CN113922519A - 用于大磁场空间的轻量化能量接收装置、能量耦合机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁耦合谐振式无线能量传输技术领域，具体公开了一种用于大磁场空间的轻量化能量接收装置、一种能量耦合机构，其中轻量化能量接收装置包括圆柱状磁芯以及分别设置在圆柱状磁芯的顶端和底端的上平面磁芯和下平面磁芯，还包括缠绕在圆柱状磁芯上的接收线圈，接收线圈缠绕成沿圆柱状磁芯轴向顺序连接的多个平面线圈，每个平面线圈径向缠绕在圆柱状磁芯上。能量耦合机构包括圆筒形能量发射线圈以及该轻量化能量接收装置。该轻量化能量接收装置能够接收到足够的能量，但又不会导致等效电阻太大限制其功率输出，满足远距离无线电能传输的功率要求，且具有一定的抗角度偏移的能力，整体尺寸较小，重量较轻，适用于一般的小功率用电设备。

Description

用于大磁场空间的轻量化能量接收装置、能量耦合机构

技术领域

本发明涉及磁耦合谐振式无线能量传输技术领域，尤其涉及一种用于大磁场空间的轻量化能量接收装置、一种能量耦合机构。

背景技术

无线电能传输又称为非接触电能传输(Contactless Power Transfer，CPT)，是电能传输的一种全新形式和革命性进步。图1展示了无线充电系统的结构示意框图。主要包括：工频AC到高频AC的转换电路、原边补偿网络及供电端多线圈矩阵、副边补偿网络及受电端线圈、高频整流电路等。

无线电能传输技术是以电磁场为媒介实现电能传递。无线充电是将原副边绕组分别置于地面和用电设备中，通过高频磁场耦合实现非接触式电能传输。按照无线充电电能传输机理不同主要分为如图2所示的几种。

其中前3种传输形式(电磁波、电场耦合式和磁场耦合式)属于利用电磁效应进行无线电能传输。四种常见无线充电方式特点进行比较，如下表1所示。

表1四种无线充电方式对比

目前受到较多关注的是磁场耦合式无线电能传输。该方式利用电源侧的线圈产生交变磁场，耦合到负载侧的接收线圈，再由接收端变换器将磁场能量转换成电能，进而实现电能的无线传输。

磁感应式是利用松耦合变压器，在变压器一次侧通入交变电流，通过电磁感应原理在变压器二次侧产生感应电流，实现电能传输。这种系统也存在自己的缺陷，包括变压器损耗大、传输距离过短、传输效率随着距离增大而迅速减小、横向偏移容差小等。因此一般工作的范围从毫米级到10cm。此外，由于其能量呈现发散式，因此感应电流相比输入电流小的多，所以电磁感应式电能传输的效率成为最受关注的问题。

磁耦合谐振式主要基于近场强耦合理论，同样是以磁场为媒介，通过发射线圈与接收线圈之间的磁耦合谐振作用，实现电能的无线传输。磁共振技术对于距离的要求相对来说比较低，它可以支持数厘米甚至是数米之间的距离来对设备进行充电。由于该技术利用近场区的能量非辐射特性，使能量在具有相同谐振频率的发射线圈与接收线圈之间传递，不同频率的物体基本不受影响，导致该技术可以实现高效、相对感应耦合技术较远距离的能量传输。

目前大多数磁耦合谐振式无线能量传输系统原边发射端和副边接收端距离相对较近，很少有远至数米远的系统装置，因为距离太远会导致能量传输效率低下。又由于在一个较大的空间范围内(大磁场空间)为各个小型负载进行无线供电，无线电能的传输存在两个方面的问题，首先是传输距离远，一般在一米以上，然后是接收线圈体积小，其能量接收能力有限。因此，能量传输距离和体积就限制了较大空间范围内各个微型接收装置的能量接收能力。具体而言，目前在大空间范围内采用微型接收装置进行能量接收存在的问题有：

