设计，阻抗参数精确，集肤效应和邻近效应小，效率高。

2)线圈装置由激励-负载，发射-接收两种类型组成，可以根据实际需求组合成两线圈系统，四线圈系统，以及中继线圈系统。

3)控制线圈装置的阻抗参数主要有电阻、电感、电容三种，由于采用PCB印刷的方式，可以通过理论计算和仿真对每匝线圈的阻抗精细控制，激励-负载线圈的匝数较少，采用多股等电阻的设计方式。发射-接收线圈匝数较多，采用多股等长等电阻的设计方式，通过在印刷线路中将每匝线圈换成多股细线圈并联来实现，并通过计算使得每股线圈上面的电流一致，可以大幅改善所述线圈的集肤效应和邻近效应。

4)线圈装置与现有的导线绕制线圈相比有节约生产成本和设备体积，提升线圈参数精度等特点。并与现有的PCB线圈相比具有结构更合理，集肤效应和邻近效应更低，传输效率更高等特点。

5)线圈装置可以贴合在设备表面，对改善设备的小型化和美观程度有着较强的优势，且传输的功率和效率较高，在未来无线电能传输领域具有较高的与实际应用价值和商业优势。

附图说明：

图1为激励/负载线圈装置模型图；

图2为发射/接收线圈装置模型图；

图3为四线圈系统的并并联模型图；

图4为四线圈系统的并串联模型图；

图5为四线圈系统的串并联模型图；

图6为PCB线圈装置在四线圈系统的实施例图。

具体实施方式：

本发明的PCB线圈装置采用PCB电路印刷而成，通过理论计算和仿真对每匝线圈的阻抗精细控制，由于系统谐振阻抗参数一致，系统传输的传输效率较高；通过在印刷线路中将每匝线圈换成多股细线圈并联，并通过计算使得每股线圈上面的电流一致，可以大幅改善所述线圈的集肤效应和邻近效应；所述线圈包括激励-负载线圈和发射-接收线圈两种类型，可以根据实际需求组合成两线圈系统、四线圈系统，以及中继线圈系统；所述激励-负载线圈的匝数较少，可以忽略每股长度不一致带来的容抗和感抗的变化，仅采用等电阻的设计，发射-接收线圈匝数较多，容抗和感抗不能忽略，因而采用多股等长等电阻的设计方式。

所述线圈装置的每一股的电阻采用下述a式计算：

式中：w为导线宽度；r为导线电阻值；ρ为印刷材料的电阻率，PCB印刷多用铜作为材料，其电阻率为：1.75×10^-8Ω·m；2πr-d为每一匝线圈的长度；wh为导线的横截面积；考虑到工艺原因，PCB印刷电路的厚度不宜变化，这里设印刷厚度为h。

所述线圈装置的电感采用下述b式计算：

式中：D为单股线圈的平均直径；μ₀为真空中的磁导率，其值：μ₀＝4π*10^-7；N为线圈的匝数；n为每匝线圈的细分股数；Ψ的值可以通过查表得到，当Ψ值过小时按下述c式计算：

式中ρ由下述d式计算：

当Ψ值过大时由下述e式计算：

式中γ由下述f式计算：

在设计的过程中可以充分利用多成板的优势，将线圈细分到多个板层，也可以将激励和发射线圈绘制在同一层上。所述每股细线的电阻一致，可保证通过的电流相同，导线发热均匀，产生的形变较小。可以增强系统的传输效率，缩小设备体积。

所述激励-负载线圈采用多股等电阻并联印刷的设计，激励-负载线圈每匝用多股较细的印刷电路组成。内侧导线短而细，外侧导线长而粗。导线的电阻可根据a式计算得到，确定其中一股导线的电阻后，再根据a式计算得到每股导线长度和宽度的设计参数。发射-激励线圈装置的匝数较少，可以忽略容抗和感抗带来的影响，当每股导线的电阻一致时，每股导线流过的电流一样，可以明显改善趋肤效应和邻近效应，在保证导线过流能力的前提下将半径设计的尽可能大，可以增加线圈效率。

所述发射-接收线圈采用多股等阻抗的设计，线圈装置同样由多股较细的印刷电路组成，由于匝数较多，线圈的末端的采用S形走线方式进行等长调整，可以保证每股细线的长度一致。线圈的结构和粗细以及长度均一致，高频电流通过每一股线圈产生的相位延迟相同，同时每股线圈之间电压差几乎一致，在不用考虑爬电距离的情况下，间距可以设计的十分接近，则线圈每一股的容抗和感抗差距可以忽略不计。线圈的内圈细外圈粗，且并联的每股线圈的阻抗一致，可极大的减小线圈的趋肤效应和邻近效应。由于每股线圈通过的电流相同，整个线圈发热均匀且形变较小。在保证导线过流能力的前提下将半径设计的尽可能大，可以增加线圈效率。

所述PCB设计时多层板的每一层都可以绘制一个线圈，通过串、并联不同层之间的线圈可以拓展线圈的性能。将激励、发射线圈，或接收、负载线圈设计在同一块电路板上，可以增强互感，还能节约系统的材料，缩小线圈的体积。

通过以下具体实例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

参阅附图1，所述激励-负载线圈装置由三个并联的单匝线圈构成，线圈的半径应当较大，才能更好地激励发射和接收线圈。因此最内圈不宜设计过小，即相邻并联的两个线圈之间的间距要尽可能的小。线圈的宽度w、半径r和电阻R由下述a式计算：

