CN114243944B - 一种非对称t-dd型无线电能传输磁耦合结构 - Google Patents

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Abstract

一种非对称T‑DD型无线电能传输磁耦合结构，发射端包含发射端线圈，接收端包含接收线圈，发射端线圈由两组线圈组合并排左右接触组成，左边的线圈组合由发射端第一线圈及其内部的发射端第一线圈DD型均磁线圈组组成，发射端第一线圈DD型均磁线圈组由两个并排排列的DD型线圈A和线圈B组成，线圈A和线圈B内侧相互接触。T‑DD型线圈的中心磁场因两个反向绕制的D型线圈磁场减小，但线圈两端的磁场由绕制相同的D型线圈磁场进行叠加，最终使得整个发射线圈激发出的磁场比传统的DD型线圈激发的磁场更加均匀；不仅具有与之相同的Y方向上的抗偏移能力，而且提高了DD型线圈在相邻线圈垂直方向即X方向上的抗偏移能力，实现了更好的传输性能。

Description

一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构
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T-DD型无线电能传输磁耦合结构。
背景技术
随着人类社会的进步日新月异，现代化与电气化程度不断加深，采用导线通过点对点的方式直接连来进行传输能量已经得到了广泛应用，但是由于触点接触摩擦产生火花、恶劣天气、线路老化等一系列问题，大大减少了电气设备的使用寿命。现如今，电动汽车凭借着其清洁、方便、起步稳定等特点受到了广泛的关注，而且在电动汽车上采用无线电能传输技术更是成为了电动汽车未来充电技术的发展趋势。不仅是如此，无线电能传输技术在家用电子设备、智能家居、医疗设备、工业机器人等领域快速应用，并逐渐渗透更加广泛的领域。无线电能传输技术根据原理的不同可以分为根据原理的不同主要分为电磁感应式、磁耦合谐振式、电场耦合式、微波辐射式、激光方式和超声波耦合方式六种，每种传输方式都有着与众不同的优势。
磁耦合结构作为无线电能传输系统的中最为关键的环节，对于系统的传输性能起到了至关重要的作用。对此，无数学者们对这一方方面进行着深入的研究。例如，最为常见的方形线圈与圆形线圈运用最为广泛，这两种结构构造简单，对于能量的传输起到了较好的作用；为了进一步增加系统的传输性能，有的学者提出了DD型线圈，该结构增加了系统的传输距离与效率，但导致另外的问题出现：接收端发生偏移时，由于耦合线圈之间的耦合程度急剧下降，尤其是在DD型线圈相邻处的垂直方向，耦合系数下降较快，极大地影响了传输效率；对此一些学者在补偿结构上进行研究，提出不同种类的拓扑结构，但增加了磁耦合结构的体积，而且会产生无功功率，对于系统的抗偏移性能影响较小，传输效率没有很大提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，该结构相对于传统的DD型线圈，在满足能量传输的条件，提高了DD型线圈在相邻线圈垂直方向即X方向上的抗偏移能力，实现了更好的传输性能。
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T-DD型无线电能传输磁耦合结构，包括发射端和接收端，发射端包含发射端线圈，接收端包含接收线圈，发射端线圈由两组线圈组合并排左右接触组成，左边的线圈组合由发射端第一线圈及其内部的发射端第一线圈DD型均磁线圈组组成，发射端第一线圈DD型均磁线圈组由两个并排排列的DD型线圈A和线圈B组成，线圈A和线圈B内侧相互接触，外侧与发射端第一线圈内侧接触，右边的线圈组合由发射端第二线圈及其内部的发射端第二线圈DD型均磁线圈组组成，发射端第二线圈DD型均磁线圈组由两个并排排列的DD型线圈C和线圈D组成，线圈C和线圈D内侧相互接触，外侧与发射端发射端第二线圈内侧接触,发射端第一线圈和发射端第二线圈尺寸相同，组成DD型线圈组合，上述左边的线圈组合和右边的线圈组合有一个较大的线圈与内部两个相同的DD型线圈串联组成，左右的线圈组合又组成DD型线圈，因此称之为T-DD即Triple-Double D型线圈结构。
上述的接收线圈为串联的DD型项圈组合，由两个矩形线圈并排左右接触组成，两个矩形线圈尺寸相同并串联，两个矩形线圈的绕制方向相反，接收线圈接收能量时位于发射端线圈上方或者下方。