1)能量接收装置不够小型化和轻量化；

2)能量传输距离过远，大于1米以至于几乎接收不到能量；

3)能量接收装置接收功率过小；

4)能量接收装置在空间内抗角度偏移能力不足；

5)能量接收装置电能转换电路过于复杂的问题；

6)能量接收装置中接收线圈的绕制方式以及匝数导致串联等效电阻与自感系数冲突；

7)能量接收装置过小，磁芯聚磁能力不够。

发明内容

本发明提供一种用于大磁场空间的轻量化能量接收装置、一种能量耦合机构，解决的技术问题在于：如何克服以上所有问题。

为解决以上技术问题，本发明提供一种用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，包括圆柱状磁芯以及分别设置在所述圆柱状磁芯的顶端和底端的上平面磁芯和下平面磁芯，还包括缠绕在所述圆柱状磁芯上的接收线圈，所述接收线圈缠绕成多个沿所述圆柱状磁芯轴向顺序连接的平面线圈，每个平面线圈径向缠绕在所述圆柱状磁芯上。

优选的，所述上平面磁芯与所述下平面磁芯相平行，所述圆柱状磁芯垂直于所述上平面磁芯与所述下平面磁芯，三者构成类工字型磁芯。

优选的，所述接收线圈选取直径0.05mm、40股的丝包线，使所述接收线圈在磁场空间内任意位置的感应电压都大于需求电压。

优选的，所述接收线圈绕制了[190,200]匝，其等效串联电阻在150kHz频率下为5Ω至6Ω。

优选的，所述类工字型磁芯采用锰锌铁氧体制成，其重量为(12±1)g。

优选的，所述上平面磁芯与所述下平面磁芯为两块相同的立方体，该立方体的长宽高分别为(18.0±0.3)mm、(15.5±0.3)mm、(2.0±0.2)mm；所述圆柱状磁芯的高度为(38.0±0.5)mm、直径为(6.0±0.2)mm。

用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，还包括连接所述接收线圈的能量转换电路模块；所述能量转换电路模块包括串联谐振电容、整流滤波电路和稳压电路；所述整流滤波电路采用顺序并联的整流桥及第一电容、第二电容，所述稳压电路采用顺序并联的线性稳压器、滤波电容和储能电容；所述串联谐振电容的一端连接所述接收线圈的一端，所述串联谐振电容的另一端和所述接收线圈的另一端分别连接所述整流桥的两端。

本发明提供的一种用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，其有益效果在于：

1、磁芯部分设计成类工字型，其聚磁效果更优，并且在圆柱状磁芯的两端增加磁片(上平面磁芯、下平面磁芯)，使得能量接收装置在接收能量时具有一定的抗角度偏移的能力；

2、考虑到接收线圈的等效电阻以及原副边互感系数两方面的问题，通过多次实验，选取了比较合适的线圈匝数以及绕制方法，使得接收线圈能够接收到足够的能量，但又不会导致等效电阻太大限制其功率输出；

3、磁芯部分采用技术成熟且易于加工的锰锌铁氧体材料，该材料便宜且易于购买，加工工序简单；

4、能量转换电路模块采用串联谐振电容进行副边谐振，采用整流桥、电容等进行整流滤波，采用线性稳压器、电容等进行稳压，得到特定电压的直流电。该电路简单，搭建容易，可得到体积较小的电路板；

5、能量接收装置整体尺寸较小，重量较轻，满足小型化、轻量化的要求；

6、在系统中测出其最大输出功率为1.05W，满足远距离无线电能传输的功率要求，适用于一般的小功率用电设备。

本发明还提供一种能量耦合机构，包括圆筒形能量发射线圈，所述圆筒形能量发射线圈被激励后其内部空间形成垂直交变的圆柱形磁场空间；还包括分布在该圆柱形磁场空间中的1个以上上述轻量化能量接收装置。

优选的，所述圆筒形能量发射线圈螺旋管式绕制成圆筒形，所述圆筒形能量发射线圈的直径为(3±0.1)m、高度为(3±0.1)m。

本发明提供的一种能量耦合机构，其有益效果在于：

通过圆筒形能量发射线圈(直径约3m)为若干轻量化能量接收装置提供大磁场空间(垂直交变的圆柱形磁场空间)，使得空间内任意位置的能量接收装置的输出功率均在1.05W以上，满足一般的小功率用电设备的功率要求。

