CN113964949B - 松耦合无线传输装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

松耦合无线传输结构及其应用，包括发射端装置和接收端装置，发射端和接收端均为磁芯与线圈的组合，磁芯与线圈都呈“井”字型分布，发射端装置和接收端装置工作时，由发射端的“井”字型线圈通过电流产生沿磁芯“井”字型交叉分布的磁场，由接收端装置的磁芯感应到发射端磁芯的磁场，然后在接收端“井”字型线圈产生感应电流实现无线电能传输，通过井字型的磁耦合机构，能够通过纵横交错的磁场在感应线圈中产生感应电流实现无线传输，由于井字型的磁场交错能够欧在发射端和接收端发生较大偏移时欧欧赫系数变化较小，具有更强的抗偏移能力，能够解决因发射端与接收端不对准而造成传输效率变化较大的问题，适用于对准精度不高的无线传输场景。

Description

松耦合无线传输装置及其应用
技术领域
本发明涉及无线电传输领域，具体涉及一种松耦合无线传输装置及其应用。
背景技术
随着汽车的大量生产与普及，地球的环境面临着前所未有的挑战，能源问题越来越严重。然而，电动汽车的出现对于缓解地球的能源危机提供了巨大的帮助。近年来，电动汽车充电技术在不断更新，无线充电技术吸引了广大科学研究者的关注。它凭借着自身的灵活性，安全性以及环境的友好性已逐渐的应用到了不同的领域，包括家用电器，便携式电子设备，医疗植入物以及电动汽车等。
无线充电技术即无线电能传输，该技术通过利用磁场耦合来实现电能的传输，相较于传统的有线充电方式，可以适用于多种恶劣天气与环境，具有良好的应用前景。但是，其相比于紧耦合变压器存在低耦合的缺点，尤其是在发射端与接收端发生偏移不对准时，耦合系数大大下降，传输效率也随之降低。在无线电能传输系统中，该结构作为重要的一环，并且很多结构已经可以达到大功率传输的目的，但是抗偏移能力还有待提高。
在现有的无线电能传输系统中常用的结构大部分都可以满足实际，例如圆形线圈结构、矩形线圈结构、“DD”型线圈结构等。不过，一旦发射端与接收端发生较大偏移时，耦合系数也会大大下降，尤其是DD型线圈结构在横向偏移上；此外，还有不少学者对于补偿结构进行优化，例如SS补偿结构、SP/S补偿结构以及S/SP补偿结构等。与传统的结构相比具有更好的抗偏移性能，但是在抗偏移性能提升上还没达到预期结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种松耦合无线传输装置及其应用，该结构在发射端与接收端发生较大偏移时，耦合系数的变化也比较小，也能保证良好的电能传输。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
松耦合无线传输装置，包括发射端装置和接收端装置，发射端和接收端均为磁芯与线圈的组合，磁芯与线圈都呈“井”字型分布，发射端装置和接收端装置工作时，由发射端的“井”字型线圈通过电流产生沿磁芯“井”字型交叉分布的磁场，由接收端装置的磁芯感应到发射端磁芯的磁场，然后在接收端“井”字型线圈产生感应电流实现无线电能传输。
上述的发射端装置包括发射端线圈和发射端磁芯，发射端磁芯由两纵两横的磁芯体呈“井”字型分布组成，发射端线圈由并排排列的横向线圈和并排排列的纵向线圈缠绕磁芯体组成。
上述的发射端磁芯的磁芯体在线圈缠绕处分别设有横向线槽和纵向线槽，用于容纳发射端线圈。
上述的接收端装置包括接收端磁芯和接收端线圈，接收端磁芯由两纵两横的磁芯体呈“井”字型分布组成，接收端线圈由并排排列的横向线圈和并排排列的纵向线圈缠绕磁芯体组成。
上述的接收端磁芯在线圈缠绕处分别设有横向线槽和纵向线槽，用于容纳接收端线圈。
上述的发射端装置和接收端装置并排排列的横向线圈均由同一根导体绕制而成且缠绕螺旋方向相同，上述的发射端装置和接收端装置并排排列的纵向线圈均由同一根导体绕制而成且缠绕螺旋方向相同。
上述上述的发射端装置和接收端装置的横向线圈和纵向线圈由同一根导体绕制而成。
上述的发射端装置和接收端装置的“井”字型磁芯尺寸相同，发射端装置和接收端装置的“井”字型线圈宽度相同。
使用上述的松耦合无线传输装置在无线充电系统中的应用，一种无线电能传输系统，包括依次连接的交流输入端、松耦合变压器和负载端，松耦合变压器由“井”字型磁耦合结构的发射端装置和接收端装置组成无线电能传输装置，发射端装置的线圈与交流输入端电连接，交流输入端的交流电源通过AC/DC装置转换之后，通过高频DC/AC装置输入到输入补偿电路，输入补偿电路与发射端装置的线圈电连接；
接收端装置的线圈与负载端的输出补偿电路电连接，输出补偿电路输出经过AC/DC装置转换后将电能传输到负载。
本发明提供的一种松耦合无线传输装置及其应用，通过井字型的磁耦合机构，能够通过纵横交错的磁场在感应线圈中产生感应电流实现无线传输，由于井字型的磁场交错能够欧在发射端和接收端发生较大偏移时欧欧赫系数变化较小，具有更强的抗偏移能力，能够解决因发射端与接收端不对准而造成传输效率变化较大的问题。
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为本发明松耦合无线传输装置的示意图；
