CN113963936A - 一种适用于多层线圈的剖面n型绕制方法 - Google Patents

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周星健
程连斌
赵梵丹
宋凯
张剑韬
朱春波
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Abstract

一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法，属于无线供电技术领域。本发明解决了现有技术中线圈绕制方式为两层及两层以上时，线圈在垂直方向垛叠，且由于进出线位置的限制，会占用较大的夹层空间的问题，以及现有技术中的线圈绕制方式使得相邻匝间电压应力的最大值较大的问题。首先从最内层或最外层以顺时针方向或逆时针方向开始，进行叠层绕制；绕制完第一列后，依次向相邻外匝以顺时针方向或逆时针方向叠层绕制下一列，或依次向相邻内匝以顺时针方向或逆时针方向叠层绕制下一列；重复绕制直至第N匝线圈绕制完成后，从线圈的最外层或最内层出线，结束线圈绕制；当有N匝线圈排布为m层、每层为n匝时，其绕制次序的一侧单边剖面呈N形。

Description

一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法
技术领域
本发明涉及一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法，属于无线供电技术领域。
背景技术
现有磁场耦合式无线供电技术，由于如线径(载流)和磁耦合机构的长宽、气隙等物理尺寸的交叉限制，导致其在平板线圈单匝绕制的情况下，互感不能满足需求或由于向内层绕制过程中造成的整体损耗增加和边际收益递减，导致单层密绕多匝线圈(匝数N≥10)的平板线圈方案显著劣于双层至多层叠绕式的平板线圈绕制方案。
如图7及图8所示，单层绕制的N匝线圈中，U表示为线圈两端的总电压应力，n表示同一层中线圈匝数(单层绕制的线圈中，N＝n，多层绕制的线圈中，当线圈层数为m时，N＝m×n)，当线圈匝间尺寸不具备数量级差异，电压应力近似均匀分散在匝间，具备相邻电气连接关系的(即某匝线圈的某一端和另一匝的某一端具备物理上的连接关系)匝间电压可计算为U/N。当绕制的m层线圈，其层间空间(上下)相邻匝间电压最小值可近似计算为U/m。
图9为图8的基于中心线，右侧单边线圈的剖面示意图，其中剖面示意图左侧表示内匝，右侧表示外匝，序号仅表示相邻线圈的关系：如第一匝为1、第二匝为2，以此类推；或第一匝为N、第二匝为N-1，最后一匝为1。
但在如图10-16为例的双层叠绕的方案下，橙色为第一层，绿色为第二层，红色为第三层(图10及图11线圈仅有两层，故不具备第三层)，两层线圈在垂直方向垛叠。且由于进出线位置的限制，会占用较大的夹层空间。例如：如图10的一种线圈绕制方式为：在第一层由外侧向内侧沿顺时针方向绕制一层线圈后，在第二层由内侧向外侧沿顺时针绕制第二层线圈；或者在第一层由内侧向外侧沿逆时针方向绕制一层线圈后，在第二层由外侧向内侧沿逆时针方向绕制第二层线圈，以实现同时从线圈外侧或里侧出线。其右侧单边线圈的剖面示意图如图12所示。
如图11的另一种线圈绕制方式为：在第一层由外侧向内侧沿顺时针方向绕制一层线圈后，经由中间过线层在第二层由外侧向内侧沿顺时针方向绕制第二层线圈，实现一层从线圈外侧出线，另一层从线圈中心经中间层出线，其右侧单边线圈的剖面示意图如图15所示。按照此种绕制方式，如图16所示，假设共10匝线圈(即N＝10)，绕制2层(即m＝2)，每层5匝(即n＝5)，层间空间(上下)相邻匝间电压最小值Ux可近似计算为
Figure BDA0003280291610000021
设电势在匝间均匀降落，设1匝进线端和10匝出线端间总电压应力为U，则上层或下层临匝间的电压应力(如序号1、2间)为
Figure BDA0003280291610000022
上层和下层相同位置的匝间最大的电压应力(如序号1、6间)为
Figure BDA0003280291610000023
