CN114974853B - 四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构 - Google Patents

四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构，属于无线电能传输领域。该结构分为发射端与接收端，且发射端和接收端的结构、尺寸均相同；发射端或接收端包括在平面上相结合的四块磁芯，以及绕制在磁芯上的八捆线圈；四块磁芯在水平面上呈中心对称排布，八捆线圈以螺线管的形式分别交叠绕制于四块磁芯外侧；其中，每块磁芯上绕制两捆线圈，且两捆线圈垂直交叠绕制在磁芯外侧；发射端或接收端黏附在亚克力板上。本发明通过对线圈结构的设计，使磁场变得中心对称、更加集中，相较于传统的线圈结构抗偏移的效果更显著。

Description

四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，涉及一种四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构。
背景技术
近些年来，无线电传输技术已逐渐应用于各个领域中，且产生了远超预期的成效，例如在移动设备充电方面，无线充电相较于有线充电具有更方便、更快捷的优点；在医疗方面，随着无线电传输技术的快速发展，人们逐渐攻克了植入式电子医疗设备充电的难题。
但在无线充电过程中，线圈相对位置的偏移将会导致传输效率降低。大量文献显示传输的效率和传输、接收线圈二者的相对位置密切相关，并且在实际的应用中，传输和接收线圈的相对位置难以保持在空间上的正对，二者相对位置必然存在一定的偏移，而线圈的偏移将会导致互感系数的改变、耦合效应降低、传输效率等问题。
通过查找相关的文献与资料可得系统传输效率的公式为：
由效率公式中可以看出，因为Rl、R1、R2、ω＝2πf、f为定值，因此仅与互感M有关且成正相关关系。当线圈发生偏移时，互感会随之发生改变，从而引起系统无线传输的效率改变。例如目前人们常用的一种典型的线圈结构，圆形耦合绕线型线圈结构，对其做仿真模拟偏移后得到互感系数变化如图1所示。
由图1(a)可见，沿径向偏移时，正对时(横坐标为0处)互感系数最大，当相对位置朝两侧偏移时，互感系数将逐渐减小。
由图1(b)可见，起初互感系数M衰减较为缓慢，随着偏移的增大，其数值急剧减少(仅偏心30mm，互感系数就缩小为初始互感系数M0的十分之一)。在针对多个方向测量后，发现测量结果大体相同，互感系数M大小随偏移的增大而急剧减少。将轴向和径向偏移结合，当线圈同时发生轴向和径向偏移时，互感系数测量数值如表1所示：
表1轴向径向同时偏移时的线圈互感系数
可见当轴向偏移与径向偏移共同发生时，规律与单独轴向或径向偏移符合。
综上所述，线圈发生较小程度的偏移就会导致互感系数变化较大，传输功率明显降低，由于互感系数变化率很大，因此研究一种可以较为良好地维持互感系数的抗偏移线圈是非常有必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构，以较为良好的维持互感系数，减小线圈偏移对传输效率影响。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构，该结构分为发射端与接收端，且发射端和接收端的结构、尺寸均相同；
发射端或接收端包括在平面上相结合的四块磁芯，以及绕制在磁芯上的八捆线圈；
四块磁芯在水平面上呈中心对称排布，八捆线圈以螺线管的形式分别交叠绕制于四块磁芯外侧；其中，每块磁芯上绕制两捆线圈，且两捆线圈垂直交叠绕制在磁芯外侧。
优选地，线圈结构中，通过对各线圈中的电流方向的调整，使每个线圈所产生的磁场都为由线圈内穿出指向中心的方向，各个线圈分别产生的磁场相叠加后得到一个中心区域密集且均匀对称的磁场。
优选地，发射端或接收端黏附在亚克力板上。