附图说明

图1是本发明背景技术提供的无线充电系统结构示意框图；

图2是本发明背景技术提供的现有无线电能传输分类示意框图；

图3是本发明实施例提供的能量耦合机构中发射线圈与接收线圈的示意图；

图4是本发明实施例提供的发射线圈磁芯的部分剖面图；

图5是本发明实施例提供的磁感应强度与接收线圈磁芯的长度的关系；

图6是本发明实施例提供的接收线圈及其磁芯的结构图；

图7是本发明实施例提供的能量转换电路模块的电路图；

图8是本发明实施例提供的对场强最弱处能量接收装置的电压测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

如图3所示，本实施例提供一种能量耦合结构，包括圆筒形能量发射线圈和轻量化能量接收装置，圆筒形能量发射线圈被激励后其内部空间形成垂直交变的圆柱形磁场空间。若干个轻量化能量接收装置则置于该圆柱形磁场空间中接收能量。圆筒形能量发射线圈(以下简称发射线圈)由若干匝励磁线螺旋绕成，其构成一个直径为(3.0±0.1)m、高度为(3.0±0.1)m的圆柱形磁场空间。由于系统中所对应的发射线圈为一个直径约3m的圆柱形螺线管，圆柱体内部磁感线的方向与发射线圈平行，如图4所示，为发射线圈的部分剖面图，其中，箭头为磁感线方向，颜色表示磁通密度，即磁感应强度B，颜色越深表示磁场强度越强，右边竖直排列的每个黑点代表每匝发射线圈的横截面，黑点左边黑色集中的区域代表发射线圈的内部空间，右边代表外部空间。可以看到内部空间的磁场竖直分布，因此，能量接收装置的接收磁芯可选择棒状磁芯，接收线圈横向绕制在棒状磁芯上，放置的时候保持棒状磁芯竖立在发射线圈的圆柱形磁场空间中则可最大程度地接收能量。

经过仿真还可以得知，磁感应强度与磁芯的长度有很大的关系，即磁芯越长，磁芯内部的磁感应强度越大，如图5所示。本发明实施例提供的一种用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，如图6所示，包括圆柱状磁芯以及分别设置在圆柱状磁芯的顶端和底端的上平面磁芯和下平面磁芯，还包括缠绕在圆柱状磁芯上的接收线圈，接收线圈缠绕成沿圆柱状磁芯轴向顺序连接的多个平面线圈，每个平面线圈径向缠绕在圆柱状磁芯上。

其中上平面磁芯和下平面磁芯是为了进一步增大圆柱状磁芯的磁感应强度，同时使得圆柱状磁芯在与发射线圈磁感线具有一定倾斜夹角的时候对磁芯磁感应强度的影响较小，故在圆柱状磁芯的两端加入了两块较薄的平面磁芯，最终形成了类似工字型的磁芯，本例称之为类工字型磁芯。

发射线圈无磁芯，为利兹线绕制的16匝空心螺线，在发射线圈电流不变的情况下，利兹线的种类不会影响线圈的接收性能，发射线圈的匝数与接收线圈的输出正相关，16匝为满足接收线圈输出功率的最小匝数。

本实施例优选的，如图6所示，上平面磁芯与下平面磁芯相平行，圆柱状磁芯垂直于上平面磁芯与下平面磁芯。圆柱状磁芯的高度为(38.0±0.5)mm、直径为(6.0±0.2)mm。类工字型磁芯采用锰锌铁氧体制成，本例将其重量控制在12g左右，重量最好为(12.0±1)g。上平面磁芯与下平面磁芯为两块相同的立方体，该立方体的长宽高分别为(18.0±0.3)mm、(15.5±0.3)mm、(2.0±0.2)mm。

