CN112953023A - 一种非对称“ld”无线电能传输线圈结构及其应用 - Google Patents

Abstract

一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构及其应用，包括相互对应的发射端线圈和接收端线圈，发射端线圈和接收端线圈包括串联连接的“L”型线圈和“D”线圈，“D”线圈外圈呈矩形，“D”线圈矩形的两边与“L”型线圈外圈竖边和横边相邻，接收端线圈的矩形尺寸小于发射端线圈矩形尺寸，发射端和接收端都是非对称的结构，采用两个不同的线圈组合在一起，且“L”型线圈与“D”型线圈相邻部分电流大小和方向相同，所产生的磁场区域叠加在了一起，磁力线更加密集，具有更好的传输效率，与“DD”线圈相比，有效磁通更大，扩大了无线电能传输系统的有效充电范围，有效地解决了磁场零点的问题，线圈偏移自由度优越于“DD”性线圈结构。

Description

一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构及其应用

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构及其应用。

背景技术

无线电能传输技术作为一种新型电能传输技术引起了国内外科研学者研究的广泛关注。它与电磁学、生物学、电力电子学、电子学等多个学科和领域都有所涉及，被称为引领世界未来的十大科学技术之一。目前的无线充电技术主要包括电磁感应耦合式、磁谐振耦合式以及微波传输三种。随着科学技术的突飞猛进，它已经被应用在了生物、医疗、军事、汽车、电子产品等领域。

在无线电能传输系统中，磁耦合结构作为无线电能传输技术中重要的环节，磁耦合结构之间的耦合强度和线圈的品质因数对于系统整体的传输性能起到了很大的作用，不少国内外学者致力于磁耦合结构的研究。在较大功率传输系统中，发射端与接收端之间存在着很大的气隙，导致电能在传输过程中会产生很大的漏磁场，不仅导致两个线圈之间的耦合系数的减小，影响了系统整体的传输效率和传输功率，同时对于人们的健康也带来了一定的威胁。为了增加接收线圈与发射线圈之间的耦合程度，达到更高的传输效率和更远的传输距离，很多研究者都对磁耦合结构进行了优化，尤其是对于线圈的优化，还有一些学者对于拓扑结构的研究有着很大的贡献，通过拓扑结构的分析，对于线圈的研究与优化有着很大的帮助。但是由于很多情况下场合的空间有限，对于线圈的结构要求严格，以至于常用的线圈漏磁很大，线圈间的耦合程度小，不能满足特殊情况下的传输效率和传输功率。

在现有的无线电能传输系统中常用的发射线圈与接收线圈大部分都是对称结构，例如圆形线圈、矩形线圈、“DD”型线圈等。如今电动汽车的无线充电技术是当代的热点话题，但是电动汽车上的空间有限，对于接收线圈的尺寸要求十分严格，除此之外，对于发射线圈来说，也受到了空间的限制。在采用多匝线圈进行绕制时，无疑增大了系统中的等效电阻,增加了系统中的损耗，不仅如此，线圈间的互感值与自感值也很难提高。再者，通常情况下，接受装置偏移自由度高，导致了传输效率的急剧下降，无法同时满足较远的传输距离和较高的传输效率。“DD”型线圈虽然提高了线圈之间的耦合和磁场强度，但是当偏移超过一定距离会产生磁场零点，传输效率大大降低。

现有技术中也有对无线传输线圈进行改进的技术，例如中国专利文献CN108900012A记载了一种太极型非对称无线电能传输线圈优化结构，发射线圈结构包括相互并联的太极型线圈和平面螺旋线圈，但曲线型的不规则线圈不利于线圈的工业化批量生产和绕制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构及其应用，该线圈结构相对于“DD”型线圈有效的解决了磁场零点的问题，具有更大的充电区域，可以实现中等距离电能的传输，在保证较高的传输效率情况下，具有较高的偏移自由度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构，包括相互对应的发射端线圈和接收端线圈，发射端线圈和接收端线圈包括串联连接的“L”型线圈和“D”线圈，“D”线圈外圈呈矩形，“D”线圈矩形的两边与“L”型线圈外圈竖边和横边相邻，接收端线圈的矩形尺寸小于发射端线圈矩形尺寸。

上述的“L”型线圈以“L”型的横边终点为起点，进入“L”型折角内部，围绕“L”型依次向外缠绕，最外圈到达“L”型的横边时进入“D”型内部并从内向外缠绕。

上述的“L”型线圈和“D”线圈组成矩形外圈。

上述的发射端线圈和接收端线圈的“D”线圈外圈为正方形，“D”线圈与“L”型线圈组成正方形外圈。

上述的“D”型线圈侧边为“D”型正方形边，“D”型正方形边和“L”型线圈的“L”型线圈上横边、“L”型线圈下竖边长度相等，即“D”型线圈宽度为线圈整体宽度的一半，“D”型线圈面积为线圈整体面积的四分之一。