优选地，每捆线圈匝数均为20匝。
优选地，每块磁芯的尺寸均为98mm×98mm，每捆线圈的宽度均为55mm，整个线圈结构的尺寸为200mm×200mm。
优选地，线圈中通过的电流大小为100A。
本发明的有益效果在于：本发明采取让线圈磁场集中化且均匀分布的思路，通过对结构的设计，使得耦合磁场保持为一个中心对称的均匀磁场，且磁场在线圈对应的区域内相对更加集中，相较于传统的线圈结构，偏移对耦合系数的影响更小，传输效率的变化较传统的线圈也更小，抗偏移的效果更显著。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为圆形耦合绕线型线圈偏移时互感系数变化情况((a)表示沿径向偏移，(b)表示沿轴向偏移)；
图2为四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构空间示意图；
图3为本发明新型线圈平面示意图；
图4为本发明新型线圈空间示意图；
图5为线圈中电流方向示意图；
图6为单一十字线圈的结构和磁场分布图((a)表示单一十字线圈结构，(b)表示磁场分布)；
图7为针对单一十字线圈结构的改进；
图8为本发明新型线圈磁场分布图；
图9为平面矩形螺旋线圈和平面圆形螺旋线圈；
图10为沿y轴偏移后的空间示意图；
图11为新型线圈结构和圆形线圈结构互感系数变化率曲线。
附图标记：1、线圈；2、磁芯。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明采取让线圈磁场集中化且均匀分布的思路，通过对结构的设计，使得耦合磁场保持为一个中心对称的均匀磁场，且磁场在线圈对应的区域内相对更加集中。当线圈不可避免的发生偏移时，由于磁场本身的对称均匀性，即使发生了偏移，磁场也不会发生太大的变化。
由图6单一十字线圈的结构和磁场分布可知，典型十字线圈的磁场具有：磁场沿方形磁芯的一条对角线上均匀分布且对角线磁场强度大小较其他区域更大的特点。而该特点会造成“整体的线圈所产生的磁场不够均匀对称”的问题(即在线圈结构对应的对角线上，两线圈所产生的磁场是一个相互叠加的增强区域，而在另一对角线上的磁场区域磁场强度相对较小，并且增强区域两端的磁场方向是相反的)。
针对“磁场不够均匀对称”的问题，本发明在原线圈结构的基础上进行了改良与创新：
(1)将原本位于中心处的线圈(如图6(a))移动至磁芯外侧，如图7，使得原有十字线圈的对角线增强的区域得以保留，磁场较弱的区域得以去除，并得到增强区域方向一致的磁场。
(2)将四块相同的线圈结构在平面上关于中心对称相结合，使线圈结构所产生的磁场变为中心对称的磁场(有助于减小实际线圈偏移带来的负面影响)，最终得到四方交叠式新型耦合线圈结构。
本发明新型线圈结构分为发射端与接收端，且发射端和接收端的结构、尺寸均相同，如图2；发射端或接收端包括在平面上相结合的四块磁芯，以及绕制在磁芯上的八捆线圈；四块磁芯在水平面上呈中心对称排布，八捆线圈以螺线管的形式分别交叠绕制于四块磁芯外侧；其中，每块磁芯上绕制两捆线圈，且两捆线圈垂直交叠在磁芯外侧，如图4；每捆线圈匝数均为20匝，每块磁芯的尺寸均为98mm×98mm，每捆线圈的宽度均为55mm，发射端或接收端的线圈结构的尺寸为200mm×200mm，线圈中通过的电流大小为100A，如图3所示。调整每捆线圈的电流方向，如图5，线圈产生的磁场由线圈内穿出指向磁芯的中心，各个线圈产生的磁场相叠加在该线圈结构中心区域形成密集且均匀对称的磁场。分别组成发射端或接收端的四块线圈结构通过黏附在亚克力板上进行固定。
下面结合实验仿真来验证新型线圈结构的磁场对称均匀性，以及抗偏移效果。
本发明新型线圈结构所产生的正上方区域x-y平面磁场分布图如图8所示，仿真结果印证了：四方交叠式耦合线圈结构通电流后产生的磁场关于中心对称分布且中心区域密集(颜色深度一样，代表该区域内磁场强度大体一致)。与以往的线圈结构相比，四方交叠式耦合线圈结构的中心区域的磁场分布更加均匀集中。