图2为本发明松耦合无线传输装置中磁芯的结构示意图；
图3为本发明松耦合无线传输装置中线圈的结构示意图；
图4为实施例中松耦合变压器Y-Z平面二维磁场分布云图；
图5为实施例中松耦合变压器沿Y＝X方向的二维磁场分布云图；
图6为实施例中沿X方向偏移下不同结构耦合系数k的变化折线图；；
图7为实施例中沿Y＝X方向偏移下不同结构耦合系数k的变化折线图；
图8为本发明的无线充电系统的电能传输系统示意图。
其中：发射端线圈1、发射端磁芯2、接收端磁芯3、接收端线圈4、横向线圈5、纵向线圈6、磁芯体7、横向线槽8、纵向线槽9。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
如图1中所示，松耦合无线传输装置，包括发射端装置和接收端装置，发射端和接收端均为磁芯与线圈的组合，磁芯与线圈都呈“井”字型分布，发射端装置和接收端装置工作时，由发射端的“井”字型线圈通过电流产生沿磁芯“井”字型交叉分布的磁场，由接收端装置的磁芯感应到发射端磁芯的磁场，然后在接收端“井”字型线圈产生感应电流实现无线电能传输。
如图1和2中所示，上述的发射端装置包括发射端线圈1和发射端磁芯2，发射端磁芯2由两纵两横的磁芯体7呈“井”字型分布组成，发射端线圈1由横向线圈5和纵向线圈6缠绕磁芯体7组成。
如图2中所示，上述的发射端磁芯2的磁芯体7在线圈缠绕处分别设有横向线槽8和纵向线槽9，用于容纳发射端线圈1。
如图1和2中所示，上述的接收端装置包括接收端磁芯3和接收端线圈4，接收端磁芯3由两纵两横的磁芯体7呈“井”字型分布组成，接收端线圈4由横向线圈5和纵向线圈6缠绕磁芯体7组成。
如图2中所示，上述的接收端磁芯3在线圈缠绕处分别设有横向线槽8和纵向线槽9，用于容纳接收端线圈4。
如图3中所示，上述的并排排列的横向线圈5由同一根导体绕制而成且缠绕螺旋方向相同，并排排列的纵向线圈6由同一根导体绕制而成且缠绕螺旋方向相同，通过一根导体绕制且缠绕方向相同，使得纵向线圈6和横向线圈5的两排磁场方向一致，是增强效果，避免损耗；
上述的横向线圈5和纵向线圈6由同一根导体绕制而成；因为一根线圈导体需要对应的电路转换装置，通过同一根导体绕制，使得装置只需要一个相应的电源装换装置。
对于横向线圈5和纵向线圈6不是同一根导体绕制而成的松耦合结构，由于横向和纵向的磁场之间无相互干扰，利用不同的电源转换装置可以得到两组电源，当接收端装置与发射端装置没有完全对齐时，或者发生多个方向的偏移时，由于发射端磁场是交错的且拥有两列，因此接收端线圈仍可以感应到相当的电流，因此具有较好的抗偏移能力。
上述的发射端装置和接收端装置的“井”字型磁芯尺寸相同，发射端装置和接收端装置的“井”字型线圈宽度相同。
使用上述的松耦合无线传输装置在无线充电系统中的应用，一种无线电能传输系统，包括依次连接的交流输入端、松耦合变压器和负载端，松耦合变压器由“井”字型磁耦合结构的发射端装置和接收端装置组成无线电能传输装置，发射端装置的线圈与交流输入端电连接，交流输入端的交流电源通过AC/DC装置转换之后，通过高频DC/AC装置输入到输入补偿电路，输入补偿电路与发射端装置的线圈电连接；
接收端装置的线圈与负载端的输出补偿电路电连接，输出补偿电路输出经过AC/DC装置转换后将电能传输到负载。
实施例：
发射端线圈和接收端线圈以利兹线绕制，磁芯材料为铁氧体，并且在85kHz频率下进行，并结合圆形线圈、DD型线圈进行对比，对比的结果如表1中所示：
表1不同结构尺寸参数以及耦合系数
在表1中，圆形线圈尺寸表示形式：外径×内径/厚度；DD型线圈尺寸表示形式：外边长度/内边长度×外边宽度/内边宽度×厚度；井字型线圈表示形式：外边长度/内边长度×外边高度/内边高度×宽度×个数，因为实际操作原因，两个尺寸不是一样的。
表1中的kX表示在X方向偏移200mm后的耦合系数与发射端和接收端完全对准时耦合系数的比值；表1中kY＝X表示在Y＝X方向偏移200mm后的耦合系数与发射端和接收端完全对准时耦合系数的比值，虽然未发生偏移时，本发明的耦合系数小于圆形与DD型结构，但是已经达到了大功率传输的标准，而且kX、kY＝X都要大于另外两种结构，这两个比值越大，说明发生偏移之后耦合系数变化的越小，也就说明该结构的抗偏移能力越强，因此，从结果中可以看出本发明的抗偏移能力要强于圆形线圈和DD型线圈。
无线电能传输系统的工作原理及使用流程为：
在该无线电能传输系统中，主要包括交流电源、整流环节、逆变环节、补偿电路、耦合结构、补偿电路、整流环节、负载等几个部分，发射端与接收端都采用对称的井字型磁耦合结构。
具体的工作原理是：交流电源发出的交流电输首先经过整流部分变为直流电，在通过高频逆变器在逆变电路中进行高频逆变，将直流电转变成交流电，然后逆变所产生的高频交流电同过补偿电路传输到发射端，在井字型磁耦合结构中以磁耦合谐振的方式传送到接收端，再次通过补偿电路进行补偿，之后接收端的高频交流电通过高频整流以及直流斩波等调节电路，将电能传送给负载，最终实现无线电能的传输。

