CN114999813B - 一种用于改善无线充电系统中电感的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于改善无线充电系统中电感的设计方法，属于无线电能传输技术领域，包括对电感磁芯和励磁线绕制的空心电感进行设计，通过控制线圈绕制材料、改变电感磁芯材料磁导率以及控制磁芯气隙大小，获得应用于无线充电系统的高Q值的电感。本设计方法利用磁导率高的磁芯材料把磁场更紧密的约束在电感元件周围，从而增大了电感感值，也减少了电感器件的电磁辐射，从而解决了在无线充电系统应用中的电感发热严重、饱和电流小以及带载功率低的问题。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种用于改善无线充电系统中电感的设计方法。
背景技术
随着电子信息技术的不断发展，智能制造的应用更加广泛普及。在各式的消费类电子产品，工业控制应用设备，智能机器人等一些移动互联网设备中，传统的电源有线连接实现供电，多出各式各样的电源充电线，不仅限制了设备的使用空间，也产生了用电安全隐患，降低了设备用户的使用体验。在锂电池储能材料等技术的不断突破和应用，高效能小体积大容量的锂电池也应用于各类智能机器设备当中，所以如何对锂电池供能的移动设备的电池组安全有效的充电是众多设备考虑当中，在技术不断成熟完善的无线充电系统成为了很多移动智能设备的充电选择。由于无线充电系统的安全、便携性，人们对无线充电产品的需求不断增加，对无线充电技术的研究和应用也成为国内外学术界和工业界的热点。
目前，无线充电技术已经成熟的应用于手机端，智能穿戴设备和工业控制和智能机器人领域中，不仅替代了原有的充电供电线，也增加了设备的可使用活动空间和创新的应用场景。随着经济发展的不断提升，人们对保护地球环境，如何面对世界气候变化，世界各国都对碳排放提出了碳达峰碳中和的目标愿景。推动新能源电动汽车，电动摩托车，以及各类较大储能设备，使用清洁能源，减少碳排放。所以在为保障使用电动汽车，电动摩托车等较大功率的储能设备也在和长时间续航能力和快速充电成为了各类设备的需求和应用，所以对于无线充电技术的应用场景更加广泛，需求也会不断的增加。如何实现有效安全，提升充电功率、增加无线传输距离远、提高充电效率高、降低充电系统发热成为无线充电系统不断的研究突破的技术目标。
在无线充电系统电路中电感的应用广泛，如何研发一种体积小，损耗小，能承受较大功率的电感成为无线充电系统电路一个重要器件考量。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于改善无线充电系统中电感的设计方法，解决了无线充电系统传统应用中的电感Q值低、发热严重、容易饱和以及体积大的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种用于改善无线充电系统中电感的设计方法，包括以下步骤：
S1、获取无线充电系统中电感所需通过的最大电流和电感感值；
S2、获取磁芯材料自身的饱和磁感应强度、磁导率以及磁芯材料的尺寸，并利用电感感值，确定空心电感的绕线匝数；
S3、根据磁芯材料的尺寸确定电感的有效磁路长度，并根据电感的有效磁路长度、空心电感的绕线匝数以及最大电流，计算得到最大电流下磁芯材料的磁场强度；
S4、根据电感确定绕线匝数，绕制空心电感与磁芯材料，组合电感；
S5、判断磁芯材料自身的饱和磁感应强度是否达到最大电流下磁芯材料的磁场强度，若是，则进入步骤S6，否则，结束流程；
S6、通过测试仪器测试无气隙的电感感值和Q值，并分别记录相同绕线匝数下组合后的电感中包含无气隙的不同气隙大小以及不同气隙大小的电感感值和Q值；
S7、对比不同气隙大小的电感感值和Q值，选取相同电感感值中Q值最高的电感，确定与记录Q值最高的电感的磁芯气隙为最佳气隙；
S8、根据最大电流下磁芯材料的最佳气隙以及步骤S2计算得到的空心电感匝数，绕制不同匝数空心电感组合成电感。