上述的发射线圈发射端线圈下方设有发射端磁芯，发射端磁芯下方连接发射端屏蔽层；

上述的接收端线圈上方设有接收端磁芯，接收端磁芯上方连接接收端屏蔽层。

上述的发射端磁芯和接收端磁芯为纳米晶材料条形磁芯，用于增强发射端线圈和接收端线圈间的耦合强度，减少漏磁。

上述的发射端线圈和接收端线圈采用利兹线绕制。

使用上述非对称“LD”无线电能传输线圈结构的无线电能传输系统，其特征在于，包括电压源，电压源的输出端与逆变电路电连接，逆变电路的输出端与发射补偿电路电连接，发射补偿电路的输出端与耦合结构电连接，耦合结构的输出端与接收补偿电路电连接，接收补偿电路输出端与整流电路电连接，整流电路输出端与负载电连接。

上述的耦合结构包括对应设置的发射端线圈和接收端线圈，耦合结构从上之下依次为接收端屏蔽层、接收端磁芯、接收端线圈、发射端线圈、发射端磁芯和发射端屏蔽层。

本发明提供的一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构及其应用，发射端和接收端都是非对称的结构，采用两个不同的线圈组合在一起，且“L”型线圈与“D”型线圈相邻部分电流大小和方向相同，所产生的磁场区域叠加在了一起，磁力线更加密集，具有更好的传输效率，与“DD”线圈相比，有效磁通更大，扩大了无线电能传输系统的有效充电范围，有效地解决了磁场零点的问题，是的线圈偏移自由度优越于“DD”性线圈结构，具有更高的偏移程度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明发射端线圈的结构示意图；

图2为本发明接收端线圈的结构示意图；

图3为本发明无线电能传输线圈的立体结构示意图；

图4为本发明发射端的正视结构示意图；

图5为本发明发射端的侧视结构示意图；

图6为本发明接收端的正合适结构示意图；

图7为本发明无线电传输系统示意图；

图8为“DD”型线圈与“LD”型线圈发生偏移时的耦合系数变化图。。

图中：“L”型线圈1、“L”型线圈上横边101、“L”型线圈下竖边102、“L”型线圈侧竖边103、“L”型线圈侧横边104、“D”型线圈2、“D”型正方形边201、发射端屏蔽层3、发射端磁芯4、发射端线圈5、接收端屏蔽层6、接收端磁芯7、接收端线圈8、电压源9、逆变电路10、发射补偿电路11、接收补偿电路12、整流电路13、负载14、耦合结构15。

具体实施方式

如图1和2中所示，一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构，包括相互对应的发射端线圈5和接收端线圈8，发射端线圈5和接收端线圈8包括串联连接的“L”型线圈和“D”线圈，“D”线圈外圈呈矩形，“D”线圈矩形的两边与“L”型线圈外圈竖边和横边相邻，其中发射线圈中“L”型线圈长边为400mm，短边与“D”线圈边长相等为200mm，整体面积为400mm*400mm，“L”型、“D”型线圈在缠绕时的宽度为50mm，传输距离为150mm，接收端线圈8的矩形尺寸小于发射端线圈5矩形尺寸，线圈为边长都为发射线圈的1/2，当电流通过发射端线圈5时，“L”型线圈1和“D”型线圈2相邻部分电流方向相同，所有产生的磁场方向相同并叠加在一起，并且相邻部分两端线圈磁场的高度有效地增高，增加了系统的传输效率，“L”型线圈1和“D”型线圈2的总线圈匝数采用15匝到20匝之间，可以适用于中等尺寸的传输运用场合。

如图8中所示，与“LD”线圈相同尺寸下，“DD”型线圈与“DL”型线圈发生偏移时的耦合系数的变化。

最大传输效率公式有：

耦合系数越大传输效率越大。

相较于“DD”型线圈，“LD”线圈耦合系数更大，具有更大得到充电区域，传输效率也会相较增加，偏移程度也要优于“DD”型线圈；

接收端线圈8的矩形尺寸小于发射端线圈5矩形尺寸，使得结构发生偏移时也能获得较大的传输功率。

上述的“L”型线圈以“L”型的横边终点为起点，进入“L”型折角内部，围绕“L”型依次向外缠绕，最外圈到达“L”型的横边时进入“D”型内部并从内向外缠绕。

上述的“L”型线圈和“D”线圈组成矩形外圈。

上述的发射端线圈5和接收端线圈8的“D”线圈外圈为正方形，“D”线圈与“L”型线圈组成正方形外圈。

上述的“D”型线圈侧边为“D”型正方形边201，“D”型正方形边201和“L”型线圈的“L”型线圈上横边101、“L”型线圈下竖边102长度相等，即“D”型线圈宽度为线圈整体宽度的一半，“D”型线圈面积为线圈整体面积的四分之一，此种情况下，“D”型线圈占据整个正方形的一角，能够在“L”型线圈和“D”型线圈相邻处创造很强的复合磁场。

