CN114664530A - 一种充电与受电线圈结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种电车无线充电或受电线圈，包括线圈或线圈加线圈托盘，线圈或线圈托盘中含有冷却液流道，冷却液流道用来流通冷却液体，线圈托盘为环状或圆盘状的结构，用以放置线圈，线圈为盘状。线圈托盘为环状，环内放置盘状线圈或圆盘状线圈托盘与线圈盘贴合；线圈导线的热量直接至流动冷却液体或传输到线圈托盘液道内的流动冷却液体。回型或同心椭圆的磁芯的纵剖面是E型，充电与受电线圈均套用相同或相似的E型磁芯，充电时合并成完整的日型。

Description

一种充电与受电线圈结构及制备方法
技术领域
本发明涉及一种充电与受电线圈结构及制作方法，尤其是能够对线圈导体进行有效散热的结构以及提高耦合效率提高能源利用效率并用于电车的无线充电的与受电线圈结构及制备方法。
背景技术
大功率无线充电根据电磁共振的原理可以显著提升传输功率，进而应用到电动车辆的无线充电。一般的，无线传输功率需要一个发射线圈和一个接收线圈，当功率增大时，线圈导体由于内阻的存在，导致线圈发热严重，需要有效的散热。但线圈本身是导体材料，而且电压较大，因此需要在线圈之外加绝缘层。另外为了提高线圈的电感量及减少空间电磁辐射，需要在绝缘层外铺设一层铁氧体材料。铁氧体之外紧贴散热板，由于线圈与散热板之间隔有绝缘层和铁氧体，导致线圈的热量无法有效的传递到散热板上。无线充电的频率在数十至100K之内，
对比文件有CN202021274188.6(CN212979899U)一种无线充电系统接收盘，没有考虑到冷却与电磁场的泄漏，会大大影响到效率，现有技术应用到电动车辆的无线充电时存在一些问题需要解决。CN202110961899.3一种适用于电力电子变压器的高频大功率水冷变压器，包括初级绕组(1)，次级绕组(2)，铁芯(3)，绝缘材料(4)，连接、支撑结构(5)。其中初级绕组(1)和次级绕组(2)中至少有一个绕组使用带有冷却水道的利兹线(6)，其中带有冷却水道的利兹线用于降低变压器的高频损耗，并且通过使用冷却水可以使线圈保持较低的运行温度，降低由于温度升高导致的导线电阻增加引起的额外损耗，提高变压器的安全性。
CN201710096146.4一种海上变压器的保护系统包括水冷变压器、主控器和与所述水冷变压器连接以对其进行冷却的水冷却装置，所述主控器分别与所述水冷变压器和所述水冷却装置信号连接，所述水冷变压器设有温度采集装置，所述主控器根据所述温度采集装置采集的温度控制所述水冷却装置的启停。应用本发明公开的海上变压器的保护系统，通过在水冷变压器上设置温度采集装置，通过实时采集水冷变压器上的温度并传递至主控器，当温度高于预设温度时主控器可控制水冷却装置启动，以对水冷变压器进行冷却降温，保护水冷变压器的正常运行，该装置可对水冷变压器和水冷却装置进行实时监控。
CN201910914765.9一种长圆水冷铜管结构水冷变压器，涉及一种长圆水冷铜管结构水冷变压器，包括铁芯、原边高压线绕绕组、付边大电流水冷铜管绕组，铁芯采用硅钢片叠积而成，铁芯上设有付边大电流水冷铜管绕组和原边高压线绕绕组，付边大电流水冷铜管绕组套设在原边高压线绕绕组上；付边大电流水冷铜管绕组为长圆形；付边大电流水冷铜管绕组的两端分别与相邻两侧的汇流铜排连接贯通，汇流铜排设于原边高压线绕绕组的两侧，一侧汇流铜排用于进水另一侧汇流铜排用于出水，完美的缩小了水冷变压器尺寸，通过绕制付边大电流水冷铜管绕组和原边高压线绕绕组有效的提高了水冷变压器的使用寿命，并降低了因水冷变压器故障而影响电力运行。