以第一列为例，也可以序号计算为
Figure BDA0003280291610000024
相邻斜方向匝间电压应力(如序号1、7之间)为
Figure BDA0003280291610000025
即相邻斜方向匝间电压应力略大于上下层间相同位置的电压应力，但由于其线圈中心距为上下相同位置匝间线圈的
Figure BDA0003280291610000026
倍，故其归一化距离后电压应力
Figure BDA0003280291610000027
可见，现有技术中的线圈绕制方式使得相邻匝间电压应力的最大值较大。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中线圈绕制方式为两层及两层以上时，线圈在垂直方向垛叠，且由于进出线位置的限制，会占用较大的夹层空间的问题，以及现有技术中的线圈绕制方式使得相邻匝间电压应力的最大值较大的问题，进而提供了一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法，它包括如下步骤：
首先从最内层以顺时针方向或逆时针方向开始，或首先从最外层以顺时针方向或逆时针方向开始，进行叠层绕制；绕制完第一列后，依次向相邻外匝以顺时针方向或逆时针方向叠层绕制下一列，或依次向相邻内匝以顺时针方向或逆时针方向叠层绕制下一列；重复绕制直至第N匝线圈绕制完成后，从线圈的最外层或最内层出线，结束线圈绕制；当有N匝线圈排布为m层、每层为n匝时，其绕制次序的一侧单边剖面呈N形。
进一步地，层数m及每层匝数n均取正整数，若层数m小于或等于每层匝数n，则m(n-1)＜N≤mn。
进一步地，若N＜mn，则匝数到N为止。
进一步地，当m>1时，线圈总匝数N>10。
进一步地，当m>1时，n/m>5。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请通过调整线圈匝间绕制方式，以最小化线圈在各个方向相邻匝的匝间的电压应力，解决了层间电压应力过高的问题。取消了原有线圈较厚的层间绝缘，极大地缩小了线圈的体积，减少绝缘材料占用的空间，提高了耦合机构的功率密度。
附图说明
图1为本申请的线圈排布方式示意图(以颜色示意层间关系)；
图2为本申请的线圈排布方式原理图(以颜色示意匝间绕制次序)；
图3为本申请线圈单侧绕制次序剖面示意图；
图4为线圈单侧排布方式原理图；
图5为线圈单侧排布方式剖面图；
图6为采用本申请的绕制方式的双层线圈剖面图；
图7为现有技术中单层线圈排布方式立体示意图；
图8为现有技术中单层线圈排布方式平面示意图；
图9为现有技术中单层线圈绕制剖面示意图；
图10为现有技术中第一双层线圈排布方式原理图；
图11为现有技术中第一双层线圈排布方式示意图；
图12为图11所示的双层线圈单侧绕制次序剖面示意图；
图13为现有技术中第二双层线圈排布方式原理图；
图14为现有技术中第二双层线圈排布方式示意图；
图15为图14所示的双层线圈单侧绕制次序剖面示意图；
图16为现有技术中双层线圈剖面图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～16说明本实施方式，一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法，它包括如下步骤：
首先从最内层以顺时针方向或逆时针方向开始，或首先从最外层以顺时针方向或逆时针方向开始，进行叠层绕制；绕制完第一列后，依次向相邻外匝以顺时针方向或逆时针方向叠层绕制下一列，或依次向相邻内匝以顺时针方向或逆时针方向叠层绕制下一列；重复绕制直至第N匝线圈绕制完成后，从线圈的最外层或最内层出线，结束线圈绕制；当有N匝线圈排布为m层、每层为n匝时，其绕制次序的一侧单边剖面呈N形。
本申请通过调整线圈匝间绕制方式，以最小化线圈在各个方向相邻匝的匝间的电压应力，解决了层间电压应力过高的问题。取消了原有线圈较厚的层间绝缘，极大地缩小了线圈的体积，减少绝缘材料占用的空间，提高了耦合机构的功率密度。
利用本申请的绕制方式，当线圈总匝数N大于6时，层间电压应力就会降低。应用多层线圈时N至少大于10，此时匝间的最大电压应力显著降低。
