CN114696474A - 一种磁偶极子线圈多向无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，包括：能量发射机构和能量接收机构；能量发射机构包括能量发射线圈和发射端长棒状磁芯，能量发射线圈绕制在发射端长棒状磁芯外表面；能量接收机构包括能量接收线圈和接收端长棒状磁芯，能量接收线圈绕制在接收端长棒状磁芯外表面；能量发射线圈与能量接收线圈相互耦合实现无线传能。本实施例采用长棒状磁芯，且在长棒状磁芯外表面绕制线圈，使得该系统具有360°范围的多向无线电能传输能力，提高供电自由度，使得充电更灵活。

Description

一种磁偶极子线圈多向无线电能传输系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种磁偶极子线圈多向无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术因其卓越的供电灵活性而受到广泛关注，当电源和负载完全电气隔离时，可以更安全可靠地实现电能交换。该技术已应用于交通领域，如电动汽车无线充电、便携式设备、生物医学等领域的无线电能传输。

传统的WPT技术主要研究二维平面传输系统，即发射线圈始终与接收线圈平行。然而，在一些特殊的应用场景中，接收线圈不可避免地会在空间中移动或旋转。当存在较大的横向或角度偏移时，系统的传输性能可能会急剧下降，大大降低系统的可靠性和灵活性。因此，如何在多自由度的无线电能传输系统中实现能量传输，是WPT技术亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，实现了在多自由度的无线电能传输系统中实现能量传输。

为了解决上述问题，本申请的实施例通过如下方式实现：

本申请实施例提供了一种磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，包括：

能量发射机构和能量接收机构；

所述能量发射机构包括能量发射线圈和发射端长棒状磁芯，所述能量发射线圈绕制在所述发射端长棒状磁芯外表面；

所述能量接收机构包括能量接收线圈和接收端长棒状磁芯，所述能量接收线圈绕制在所述接收端长棒状磁芯外表面；

所述能量发射线圈与所述能量接收线圈相互耦合实现无线传能。

进一步地，所述能量发射线圈绕制在所述发射端长棒状磁芯中间段的外表面；所述能量接收线圈绕制在所述接收端长棒状磁芯中间段的外表面。

进一步地，所述发射端长棒状磁芯和所述接收端长棒状磁芯均为矩形长棒状，所述能量发射线圈和所述能量接收线圈均为方形螺旋线圈。

进一步地，所述发射端长棒状磁芯的长度是所述能量发射线圈长度的2倍，所述接收端长棒状磁芯的长度是所述能量接收线圈长度的2倍。

进一步地，所述能量发射线圈与所述能量接收线圈的长度相等，所述能量发射线圈与所述能量接收线圈之间的传输距离与所述能量发射线圈或所述能量接收线圈的长度之比的范围为0.5至1。

进一步地，所述发射端长棒状磁芯和所述接收端长棒状磁芯均采用PC95类型的铁氧体。

有益效果

本申请提供了一种磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，包括：能量发射机构和能量接收机构；能量发射机构包括能量发射线圈和发射端长棒状磁芯，能量发射线圈绕制在发射端长棒状磁芯外表面；能量接收机构包括能量接收线圈和接收端长棒状磁芯，能量接收线圈绕制在接收端长棒状磁芯外表面；能量发射线圈与能量接收线圈相互耦合实现无线传能。本实施例采用长棒状磁芯，且在长棒状磁芯外表面绕制线圈，使得该系统具有360°范围的多向无线电能传输能力，提高供电自由度，使得充电更灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为实施例提供的一种在长棒状磁芯外表面绕制线圈的示意图；

图2为实施例提供的一种磁偶极子线圈多向无线电能传输系统的示意图；

图3(a)为实施例提供的一种基本单边RLC串联谐振结构的示意图；

图3(b)为实施例提供的一种带磁芯的单边电路拓扑的示意图；

图3(c)为实施例提供的一种一次侧和二次侧的等效RLC耦合拓扑的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

为了在多自由度的无线电能传输系统中实现能量传输，本实施例提出一种磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，可以应用于电动汽车、便携式设备、无人智能系统等的无线充电场景，参见图1至图3，磁偶极子线圈多向无线电能传输系统包括：

能量发射机构和能量接收机构；

能量发射机构包括能量发射线圈和发射端长棒状磁芯，能量发射线圈绕制在发射端长棒状磁芯外表面；

能量接收机构包括能量接收线圈和接收端长棒状磁芯，能量接收线圈绕制在接收端长棒状磁芯外表面；

能量发射线圈与能量接收线圈相互耦合实现无线传能。

参见图1，图1是在长棒状磁芯外表面绕制线圈的示意图，本实施例采用长棒状磁芯，且在长棒状磁芯外表面绕制线圈，使得该系统具有360°范围的多向无线电能传输能力，提高供电自由度，使得充电更灵活。