发明内容
本发明目的是，为了提高线圈导体的散热效率，减少线圈的磁场泄露，本发明提出了新型的线圈结构。尤其是电车无线充电与受电线圈结构。本发明目的还在于提供一种高功率快速无线充电的线圈结构。
本发明的技术方案是，一种电车无线充电或受电线圈，包括线圈+或再加线圈托盘，线圈或线圈托盘中含有冷却液流道，冷却液流道用来流通冷却液体，线圈托盘为环状(包括内嵌式有凹平面)或圆盘状的结构，用以放置线圈，线圈为盘状。
线圈托盘为环状，环内放置盘状线圈或圆盘状线圈托盘与线圈盘贴合；线圈导线的热量直接至流动冷却液体或传输到线圈托盘水道内的流动冷却液体，冷却液体通过循环或通过致冷设备从而将线圈导体的热量有效导出。冷却液体可以是致冷设备的制冷剂。也可以是可循环的水。
线圈与线圈托盘平面均为环状或口状，即线圈及线圈托盘中央为空心的结构，供回型或同心椭圆的磁芯装配，回型或同心椭圆的磁芯的纵剖面是E型，充电与受电线圈均套用相同或相似的E型磁芯，充电时合并成完整的日型。回型磁芯的表面贴合铁氧体(或氧化铁)粉体充填的橡胶，线圈盘位于回型或同心椭圆磁芯的凹陷部分。回型或同心椭圆磁芯有缺口，用来放置液冷管道的进出和线圈导体的进出。
有益效果：本发明利用线圈托盘的表面进行自然冷却或强制循环冷却到环境中，当使用强制液冷时，可以有效的将线圈导体的热量传输到冷却液中；为了提高线圈导体的散热效率，减少线圈的磁场泄露，使用回型或同心椭圆或周心圆的磁芯结构，电磁能量基本被“日”型磁芯包裹；可以显著减少磁场即能量的泄露，提高线圈之间的耦合强度，提高效率并节省电量，基本接近了有线充电的效率，设备对外界和人体的影响小，电磁兼容性更好。本发明提出了新型的线圈结构，尤其是电车无线充电线圈(安装于充电桩)与受电线圈(安装于汽车底盘)匹配的结构，保证使用的可靠性与适配性，并与现有的汽车的底盘式无线充电结构兼容。本发明还在于提供一种高功率快速无线充电的线圈结构，根据目前的无线充电线圈的设计情况，每线圈盘可以提供到100-200KW充电功率，三至四个线圈盘可以提供到300-600KW左右的充电功率，这给电车快充提供了极其方便使用的条件，有助于新能源电车的推广与使用。以上散热及回型磁芯结构、还有能够显著提高线圈电流通过能力，并减小线圈的体积。本发明兼顾散热、效率、体积。
附图说明
图1电车无线充电或受电线圈的结构示意图，单层线圈盘；
图2线圈托盘的一种结构示意图；
图3一体成型的绝缘导热托盘(隐藏了线圈)；
图4本发明的线圈导线盘的结构示意图；
图5为具有布线凹槽的托盘示意图，电车无线充电或受电线圈绝与缘导热托盘一道安装的(导热托盘的内部结构的)实施例结构示意图；5是托盘，是一种实施例示意图；
图6线圈盘与导热托盘的结构示意图；
图7为图6再加磁芯的线圈盘与导热托盘的结构示意图；
图8二层托盘与线圈一体化的一种实施例结构示意图；
图9单层线圈(托盘与线圈盘一体化的)的组合情况，一体成型；
图10三层托盘与线圈一体化的一种实施例结构示意图；
图11为图10再加磁芯的结构示意图，三层托盘与线圈一体化外形示意图；
图12为磁芯的形状示意图；
图13为充电与受电线圈组件工作时示意图；
图14充电与受电的两个线圈对准，中间存在气隙的结构示意图；
图15三个导线盘绕组L1A、L1B、L1C星形连接的电路。
具体实施方式