n/m比值越大，效果越好，当n/m>3时，层间电压应力就会降低。一般应用多层线圈时n/m>5，就会显著降低匝间的最大电压应力。
以两层式线圈绕制为例，相邻线圈间最大电压应力减少至2U/N。多层线圈，相邻线圈间最大电压应力减少至mU/N。
如图4所示，多层线圈间电压应力Ux有
Figure BDA0003280291610000041
当N＝mn时有
Figure BDA0003280291610000042
故当层数m和匝数n的关系满足
m＜n (3)
则有
Figure BDA0003280291610000043
即采用本申请的线圈绕制方法所绕制的线圈匝间最大电压应力明显优于现有技术，且n和m值差异越大，本申请的效果越优。
下面，具体到线圈匝数及层数并结合现有技术举例说明采用本申请的线圈绕制方法所绕制的线圈匝间的最大电压应力明显优于现有技术：
如图6所示，以两层线圈为例，具体为：共10匝线圈(即N＝10)，绕制2层(即m＝2)，每层5匝(即n＝5)。
上下层间相同位置的匝间电压应力和有物理连接关系的相邻斜方向匝间电压应力(如1、2间或2、3间)为U/N=U/10，另一部分同层相邻匝间电压应力(如1、3间或2、4间)为
Figure BDA0003280291610000044
无物理连接关系的邻斜方向匝间电压应力(如1、4间)为
Figure BDA0003280291610000045
但由于其线圈中心距为上下相同位置匝间线圈的
Figure BDA0003280291610000046
倍，故其归一化距离后电压应力
Figure BDA0003280291610000047
可见，本申请将空间位置上相邻的最大匝间电压应力由1/2U降至低于1/5U，显著降低了匝间电压应力。
层数m及每层匝数n均取正整数，若层数m小于或等于每层匝数n，则m(n-1)＜N≤mn。
若N＜mn，则匝数到N为止。例如：共需要15匝线圈，即N＝15，以2层、每层8匝线圈的排布方式，即m＝2，n＝8时，则当绕到第15匝时停止绕制，第2×8＝16匝不绕。
当m>1时，线圈总匝数N>10。即，应用多层线圈时N至少大于10，此时匝间的最大电压应力显著降低。
当m>1时，n/m>5。即，应用多层线圈时，每层线圈匝数n与线圈排布层数m之间的比值应至少大于5，此时匝间的最大电压应力显著降低。

Claims (6)

1.一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法，其特征在于：它包括如下步骤：
首先从最内层以顺时针方向或逆时针方向开始，或首先从最外层以顺时针方向或逆时针方向开始，进行叠层绕制；绕制完第一列后，依次向相邻外匝以顺时针方向或逆时针方向叠层绕制下一列，或依次向相邻内匝以顺时针方向或逆时针方向叠层绕制下一列；重复绕制直至第N匝线圈绕制完成后，从线圈的最外层或最内层出线，结束线圈绕制；当有N匝线圈排布为m层、每层为n匝时，其绕制次序的一侧单边剖面呈N形。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法，其特征在于：层数m及每层匝数n均取正整数，若层数m小于或等于每层匝数n，则m(n-1)＜N≤mn。
3.根据权利要求2所述的一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法，其特征在于：若N＜mn，则匝数到N为止。
4.根据权利要求2或3所述的一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法，其特征在于：当m>1时，线圈总匝数N>10。
5.根据权利要求2或3所述的一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法，其特征在于：当m>1时，n/m>5。
6.根据权利要求4所述的一种适用于多层线圈的剖面N型绕制方法，其特征在于：当m>1时，n/m>5。
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