上述的线圈A、线圈C与发射端第一线圈的线圈绕制方向相同，线圈B、线圈D与发射端第二线圈的绕制方向相同，发射端第一线圈与发射端第二线圈的绕制方向相反。
上述的发射端第一线圈与线圈A、线圈B串联连接，发射端第二线圈与线圈C、线圈D串联连接。
上述的发射端第一线圈和发射端第二线圈内的激励方向相反，线圈A、线圈B组合的激励方向以及线圈C、线圈D组合的激励方向与发射端第一线圈和发射端第二线圈组合的激励方向相同。
上述的发射端线圈和接收线圈形成的无线传输区域上下两侧设有屏蔽层，屏蔽层分为发射端屏蔽层和接收端屏蔽层，当发射端线圈在下、接收线圈在上时，发射端线圈放置在发射端屏蔽层上，接收线圈放置在接收端屏蔽层下，当发射端线圈在上、接收线圈在下时，发射端线圈放置在发射端屏蔽层下，接收线圈放置在接收端屏蔽层上。
上述的发射端屏蔽层和接收端屏蔽层为外形尺寸分别大于发射端线圈和接收线圈的板形铁氧体屏蔽板或者多根条形铁氧体屏蔽条。
上述的发射端与电容器串联，接收端与电容器串联，使系统处于谐振状态。
上述的发射端电容由交流电源经过整流器输出后倍频成高频，再经过逆变器输出形成脉冲激励，接收端电源接收到接收端的感应脉冲激励后经过传输到负载。
本发明提供的一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，T-DD型线圈的中心磁场因两个反向绕制的D型线圈磁场减小，但线圈两端的磁场由绕制相同的D型线圈磁场进行叠加，最终使得整个发射线圈激发出的磁场比传统的DD型线圈激发的磁场更加均匀；当本发明应用于无线电能传输系统时，不仅具有与之相同的Y方向上的抗偏移能力，而且提高了DD型线圈在相邻线圈垂直方向即X方向上的抗偏移能力，实现了更好的传输性能。
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为本发明的一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构示意图；
图2为本发明的磁耦合结构发射端磁芯俯视图；
图3为本发明的磁耦合结构发射线圈俯视图；
图4为本发明的磁耦合结构接收线圈俯视图；
图5为本发明的磁耦合结构接收端磁芯俯视图
图6为不同偏移距离下的耦合系数k随着发射线圈内部D型线圈间距离LTC-in的变化情况；
图7为本发明的磁耦合结构与传统DD型结构在X方向发生偏移时的耦合系数变化率Δk的变化；
图8为本发明的磁耦合结构与传统DD型结构在Y方向发生偏移时的耦合系数变化率Δk的变化；
图9为本发明的磁耦合结构在X-Z平面的二维磁场分布云图；
图10为传统的DD型磁耦合结构在X-Z平面的二维磁场分布云图；
图11为本发明的磁耦合结构与传统的DD型结构在X轴上磁通密度分量；
图12为本发明的无线电能传输系统的简化电路示意图。
其中：发射端屏蔽层1、发射端第一线圈2、发射端第一线圈DD型均磁线圈组3、发射端第二线圈DD型均磁线圈组4、接收线圈5、接收端屏蔽层6、发射端第二线圈7。
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1-3中所示，一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，包括发射端和接收端，发射端包含发射端线圈，接收端包含接收线圈5，发射端线圈由两组线圈组合并排左右接触组成，左边的线圈组合由发射端第一线圈2及其内部的发射端第一线圈DD型均磁线圈组3组成，发射端第一线圈DD型均磁线圈组3由两个并排排列的DD型线圈A和线圈B组成，线圈A和线圈B内侧相互接触，外侧与发射端第一线圈2内侧接触，右边的线圈组合由发射端第二线圈7及其内部的发射端第二线圈DD型均磁线圈组4组成，发射端第二线圈DD型均磁线圈组4由两个并排排列的DD型线圈C和线圈D组成，线圈C和线圈D内侧相互接触，外侧与发射端发射端第二线圈7内侧接触,发射端第一线圈2和发射端第二线圈7尺寸相同，组成DD型线圈组合，上述左边的线圈组合和右边的线圈组合有一个较大的线圈与内部两个相同的DD型线圈串联组成，左右的线圈组合又组成DD型线圈，因此称之为T-DD即Triple-Double D型线圈结构。
如图4中所示，上述的接收线圈5为串联的DD型项圈组合，由两个矩形线圈并排左右接触组成，两个矩形线圈尺寸相同并串联，两个矩形线圈的绕制方向相反，接收线圈5接收能量时位于发射端线圈上方或者下方。