拼接时，圆柱状磁芯上下两端的圆心处对准两个平面磁芯的中心，采用JL-498金属快干强力胶水进行粘合拼接。

常用的软磁材料有硅钢片、纯铁、坡莫合金、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体和非晶纳米晶合金材料。其中硅钢片和镍锌铁氧体的磁导率比较低，可以首先排除，而纯铁和坡莫合金的电阻率低导致涡流损耗很高，因此也可以排除，所以最后主要考虑2种材料，分别是锰锌铁氧体和非晶纳米晶合金。考虑到能量接收装置的轻量化要求，磁芯重量小于20g为宜。由于磁芯的形状已经大致确定，而非晶纳米晶合金的软磁材料多为薄带，很难加工成工字型，虽然锰锌铁氧体的性能比非晶纳米晶合金稍差，但是其产品成熟，易于加工，有多种形状可以选择，便于采购，所以最后磁芯的材料选定为锰锌铁氧体。

接下来是接收线圈的设计。由于需要能量接收装置在空间内任意位置都能接收到足够的能量，而在空间的中部位置磁场普遍比较弱，所以必然需要绕制相当多的匝数，使得接收线圈的自感增大，进而增加原副边的互感系数。与此同时，随着线圈匝数的增加，线圈的等效串联电阻也变得不可忽视，甚至成为了限制接收线圈输出功率的主要原因，因此需要考虑尽可能地减少接收线圈的等效串联电阻。

在多次的实验对比之下，选取了利兹线为直径0.05mm、40股的丝包线，当发射线圈通以有效值为(9.5±0.5)A交流电时，圆柱形磁场空间内任意位置的感应电压都大于12.6V，便于后续电路调节电压。关于接收线圈的绕线方式，最主要的原则就是尽量减小线圈的匝间电压，以此降低整个线圈的等效串联电阻，因此接收线圈缠绕成沿圆柱状磁芯轴向顺序连接的多个平面线圈，每个平面线圈径向缠绕在圆柱状磁芯上，如图6所示。当接收线圈匝数在190～200时，其在150kHz下的等效串联电阻的减小不明显，而线圈的感应电压呈线性降低；在接收匝数大于200时，线圈感应电压缓慢上升，而其在150kHz下的等效串联电阻的增加幅度很大，这都使得接收装置的输出功率下降，不满足用电要求，所以，接收线圈的匝数以190～200匝为宜，在200匝的时候能量接收装置的输出功率最大。本例接收线圈绕制了200匝左右，共4层平面线圈，每层绕制50匝左右。需要指出，图6仅是为了说明接收线圈的绕制方式，不代表接收线圈绕制完成后的形态。接收线圈的等效串联电阻在150kHz频率下约为5Ω至6Ω。轻量化能量接收装置在竖直放置时，输出功率最大，其最大偏移角度为与底面垂直夹角60°。

本实施例提供的轻量化能量接收装置，还包括连接接收线圈的能量转换电路模块。能量转换电路模块的功能是将接收线圈感应到的交流电转换为稳定的直流电，为用电设备进行供电。能量转换电路模块主要包括谐振补偿网络(采用串联谐振电容)、整流滤波电路和稳压电路三部分，其电路如图7所示。整流滤波电路采用顺序并联的整流桥D2及第一电容C7、第二电容C8，稳压电路采用顺序并联的线性稳压器U1、滤波电容C10和储能电容C9。图7中，串联谐振电容具体由电容C1～C6并联而成，在连接上可以看到，串联谐振电容的一端(通过接口H1的1脚)连接接收线圈的一端，串联谐振电容的另一端和接收线圈的另一端(通过接口H1的2脚)分别连接整流桥D2的两端。该电路模块构成简单，搭建容易，除储能电容C9体积稍大以外，其他器件体积均较小，整体可得到体积较小的电路板。本例设计的电路板其尺寸为32*12mm。

下面说明能量接收装置的功率输出实验测试过程以及结果。当发射线圈通以有效值为(9.5±0.5)A交流电时，在能量接收装置的负载处接上25Ω电阻，并将能量接收装置置于空间中场强最弱的位置点，其电压测试结果如图8所示，可以看到电阻两端的电压为5.13V，由公式P＝U²/R可知，负载输出的功率为1.05W。