如图所示，线图1、托盘2、磁芯3、进出液口4、第一托盘2-1，第二托盘2-2，第三托盘2-3、第一线圈1-1、第二线圈1-2、第三线圈(盘)1-3、设有托盘外连接管5及线圈外引线；气隙7、磁场回路M、磁场泄漏L，解决方案的变形应用：单个绕组变为二个或三个绕组。磁芯的内部(凹陷)3-3、E型磁芯的中央凸柱3-2、E型磁芯的边框3-1。
铜排为实心或空心结构，每组线圈盘成一个盘，在一个平面上，也可以有1-4只成盘的线圈叠合而成。线圈托盘利用绝缘导热性能良好的材料制作。线圈导线的热量传输到线圈托盘，进一步传递到线圈托盘水道内的流动液体，从而将线圈的有效导出。线圈托盘为环状(包括内嵌式有凹平面)。本发明包括车用受电线圈与充电线圈，可为完全相同的结构。
考虑到车用的重量，车用线圈可以不设托盘与磁芯，匹配的托盘与磁芯与充电桩在一道；在充电时再匹配到车用线圈使用。充电桩上同时设有风冷，对回型或同心椭圆磁芯外部进行冷却。
此外，线圈及线圈托盘是可以构成中间空的结构，与回型或同心椭圆的磁芯匹配嵌合(组合)，回型或同心椭圆的磁芯的纵剖面是E型，充电与受电线圈均为相同的中心纵截面为E型磁芯(采用工作频段匹配的锰锌或镍锌铁氧体材料)，充电时一对E型磁芯合并成完整的日型，E型磁芯的表面贴合铁氧体(氧化铁)粉体充填的橡胶，这样在并成完整的日型时有所缓冲，回型或同心椭圆磁芯有缺口，用来放置液冷管道的进出和线圈导体的进出。线圈托盘位于回型或同心椭圆磁芯的内部(凹陷)部分，因此线圈导体靠近磁芯方向的磁力线均通过磁芯，有效的降低了磁场对外辐射。
特别是当充电受电两个线圈贴近时，线圈导体没有直接的磁场泄露，只有两个磁芯中间气隙处有少量的磁场泄露。另外一方面，由于两个线圈中的磁力线绝大部分都是通过磁芯流通，故流通回路中的磁阻被显著降低，可以提高线圈的电感量，进而降低线圈中流经的电流以达到降低线圈的导通损耗。
线圈导体可以为圆形或矩形导线盘，二个或三个线圈盘相互叠加。线圈托盘的液冷进出口通过连接器相连通，线圈托盘可以是一次成型的，可以均匀的对每个绕组进行散热。当多个线圈盘相互叠加；一个或多个线圈托盘的液冷进出口通过连接器即连接管相连通，均匀的对每个绕组进行散热。如两个线圈盘相互叠加时，一种方式是两个线圈均用空心铜管(铜管内流动致冷液，一个或三个线圈亦可用空心铜管)，另一种方式是两个线圈盘(或者用利兹线等)，采用上下两个线圈托盘致冷，上下两个线圈托盘(平盘或环盘)，托盘内液冷进出口通过连接器即连接管相连通散出热量。线圈托盘为环状(或包括内嵌式有凹平面)，线圈导体也可以为扁平铜排绕成线圈盘，托盘可以是一次成型时与线圈导体一体制备：比如，将线圈盘固定，然后注浆成型托盘，即托盘内嵌入线圈和水道。托盘材料为绝缘导热材料，如氧化铝陶瓷等，可以显著的将线圈盘的热量经托盘传递到托盘内水道中的液体。
本发明可采用车用空心结构的线圈，冷却时由车用致冷设备进行冷却。线圈由导体材料制作，空心结构作为液体流道，通过流到内的流动液体对线圈导体进行散热。线圈+磁芯嵌装；发射线圈+接收线圈及磁芯对接一起，进行电能传输
车用线圈可以不设托盘与磁芯，为了减低重量，匹配的托盘与磁芯与充电桩在一道；在充电时再匹配到车用线圈使用，线圈的电流输出线从回型或同心椭圆磁芯设有缺口中伸出，线圈导体的进出。液冷管道可以连向充电桩的现有的液冷循环设施。充电桩上同时设有风冷，对回型或同心椭圆磁芯外部进行冷却。
线圈导体的截面也可以为多种形状，如圆形，正方形，矩形。
铜排(铜管)构成的平面盘式线圈或立体的多层，设有绝缘层在铜排间衬垫，1-4层，尤其是2-3层叠层平面盘式线圈；线圈的平面形状是(圆角)矩形或椭圆形；设有一托盘可以是液冷环，液冷环能够包裹叠层的平面盘式线圈；液冷时，可以有效的将线圈导体在高功率充电时的热量传输到冷却液中。冷却液通过现有的散热系统或致冷循环系统(或再加增加散热量的致冷系统)向外界散热。