其他的典型结构如平面圆形螺旋线圈和平面矩形螺旋线圈，如图9所示，其结构在空间上对称分布，所产生的磁场是一个关于中心对称的耦合磁场，但由于线圈为平面绕制，上下两线圈产生的磁场方向垂直于线圈所在平面，这种结构会导致：在发生偏移时，尤其是在发生大偏移时，正对区域的大幅度减小会导致互感系数的急剧降低，效率变换明显。
而本发明线圈结构，四方交叠线圈所产生的磁场也是垂直与磁芯所在的平面，但是其磁芯聚集磁场的作用，使磁场线会通过磁芯穿过各线圈。在发生偏移后(如图10)这部分和各线圈交链的磁场变化受偏移的影响相对较小，线圈的磁通变化相对较小。
根据系统传输效率公式：
和聂以曼公式：
其中，Na和Nb分别为两线圈的匝数，分别为发射、接收线圈微元，rab为/>和/>的几何距离，μ0为真空磁导率，α为角度偏移量。结合上述公式以及图1可以得出以下两个结论：
(1)当发射及接受端线圈相对位置发生偏移时，互感系数M会发生改变，且偏移的距离越大，互感系数下降的越多
(2)无线电能传输系统的传输效率与互感系数成正相关关系，即互感系数越大，传输效率越高。
因此可以通过模拟线圈发生偏移后，互感系数变化曲线来确定线圈抗偏移(能够有效减少线圈偏移所带来的影响)的能力，互感系数变化越小，线圈抗偏移能力越强。
当两个线圈均发生偏移时，互感系数会随之改变。定义互感系数变化率为：偏移后的瞬时互感系数除于正对时的瞬时互感系数。如图11，为本发明新型线圈结构(虚线)与圆形结构(实线)偏移一定距离后的互感系数变化曲线。由两种结构的互感系数变化率曲线可以显著看出：线圈发生偏移时新型线圈结构的互感系数的变化率相较圆形线圈更稳定。在发生较小偏移时，新型线圈结构的互感系数率的变化较传统的圆形线圈更小一些，而在发生较大的偏移的情况下，新型线圈结构依旧可以保持互感系数的稳定，而传统圆形线圈的互感系数变化率则会急剧减小。
基于以上结论，本发明为无线充电提供了一种新型抗偏移效果优良的耦合线圈结构，当线圈发生偏移后，本发明线圈结构的传输效率的变化相较于传统的线圈更小一些，在能量传输的过程中传输效率保持的更加稳定一些，能量传输的效率更高，从而解决了在偏移情况下传输效率大幅减小的问题。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构，其特征在于：分为发射端与接收端，且发射端和接收端的结构、尺寸均相同；
发射端或接收端包括在平面上相结合的四块结构相同且独立的方形磁芯，在每块磁芯上绕制有两捆线圈，其中一捆线圈绕制在磁芯的一侧边缘上，另一捆线圈绕制在与该侧边缘垂直的另一侧边缘上，两捆线圈中的电流独立控制；
四块具有相同绕制线圈的磁芯在水平面上呈中心对称排布形成发射端或接收端的线圈结构，具体地，该线圈结构为，每块磁芯的未被线圈包裹的顶角在该线圈结构的中心位置，四块磁芯的线圈呈现为环绕在该线圈结构的边缘。
2.根据权利要求1所述的一种四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构，其特征在于：发射端或接收端黏附在亚克力板上。
3.根据权利要求1所述的一种四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构，其特征在于：每捆线圈匝数均为20匝。
4.根据权利要求1所述的一种四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构，其特征在于：每块磁芯的尺寸均为98mm×98mm，每捆线圈的宽度均为55mm，整个线圈结构的尺寸为200mm×200mm。
5.根据权利要求1所述的一种四方交叠式无线电能传输耦合线圈结构，其特征在于：线圈中通过的电流大小为100A。
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