Claims (5)

1.松耦合无线传输装置，其特征在于，包括发射端装置和接收端装置，发射端和接收端均为磁芯与线圈的组合，磁芯与线圈都呈“井”字型分布，发射端装置和接收端装置工作时，由发射端的“井”字型线圈通过电流产生沿磁芯“井”字型交叉分布的磁场，由接收端装置的磁芯感应到发射端磁芯的磁场，然后在接收端“井”字型线圈产生感应电流实现无线电能传输；
所述的发射端装置包括发射端线圈（1）和发射端磁芯（2），发射端磁芯（2）由两纵两横的磁芯体（7）呈“井”字型分布组成，发射端线圈（1）由并排排列的横向线圈（5）和并排排列的纵向线圈（6）缠绕磁芯体（7）组成；
所述的发射端磁芯（2）的磁芯体（7）在线圈缠绕处分别设有横向线槽（8）和纵向线槽（9），用于容纳发射端线圈（1）；
所述的接收端装置包括接收端磁芯（3）和接收端线圈（4），接收端磁芯（3）由两纵两横的磁芯体（7）呈“井”字型分布组成，接收端线圈（4）由并排排列的横向线圈（5）和并排排列的纵向线圈（6）缠绕磁芯体（7）组成；
所述的接收端磁芯（3）在线圈缠绕处分别设有横向线槽（8）和纵向线槽（9），用于容纳接收端线圈（4）；
所述的发射端装置和接收端装置并排排列的横向线圈（5）均由同一根导体绕制而成且缠绕螺旋方向相同，发射端装置和接收端装置并排排列的纵向线圈（6）均由同一根导体绕制而成且缠绕螺旋方向相同。
2.根据权利要求1所述的松耦合无线传输装置，其特征在于，所述的发射端装置和接收端装置的横向线圈（5）和纵向线圈（6）由同一根导体绕制而成。
3.根据权利要求1所述的松耦合无线传输装置，其特征在于，所述的发射端装置和接收端装置的“井”字型磁芯尺寸相同，发射端装置和接收端装置的“井”字型线圈宽度相同。
4.权利要求1-3任一所述的松耦合无线传输装置在无线充电系统中的应用。
5.一种无线电能传输系统，其包括权利要求1-3任一所述的松耦合无线传输装置，其特征在于，包括依次连接的交流输入端、松耦合无线传输装置和负载端，松耦合无线传输装置由“井”字型磁耦合结构的发射端装置和接收端装置组成无线电能传输装置，发射端装置的线圈与交流输入端电连接，交流输入端的交流电源通过AC/DC装置转换之后，通过高频DC/AC装置输入到输入补偿电路，输入补偿电路与发射端装置的线圈电连接；
接收端装置的线圈与负载端的输出补偿电路电连接，输出补偿电路输出经过AC/DC装置转换后将电能传输到负载。
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