也可采用氧化铝或其它成份的陶瓷盘或高分子材料或充填石英的(注塑或热固性塑料)高分子材料制备成散热托盘。
含有冷却液流道的托盘是一次成型的，也可以是包括具有冷却液流道凹槽的托盘及用来封闭冷却液流道凹槽的盖板，凹槽盖板和托盘可以通过胶粘贴合，从而构成封闭的冷却液流道。托盘材料为绝缘导热材料，包括陶瓷或聚合物与氧化物填料一体化成型构成线圈托盘内液流通道。
制备方法：托盘可以是一次成型时与线圈导体一体制备，即托盘内嵌入线圈盘和液流道：步骤1：将线圈盘和液流道固定在托盘的模具里(用热塑或热固型材料，如聚甲醛(酚醛)+二氧化硅(氧化铝)粉体的材料)；热塑性材料采用聚苯硫醚+二氧化硅(氧化铝等导热性良好的绝缘金属氧化物)粉体。
步骤2：注浆、注塑或加热浇铸或模压成型托盘；
步骤3：脱模、冷却成型。
线圈导体可以为扁平铜排，铜排为实心或空心结构。托盘可以是一次成型时与线圈导体一体制备：比如，将线圈盘固定，然后注浆、注塑或加热浇铸或模压成型托盘，即托盘内嵌入线圈和水道6。

Claims (10)

1.一种电车无线充电或受电线圈，其特征是，包括线圈或线圈加线圈托盘，线圈或线圈托盘中含有冷却液流道，冷却液流道用来流通冷却液体，线圈托盘为环状或圆盘状的结构，用以放置线圈，线圈为盘状。
2.根据权利要求1所述的电车无线充电或受电线圈，其特征是，线圈托盘为环状，环内放置盘状线圈或圆盘状线圈托盘与线圈盘贴合；线圈导线的热量直接至流动冷却液体或传输到线圈托盘液道内的流动冷却液体，冷却液体通过循环或通过致冷设备从而将线圈导体的热量有效导出；冷却液体是致冷设备的制冷剂或可循环的冷却液。
3.根据权利要求1所述的电车无线充电或受电线圈，其特征是，线圈与线圈托盘平面均为环状或口状，即线圈或/与线圈托盘中央为空心的结构，供回型或同心椭圆的磁芯装配，回型或同心椭圆的磁芯的纵剖面是E型，充电与受电线圈均套用相同或相似的E型磁芯，充电时合并成完整的日型。
4.根据权利要求3所述的电车无线充电或受电线圈，其特征是，回型或同心椭圆的磁芯的表面贴合铁氧体粉体充填的橡胶，盘状线圈位于回型或同心椭圆磁芯的凹陷部分。
5.根据权利要求3或4所述的电车无线充电与受电线圈，其特征是，回型或同心椭圆磁芯有缺口，用来放置液冷管道的进出和盘状线圈导线的进出。
6.根据权利要求1所述的电车无线充电或受电线圈，其特征是，当多个线圈盘线圈盘相互叠加；一个或多个线圈托盘的液冷进出口通过连接器即连接管相连通，均匀的对每个绕组进行散热。
7.根据权利要求1所述的电车无线充电或受电线圈，其特征是，线圈导体为圆形或矩形导线或利兹线或为扁平铜排，铜排为实心或空心结构。
8.根据权利要求1所述的电车无线充电或受电线圈，其特征是，含有冷却液流道的托盘是一次成型的，或是包括具有冷却液流道凹槽的托盘及用来封闭冷却液流道凹槽的盖板，凹槽盖板和托盘通过胶粘贴合，从而构成封闭的冷却液流道。
9.根据权利要求1所述的电车无线充电或受电线圈，其特征是，制备方法：托盘可以是一次成型时与线圈导体一体制备，即托盘内嵌入线圈盘和液流道。
步骤1：将线圈盘和液流道固定在托盘的模具里；
步骤2：注浆或浇铸成型托盘；
步骤3：冷却成型。
10.根据权利要求1所述的电车无线充电或受电线圈，其特征是，托盘材料为绝缘导热材料，包括陶瓷或聚合物与氧化物填料成型。
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