如图3中所示，上述的线圈A、线圈C与发射端第一线圈2的线圈绕制方向相同，线圈B、线圈D与发射端第二线圈7的绕制方向相同，发射端第一线圈2与发射端第二线圈7的绕制方向相反。
上述的发射端第一线圈2与线圈A、线圈B串联连接，发射端第二线圈7与线圈C、线圈D串联连接。
如图3中所示，上述的发射端第一线圈2和发射端第二线圈7内的激励方向相反，线圈A、线圈B组合的激励方向以及线圈C、线圈D组合的激励方向与发射端第一线圈2和发射端第二线圈7组合的激励方向相同，在图3中，发射端第一线圈2通入激励的方向为顺时针，故右侧的发射端第二线圈7即为逆时针方向，由于DD型线圈的特点是中间相邻线圈激励方向相同，磁场叠加，增加耦合线圈之间的耦合程度，这导致磁场较为集中，使得X方向的偏移性能较差，针对此种缺陷，在较大的DD型线圈中串联了两个较小的DD型线圈，即发射端第一线圈2中的线圈A、线圈B，发射端第二线圈7中的线圈C、线圈D，可以获得较为均匀的发射磁场。
采取上述的激励策略，线圈A左侧与线圈D右侧和发射端第一线圈2的左侧及发射端第二线圈7右侧激励流向相同，增加了发射端两侧的磁场强度；线圈A与线圈B相邻侧激励流向相同，产生的磁场增加了发射端第一线圈2内部的左半部分磁场，减弱了内部右半部分磁场，同理，线圈C与线圈D相邻侧激励流向相同，产生的磁场增加了发射端第二线圈7内部的右半部分磁场，减弱了内部左半部分磁场；线圈B与线圈C相邻侧激励流向相同，但与发射端第一线圈2和发射端第二线圈7相邻侧激励流向相反，减小了中心磁场强度，通过这样的激励流向，使得耦合项圈之间的磁场编的均匀。
如图1中所示，上述的发射端线圈和接收线圈5形成的无线传输区域上下两侧设有屏蔽层，屏蔽层分为发射端屏蔽层1和接收端屏蔽层6，当发射端线圈在下、接收线圈5在上时，发射端线圈放置在发射端屏蔽层1上，接收线圈5放置在接收端屏蔽层6下，当发射端线圈在上、接收线圈5在下时，发射端线圈放置在发射端屏蔽层1下，接收线圈5放置在接收端屏蔽层6上。
如图2和5中所示，上述的发射端屏蔽层1和接收端屏蔽层6为外形尺寸分别大于发射端线圈和接收线圈5的板形铁氧体屏蔽板或者多根条形铁氧体屏蔽条，通过屏蔽层，增加磁耦合结构之间的耦合并减小磁场的泄漏。
上述的发射端与电容器串联，接收端与电容器串联，使系统处于谐振状态。
上述的发射端电容由交流电源经过整流器输出后倍频成高频，再经过逆变器输出形成脉冲激励，接收端电源接收到接收端的感应脉冲激励后经过传输到负载。
具体的工作原理是：在交流电源发出交流电首先经过整流部分变为直流电，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，本发明的磁耦合结构中将能量传送到接收端，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。
下面以DD线圈的尺寸优化作为实施例，得到最佳的抗偏移性能，在图2-5中对各个参数进行了标注。以下的为具体的优化方案：
将功率传输的距离定为100mm；线圈的厚度定为3mm；磁芯的厚度定为5mm。
原始的结构尺寸如下表所示：
Figure BDA0003336528740000061
表中，磁芯尺寸：单个磁芯长度×单个磁芯宽度×个数(×磁芯间距)；线圈尺寸：外径长度/内径长度×外径宽度/内径宽度×线圈个数；线圈与磁芯所采用的规格相同。由于发射线圈内部D型线圈间距离LTC-in在较大的DD型线圈内，所以优化的范围控制在80mm～240mm之间，并在图6中给出了本发明在未发生偏移、X方向发生100mm偏移与Y方向发生100mm偏移三种情况下随着LTC-in变化而变化的情况，另外在图2-5中的参数应满足以下的关系：
Figure BDA0003336528740000062
本案例主要以X方向的偏移能力进行讨论，故在满足较大功率传输耦合系数k的条件下，以耦合系数的变化率Δk的变化来判别磁耦合结构的抗偏移性能：
Figure BDA0003336528740000063