可选地，在本实施例中，能量发射线圈绕制在发射端长棒状磁芯中间段的外表面；能量接收线圈绕制在接收端长棒状磁芯中间段的外表面。

可选地，在本实施例中，发射端长棒状磁芯和接收端长棒状磁芯均为矩形长棒状，能量发射线圈和能量接收线圈均为方形螺旋线圈。

可选地，在本实施例中，发射端长棒状磁芯的长度是能量发射线圈长度的2倍，接收端长棒状磁芯的长度是能量接收线圈长度的2倍，使得无线电能传输更加高效、稳定。

可选地，在本实施例中，能量发射线圈与能量接收线圈的长度相等，能量发射线圈与能量接收线圈之间的传输距离与能量发射线圈或能量接收线圈的长度之比的范围为0.5至1，大大提高功率传输效率，使得无线电能传输更加高效、稳定。

可选地，在本实施例中，发射端长棒状磁芯和接收端长棒状磁芯均采用PC95类型的铁氧体。

现有技术的二维平面无线传输系统难以满足多负载的能量接收要求，当二维平面传输系统中有多个负载接收器时，发射端的大部分能量将被耦合并传输到最近的接收器，这将导致其他接收线圈接收到的功率非常小，甚至无法满足正常工作要求，此外，这也会给多接收线圈的空间分布带来困难。本实施例的方案还可以应用于多负载的无线充电，也即在接收端设置多个本实施例的能量接收机构，长条形磁偶极子线圈占用的空间相对减少，便于更有效地实现多方向、多负载传输。

可选地，以下将建立带长棒状磁芯的等效电路模型，简要分析长棒状磁芯对WPT系统性能的影响。基于磁耦合谐振无线功率传输技术，整体电路结构和工作原理如图2所示，图2中，直流电源作为DC-AC逆变器(包括T₁、T₂、T₃、T₄)的输入，发射偶极子线圈和补偿电容(C₁)串联形成谐振电路，可由信号发生器产生驱动信号，控制DC-AC逆变器将输入直流电流转换为高频交流电源，从而为发射偶极子线圈供电，磁耦合共振发生在发射和接收磁偶极子线圈之间，能量通过无线方式提供给负载(R_L)，接收偶极子线圈和补偿电容(C₂)串联形成谐振电路，然后经整流滤波电路连接到负载(R_L)。由于串联-串联补偿(S-S)拓扑结构具有负载不受互感变化影响、易于控制、鲁棒性好、易于制造等优点，因此耦合线圈和补偿电容直接串联设计了两个谐振频率相同的电磁机构。在初级线圈和次级线圈之间建立磁场耦合，当励磁源通过DC-AC逆变器向能量发射线圈提供高频电能时，会发生很大比例的能量转换。当能量接收线圈与负载连接时，负载将吸收部分能量，从而实现电能的无线传输。在该系统中，一次侧和二次侧应满足工作频率条件：

铁氧体磁芯等高磁导率软磁材料在高频交流磁场中容易磁化形成附加磁化磁场，大大提高了能量发射线圈和能量接收线圈的自感和互感。通过合理的设计，将长棒状磁芯加载到能量发射线圈中，将大大提高系统的耦合能力，提高系统的传输能力和鲁棒性。

带有长棒状磁芯的电路拓扑，其等效电路分析过程如图3所示，图3是磁芯加载的RLC等效电路分析：图3(a)是基本单边RLC电路，图3(b)是考虑磁芯效应的单边电路拓扑，图3(c)是双边简化等效拓扑。对于图3(a)所示的基本RLC串联谐振结构，当高磁导率磁芯加载在谐振线圈中时，磁芯将具有并联寄生电容(ΔC_core)和串联等效电感(ΔL_core)效应，同时，磁芯中将存在寄生电阻和磁芯损耗。在考虑这些因素后，图3(b)显示了带磁芯的等效电路拓扑。由于寄生电容效应通常很小，可以忽略不计，而且当一次侧和二次侧都加载磁芯时，两个线圈之间的互感也会增强。因此，一次侧和二次侧的等效RLC耦合拓扑如图3(c)所示。对于图3(c)所示的简化等效模型，结合图2所示的S-S补偿无线功率传输系统，当激励源为角频率ω时，KVL方程为：

当初级线圈和次级线圈都调谐到谐振频率条件时，其输出功率Pout和传输效率PTE的进一步理论推导如下：

从(3)可以很容易地分析出，带磁芯系统传输性能的改善与互感的增加正相关，但磁芯损耗引起的等效阻抗增量会降低系统效率。磁性主要受磁芯材料的相对磁导率(ΔM_ce)的影响。因此，使用高磁导率、低损耗的磁性材料可以显著改善偶极子线圈之间的耦合，提高系统的性能，如传输效率。