式中：h为印刷厚度，考虑到工艺原因，PCB印刷电路的厚度不宜变化；ρ为印刷材料的电阻率，PCB印刷一般都采用铜材，其电阻率为：1.75×10^-8Ω·m；2πr-d为每一匝线圈的长度；wh是导线的横截面积。

线圈的电感值可视为由三个单独的线圈并联而成的，但每个线圈的直径和宽度有区别。可以通过有限元软件直接仿真得到，也可以按下述b式计算：

式中：D为单股线圈的平均直径；μ₀为真空中的磁导率，其值：μ₀＝4π*10^-7；N为线圈的匝数；n为线圈有n个细线圈并联组成，其电感值相当于每个细线圈的电感值并联得到；Ψ的值可以通过查表得到，当Ψ值过小时按下述c式计算：

式中ρ由下述d式计算：

当Ψ值过大时由下述e式计算：

式中γ由下述f式计算：

实施例2

参阅附图2，所述发射-接收线圈装置由三股较细的等长线组成的平面螺旋线圈，理论上细线的匝数越多越好。线圈采用中心部分较细，边缘较粗的设计可以改善线圈的性能。在线圈的外边缘设计了蛇形弯折，可以在不增加电感的情况下改变线路的长度，使得线圈每匝的电阻保持一致。在实际的设计中，为了增加线圈的导流能力，除了增加线圈的宽度外还可以将线圈设计成四层板或者多层板。多层板还可以用来增加线圈的匝数，因此线圈装置的电感值可以非常精确。

所述平面螺旋线圈的电感值同激励-负载线圈一样可以通过有限元仿真得到，也可以通过上述b式计算得到，该述b式不仅可以用来计算平面线圈的电感，还可以用来计算其他类型的线圈电感。其中，参数Ψ的值可以从电感计算手册中查找。

将上述两种不同形状的线圈装置进行组合，可以适用于两线圈系统、带中继线圈系统和四线圈系统。对于两线圈系统，采用直接将发射线圈和接收线圈接入电路中，而去除激励线圈和负载线圈。

实施例3

参阅附图3～图5，以四线圈系为例，根据线圈和电容在电路中连接方式的不同，可以分为并并联、并串联和串并联三种谐振形式。

实施例4

参阅附图6，本发明的线圈装置在四线圈无线电能传输系统中的具体应用，直流电源经过高频逆变后，连接到激励线圈和激励电容上，激励线圈的匝数通常较少，但不一定是单匝线圈，激励电容相对较大。由于系统的频率通常较高，系统谐振后激励线圈将会在周围激荡起高频变化的电磁场，将发射线圈靠近激励线圈，其在高频变化的电磁场中产生谐振电流。发射线圈的谐振电流继而继续增强高频变化的电磁场。接收线圈处于变化电磁场中，同样产生谐振电流，负载线圈贴近接收线圈后，内部的产生的谐振电流即可传输到高频整流环节。目前比较好的高频整流器件是碳化硅和氮化镓器件，其反向恢复时间几乎为零。整流后得到直流电压，经过电压变换后，传输到负载端。完成能量的传输。谐振线圈和谐振电容构成一个谐振体系，由于工艺原因，谐振电容的容值多半为固定值，定制成本较高，但是线圈电感值在设计时可以通过匝数和半径来细微调整。

所述谐振线圈的设计包括下述步骤：

第一步：根据系统的实际要求，确定系统的参数，包括系统的运行频率、功率、电压、电流等参数。根据前述a式及选取的电容的参数确定谐振电感的值。

第二步：根据系统的实际尺寸，设计PCB线圈的大小，即线圈的尺寸。外圈尺寸确定后，根据前述b式和g式计算所设计线圈需要的匝数。

第三步：结合线圈的电流需求设计线圈，使用等长线设计螺旋线圈的每一股。对于电流较大的线圈，可以充分利用多成板，每层均设计相同的线圈，将并联线圈数量提升。对于较小电流的线圈，利用多层板可以将激励线圈和发射、接收线圈设计到同一块PCB板上。线圈的输出端点应尽量靠近，为了减小线路上电感的影响，在实际应用中，尽量采用密绕的绞合线连接线圈和电源。

以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种无线电能传输系统的PCB线圈装置设计方法，其特征在于采用PCB印刷电路将激励-负载线圈和发射-接收线圈线圈设计在一层或多层的电路板上，印制成两线圈系统、四线圈系统或中继线圈系统的PCB线圈装置，所述PCB线圈装置的每一股的电阻采用下述(a)式计算：

式中：w为导线宽度；r为导线电阻值；ρ为印刷材料的电阻率，PCB印刷多用铜作为材料，其电阻率为：1.75×10^-8Ω·m；2πr-d为每一匝线圈的长度；wh为导线的横截面积；考虑到工艺原因，PCB印刷电路的厚度不宜变化，这里设印刷厚度为h；

所述PCB线圈装置的电感采用下述(b)式计算：

式中：D为单股线圈的平均直径；μ₀为真空中的磁导率，其值：μ₀＝4π*10^-7；N为线圈的匝数；n为每匝线圈的细分股数；Ψ的值可以通过查表得到，当Ψ值过小时按下述(c)式计算：

式中，ρ由下述(d)式计算：

当Ψ值过大时由下述(e)式计算：

式中γ由下述(f)式计算：

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