上述的发射线圈发射端线圈5下方设有发射端磁芯4，发射端磁芯4下方连接发射端屏蔽层3；

上述的接收端线圈8上方设有接收端磁芯7，接收端磁芯7上方连接接收端屏蔽层6；

上述的发射端屏蔽层3和接收端屏蔽层6采用较薄的坡莫合金材料作为屏蔽材料，可以用来屏蔽磁场辐射带来的危害，在发射端与接收端都加入了较薄的坡莫合金材料板来作为屏蔽层，并且屏蔽层的尺寸要较大于发射端与接收端，对于整个磁耦合结构起到了二次屏蔽的作用。

上述的发射端磁芯4和接收端磁芯7为纳米晶材料条形磁芯，用于增强发射端线圈5和接收端线圈8间的耦合强度，减少漏磁，通过加入了纳米晶材料条形磁芯，比平板磁芯减少了材料的应用，同时减少了磁芯损耗带来的负面影响，增加了传输介质的磁导率，减少了漏磁，提高了发射端与接收端的耦合系数，进一步的提高了系统的传输效率。

上述的发射端线圈5和接收端线圈8采用利兹线绕制。

使用上述非对称“LD”无线电能传输线圈结构的无线电能传输系统，其特征在于，包括电压源9，电压源9的输出端与逆变电路10电连接，逆变电路10的输出端与发射补偿电路11电连接，发射补偿电路11的输出端与耦合结构15电连接，耦合结构15的输出端与接收补偿电路12电连接，接收补偿电路12输出端与整流电路13电连接，整流电路13输出端与负载14电连接，当电压源9发出的直流电输入时，首先通过高频逆变器在逆变电路10中进行逆变，转换成交流电，产生的高频交流电通过发射补偿电路11传输到发射端，在耦合结构15中以磁耦合谐振方式传输到接收端，通过接收补偿电路12进行补偿，之后接收端的高频交流电通过高频整理器在整流电路13转换为直流传输给负载14。

上述的耦合结构15包括对应设置的发射端线圈5和接收端线圈8，耦合结构15从上之下依次为接收端屏蔽层6、接收端磁芯7、接收端线圈8、发射端线圈5、发射端磁芯4和发射端屏蔽层3。

Claims (10)

1.一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构，其特征在于：包括相互对应的发射端线圈（5）和接收端线圈（8），发射端线圈（5）和接收端线圈（8）包括串联连接的“L”型线圈和“D”线圈，“D”线圈外圈呈矩形，“D”线圈矩形的两边与“L”型线圈外圈竖边和横边相邻，接收端线圈（8）的矩形尺寸小于发射端线圈（5）矩形尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述的“L”型线圈以“L”型的横边终点为起点，进入“L”型折角内部，围绕“L”型依次向外缠绕，最外圈到达“L”型的横边时进入“D”型内部并从内向外缠绕。

3.根据权利要求2所述的一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述的“L”型线圈和“D”线圈组成矩形外圈。

4.根据权利要求3所述的一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述的发射端线圈（5）和接收端线圈（8）的“D”线圈外圈为正方形，“D”线圈与“L”型线圈组成正方形外圈。

5.根据权利要求4所述的一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述的“D”型线圈侧边为“D”型正方形边（201），“D”型正方形边（201）和“L”型线圈的“L”型线圈上横边（101）、“L”型线圈下竖边（102）长度相等，即“D” 型线圈宽度为线圈整体宽度的一半，“D” 型线圈面积为线圈整体面积的四分之一。

6.根据权利要求5所述的一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述的发射线圈发射端线圈（5）下方设有发射端磁芯（4），发射端磁芯（4）下方连接发射端屏蔽层（3）；

所述的接收端线圈（8）上方设有接收端磁芯（7），接收端磁芯（7）上方连接接收端屏蔽层（6）。

7.根据权利要求6所述的一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述的发射端磁芯（4）和接收端磁芯（7）为纳米晶材料条形磁芯，用于增强发射端线圈（5）和接收端线圈（8）间的耦合强度，减少漏磁。

8.根据权利要求7所述的一种非对称“LD”无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述的发射端线圈（5）和接收端线圈（8）采用利兹线绕制。

9.使用上述权利要求8所述的非对称“LD”无线电能传输线圈结构的无线电能传输系统，其特征在于，包括电压源（9），电压源（9）的输出端与逆变电路（10）电连接，逆变电路（10）的输出端与发射补偿电路（11）电连接，发射补偿电路（11）的输出端与耦合结构（15）电连接，耦合结构（15）的输出端与接收补偿电路（12）电连接，接收补偿电路（12）输出端与整流电路（13）电连接，整流电路（13）输出端与负载（14）电连接。

10.根据权利要求9所述的一种无线电能传输系统，其特征在于，所述的耦合结构（15）包括对应设置的发射端线圈（5）和接收端线圈（8），耦合结构（15）从上之下依次为接收端屏蔽层（6）、接收端磁芯（7）、接收端线圈（8）、发射端线圈（5）、发射端磁芯（4）和发射端屏蔽层（3）。

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