综上，本发明实施例提供的一种用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，其有益效果在于：

1、磁芯部分设计成类工字型，其聚磁效果更优，并且在圆柱状磁芯的两端增加磁片(上平面磁芯、下平面磁芯)，使得能量接收装置在接收能量时具有一定的抗角度偏移的能力(最大偏移角度为与底面垂直夹角60°)；

2、考虑到接收线圈的等效电阻以及原副边互感系数两方面的问题，通过多次实验，选取了比较合适的线圈匝数以及绕制方法，使得接收线圈能够接收到足够的能量，但又不会导致等效电阻太大限制其功率输出；

3、磁芯部分采用技术成熟且易于加工的锰锌铁氧体材料，该材料便宜且易于购买，加工工序简单；

4、能量转换电路模块采用串联谐振电容进行副边谐振，采用整流桥、电容等进行整流滤波，采用线性稳压器、电容等进行稳压，得到特定电压的直流电。该电路简单，搭建容易，可得到体积较小的电路板；

5、能量接收装置整体尺寸较小，重量较轻，满足小型化、轻量化的要求；

6、在系统中测出空间磁场最弱点处的最大输出功率为1.05W，满足远距离无线电能传输的功率要求，适用于一般的小功率用电设备。

提供的一种能量耦合机构，其有益效果在于：

通过圆筒形能量发射线圈(直径约3m)为若干轻量化能量接收装置提供大磁场空间(垂直交变的圆柱形磁场空间)，使得空间内任意位置的能量接收装置的输出功率均在1.05W以上，满足一般的小功率用电设备的功率要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，其特征在于，包括圆柱状磁芯以及分别设置在所述圆柱状磁芯的顶端和底端的上平面磁芯和下平面磁芯，还包括缠绕在所述圆柱状磁芯上的接收线圈，所述接收线圈缠绕成多个沿所述圆柱状磁芯轴向顺序连接的平面线圈，每个平面线圈径向缠绕在所述圆柱状磁芯上。

2.根据权利要求1所述的用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，其特征在于：所述上平面磁芯与所述下平面磁芯相平行，所述圆柱状磁芯垂直于所述上平面磁芯与所述下平面磁芯，三者构成类工字型磁芯。

3.根据权利要求2所述的用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，其特征在于：所述接收线圈选取直径0.05mm、40股的丝包线，使所述接收线圈在磁场空间内任意位置的感应电压都大于需求电压。

4.根据权利要求3所述的用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，其特征在于：所述接收线圈绕制了[190,200]匝，其等效串联电阻在150kHz频率下为5Ω至6Ω。

5.根据权利要求4所述的用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，其特征在于：所述类工字型磁芯采用锰锌铁氧体制成，其重量为(12±1)g。

6.根据权利要求5所述的用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，其特征在于：所述上平面磁芯与所述下平面磁芯为两块相同的立方体，该立方体的长宽高分别为(18.0±0.3)mm、(15.5±0.3)mm、(2.0±0.2)mm；所述圆柱状磁芯的高度为(38.0±0.5)mm、直径为(6.0±0.2)mm。

7.根据权利要求1～6任一项所述的用于大磁场空间的轻量化能量接收装置，其特征在于：还包括连接所述接收线圈的能量转换电路模块；所述能量转换电路模块包括串联谐振电容、整流滤波电路和稳压电路；所述整流滤波电路采用顺序并联的整流桥及第一电容、第二电容，所述稳压电路采用顺序并联的线性稳压器、滤波电容和储能电容；所述串联谐振电容的一端连接所述接收线圈的一端，所述串联谐振电容的另一端和所述接收线圈的另一端分别连接所述整流桥的两端。

8.能量耦合机构，其特征在于：包括圆筒形能量发射线圈，所述圆筒形能量发射线圈被激励后其内部空间形成垂直交变的圆柱形磁场空间；还包括分布在该圆柱形磁场空间中的1个以上权利要求1～6任一项所述的轻量化能量接收装置。

9.根据权利要求8所述的能量耦合机构，其特征在于：所述圆筒形能量发射线圈螺旋管式绕制成圆筒形，所述圆筒形能量发射线圈的直径为(3±0.1)mm、高度为(3±0.1)m。

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