可选地，以下将对磁偶极子线圈进行结构设计和建模，并通过电磁仿真分析所设计的磁偶极子线圈WPT系统的性能。从图2所示的电路结构可以看出，系统的关键是设计一个具有多方向传输能力的耦合机构。因此，设计了一种磁偶极子线圈无线功率传输系统，该系统能够实现多方向传输。多向转弯方形线圈轴上有一个矩形铁氧体磁芯。长条形磁偶极子线圈占用的空间相对减少，便于更有效地实现多方向、多负载传输。本实施例通过电磁模拟设计和分析多向磁偶极子WPT系统，其激励源设置为85kHz的正弦交流电。考虑到线圈结构尺寸的影响和铁氧体磁芯对线圈自身参数的影响，铁氧体磁芯的最终设计是一个360mm×15mm×15mm的矩形条形磁芯和60圈方形螺旋线圈，中心部分总长180mm。铁氧体类型为PC95，具有高磁导率(约3300)、低损耗、成熟的制造技术。以下将介绍偶极子线圈中心平面内的磁场强度，以及在有/无磁芯的情况下沿X中心轴的磁感应强度。在加载铁氧体磁芯后，耦合线圈的磁场强度大大增加。没有铁氧体磁芯的偶极子线圈的磁感应强度在中心轴处非常弱，并且在带绕组的部分之外急剧降低，使得能量难以通过磁场转移出去。在加载铁氧体磁芯的相同工作条件下，中心轴处的磁感应强度显著增强，从中心到两端的磁感应强度也减弱得更平缓。铁氧体磁芯对磁感应强度有很好的增强和磁导效应，具有磁增强和聚焦作用。

传输距离是无线功率传输的一个重要因素，以便更直观地反映磁偶极子线圈WPT系统的传输距离，传输距离D与线圈长度l_w之比定义为λ：

λ＝D/l_w (4)

互感和耦合系数是表征两个线圈之间耦合程度的重要因素。当λ等于或大于0.5时，空心磁偶极线圈WPT系统的互感和耦合系数非常弱，表明传输能力非常差。相反，铁氧体磁芯的负载大大增强了耦合，并且互感和耦合系数远高于空芯WPT系统。当传输距离相对较短(λ不超过2)时，耦合增加非常明显，随着线圈间距的增加，磁芯对系统性能的提高逐渐减弱。可选地，发射和接收偶极子线圈由方形铁氧体磁芯和均匀缠绕在表面的litz线组成，litz线和磁芯之间可以用丙烯酸隔开。在不同传输距离下存在相应的最佳负载，使得系统效率相对较高。例如，当传输距离为90mm时，铁氧体磁芯的加载可使效率提高近90％，当传输距离为180mm(λ＝1)时，最大效率可达78％。随着传输距离的增加，效率迅速降低。

由于输入电流的增加会导致磁芯损耗的增加，在恒定距离和负载下，传输效率会降低，但在磁芯未饱和时，传输效率的降低不是很明显。磁偶极子线圈MD-WPT系统传输性能良好。随着输入电流的增加，在不同传输距离下的输出负载功率可以达到125W，当传输距离为90mm时，输出负载功率可以达到125W，而在180mm下，负载功率可以达到46W。此外，通过继续增加输入功率，确保磁芯不饱和，输出功率也可以更高。磁偶极子线圈MD-WPT系统的输出能力良好。

本实施例提供了一种长条形结构的磁偶极子线圈无线功率传输系统，该系统具有多向功率传输能力，采用铁氧体磁芯将大大提高WPT系统的耦合能力及其鲁棒性，所设计的磁偶极子线圈可以在360°范围内灵活地向多个方向提供功率。当传输距离与线圈长度之比为1时，所提出的双极线圈MD-WPT系统的效率可提高75％以上，输出功率大于45W，可大大提高功率传输效率和供电自由度。此外，MD-WPT系统占用的空间相对减少，便于在实际工作中更有效地实现多方向、多负载转移。磁偶极子线圈无线电能传输系统在未来电动汽车无线充电、便携式设备多向供电、智能家居等方面具有突出的应用价值和广阔的应用前景。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，其特征在于，包括：

能量发射机构和能量接收机构；

所述能量发射机构包括能量发射线圈和发射端长棒状磁芯，所述能量发射线圈绕制在所述发射端长棒状磁芯外表面；

所述能量接收机构包括能量接收线圈和接收端长棒状磁芯，所述能量接收线圈绕制在所述接收端长棒状磁芯外表面；

所述能量发射线圈与所述能量接收线圈相互耦合实现无线传能。

2.根据权利要求1所述的磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，其特征在于，所述能量发射线圈绕制在所述发射端长棒状磁芯中间段的外表面；所述能量接收线圈绕制在所述接收端长棒状磁芯中间段的外表面。

3.根据权利要求1或2所述的磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端长棒状磁芯和所述接收端长棒状磁芯均为矩形长棒状，所述能量发射线圈和所述能量接收线圈均为方形螺旋线圈。

4.根据权利要求1或2所述的磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端长棒状磁芯的长度是所述能量发射线圈长度的2倍，所述接收端长棒状磁芯的长度是所述能量接收线圈长度的2倍。

5.根据权利要求1或2所述的磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，其特征在于，所述能量发射线圈与所述能量接收线圈的长度相等，所述能量发射线圈与所述能量接收线圈之间的传输距离与所述能量发射线圈或所述能量接收线圈的长度之比的范围为0.5至1。

6.根据权利要求1或2所述的磁偶极子线圈多向无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端长棒状磁芯和所述接收端长棒状磁芯均采用PC95类型的铁氧体。

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