根据图6中的结果，当LTC-in为240mm时，本发明在X与Y方向上的偏移能力近似相通，Δk分别为0.2517与0.2489，整体上看处于最优选择，因此在原始参数的基础上只针对于LTC-in进行改进，其余参数根据关系式尽可得之。为了进一步确定本发明对于传统的DD型结构的抗偏移性能的优越性，在图7、8中给出了本发明的磁耦合结构与传统DD型结构在X与Y方向发生偏移时的耦合系数变化率Δk的变化，同时也给出了本发明在优化后随着偏移距离的变化下耦合系数k的变化情况，可以看出：本发明在发生偏移情况下，Δk几乎都小于传统的DD型结构变化，说明本发明在发生偏移时耦合系数的变化较小，抗偏移性能更加优越。在图9、10中给出了本发明与传统的DD型结构在在X-Y平面二维磁场分布云图，并在图11中做出了该平面上x轴从-400mm到400mm的磁通密度分量，可以看出：本发明激发出的磁场在结构中心处要少于DD型结构，但整体的磁场要更加的均匀，不同位置的磁场强度变化也要比DD型结构更加稳定，侧面说明了本发明的抗偏移性能较好。

Claims (8)

1.一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，包括发射端和接收端，其特征在于，发射端包含发射端线圈，接收端包含接收线圈（5），发射端线圈由两组线圈组合并排左右接触组成，左边的线圈组合由发射端第一线圈（2）及其内部的发射端第一线圈DD型均磁线圈组（3）组成，发射端第一线圈DD型均磁线圈组（3）由两个并排排列的DD型线圈A和线圈B组成，线圈A和线圈B内侧相互接触，外侧与发射端第一线圈（2）内侧接触，右边的线圈组合由发射端第二线圈（7）及其内部的发射端第二线圈DD型均磁线圈组（4）组成，发射端第二线圈DD型均磁线圈组（4）由两个并排排列的DD型线圈C和线圈D组成，线圈C和线圈D内侧相互接触，外侧与发射端第二线圈（7）内侧接触, 发射端第一线圈（2）和发射端第二线圈（7）尺寸相同，组成DD型线圈组合；
所述的线圈A、线圈C与发射端第一线圈（2）的线圈绕制方向相同，线圈B、线圈D与发射端第二线圈（7）的绕制方向相同，发射端第一线圈（2）与发射端第二线圈（7）的绕制方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，其特征在于，所述的接收线圈（5）为串联的DD型线圈组合，由两个矩形线圈并排左右接触组成，两个矩形线圈尺寸相同并串联，两个矩形线圈的绕制方向相反，接收线圈（5）接收能量时位于发射端线圈上方或者下方。
3.根据权利要求1所述的一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，其特征在于，所述的发射端第一线圈（2）与线圈A、线圈B串联连接，发射端第二线圈（7）与线圈C、线圈D串联连接。
4.根据权利要求3所述的一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，其特征在于，所述的发射端第一线圈（2）和发射端第二线圈（7）内的激励方向相反，线圈A、线圈B组合的激励方向以及线圈C、线圈D组合的激励方向与发射端第一线圈（2）和发射端第二线圈（7）组合的激励方向相同。
5.根据权利要求1所述的一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，其特征在于，所述的发射端线圈和接收线圈（5）形成的无线传输区域上下两侧设有屏蔽层，屏蔽层分为发射端屏蔽层（1）和接收端屏蔽层（6），当发射端线圈在下、接收线圈（5）在上时，发射端线圈放置在发射端屏蔽层（1）上，接收线圈（5）放置在接收端屏蔽层（6）下，当发射端线圈在上、接收线圈（5）在下时，发射端线圈放置在发射端屏蔽层（1）下，接收线圈（5）放置在接收端屏蔽层（6）上。
6.根据权利要求5所述的一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，其特征在于，所述的发射端屏蔽层（1）和接收端屏蔽层（6）为外形尺寸分别大于发射端线圈和接收线圈（5）的板形铁氧体屏蔽板或者多根条形铁氧体屏蔽条。
7.根据权利要求6所述的一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，其特征在于，所述的发射端与电容器串联，接收端与电容器串联，使系统处于谐振状态。
8.根据权利要求7所述的一种非对称T-DD型无线电能传输磁耦合结构，其特征在于，所述的发射端电容由交流电源经过整流器输出后倍频成高频，再经过逆变器输出形成脉冲激励，接收端电源接收到接收端的感应脉冲激励后经过传输到负载。
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