本发明的有益效果是：本发明通过选用符合应用的磁芯气隙大小，减小磁饱和损耗，获得应用于无线充电系统的高Q值的电感。本设计方法中利用磁导率高的磁芯材料把电感周围磁场更紧密的约束在电感元件周围，从而增大了电感感值，也减少了电感器件的电磁辐射，降低磁饱和损耗，减少电感的等效电阻，从而提升电感Q值。本设计中减少电感的剩磁和趋肤效应，增加电感饱和电流，有利于改善无线充电系统中电感存在的低Q值、易饱和、发热严重、输出功率小等问题。本发明通过以上设计为无线充电系统提供了一种体积小，更适用于大功率无线充电系统的高Q值电感，提高了无线充电系统的效率，增大无线供电系统的功率，改善电磁辐射，同时减少无线供电系统的发热。
进一步地，所述电感感值的表达式如下：
其中，L表示电感感值，u表示磁芯材料的磁导率，N表示空心电感的绕线匝数，A表示空心电感的横截面积，l表示电感有效长度。
进一步地，所述空心电感由单根或多根励磁线并联制成。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过以上设计增加了电感材料导线的表面积，更适用于交变电流流信号通过，改善电感材料趋肤效应，减少电感发热。
再进一步地，所述最大电流下磁芯材料的磁场强度的表达式如下：
H＝N×I/Le
其中，H表示最大电流下磁芯材料的磁场强度，N表示空心电感的绕线匝数，I表示最大电流，Le表示电感的有效磁路长度。
再进一步地，所述判断磁感应强度饱和情况是否达到磁饱和强度的条件为：
Bm<B
B＝u×H
其中，B表示磁感应强度，u表示磁导率，H表示最大电流下磁芯材料的磁场强度，Bm表示磁芯材料自身的饱和磁感应强度。
再进一步地，所述磁芯材料包括磁芯材料本体、第一磁芯材料盖顶以及空心电感；
所述磁芯材料本体包括底板以及底板延伸部，所述底板延伸部包括两个第一边柱和一个第一绕线柱，各所述第一边柱位于底板的边沿并垂直于所述底板，所述第一绕线柱垂直于所述底板，所述第一绕线柱平行于所述第一边柱，并位于所述两个第一边柱之间；所述第一绕线柱与磁芯材料盖顶间存在空气气隙；
所述第一磁芯材料盖顶包括第一盖顶部以及盖顶延伸部，所述盖顶延伸部包括两个第二边柱和一个第二绕线柱，各所述第二边柱垂直于所述第一盖顶部，所述第二绕线柱平行于所述两个第二边柱，并位于所述两个第二边柱之间；
所述磁芯材料本体、第一磁芯材料盖顶以及空心电感形成叠加，所述空心电感包围在所述第一绕线柱和第二绕线柱上。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中磁芯材料本体、第一磁芯材料盖顶和空心电感形成叠加，空心电感包围在第一绕线柱和第二绕线柱上，上下叠加在绕线电感形成闭合而成，有效的屏蔽磁场泄露，改善系统的电磁干扰和增加抗干扰能力。
再进一步地，所述第一绕线柱和第二绕线柱紧密贴合，所述空心电感分别与所述第一绕线柱和第二绕线柱之间存在空气气隙。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过该结构降低了磁导率u，在饱和电流通过时的磁场强度使磁芯材料未达到磁饱和。
再进一步地，所述磁芯材料包括磁芯材料本体、第二磁芯材料盖顶以及空心电感；
所述磁芯材料本体包括底板以及底板延伸部，所述底板延伸部包括两个第一边柱和一个第一绕线柱，各所述第一边柱位于底板的边沿并垂直于所述底板，所述第一绕线柱垂直于所述底板，所述第一绕线柱平行于所述第一边柱，并位于所述两个第一边柱之间；所述第一绕线柱与磁芯材料盖顶间存在空气气隙；
所述第二磁芯材料盖顶包括第二盖顶部，所述第二盖顶部为平板的磁导材料；
所述磁芯材料本体、第二磁芯材料盖顶及空心电感形成叠加，所述空心电感包围在所述第一绕线柱上。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中磁芯材料本体、第二磁芯材料盖顶和空心电感形成叠加，空心电感包围在第一绕线柱上，上下叠加在绕线电感形成闭合而成，有效的屏蔽磁场泄露，改善系统的电磁干扰和增加抗干扰能力。
再进一步地，所述第二盖顶部和第一绕线柱紧密贴合，所述空心电感与所述第一绕线柱之间存在空气气隙。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过该结构降低了磁导率u，在饱和电流通过时的磁场强度使磁芯材料未达到磁饱和。
再进一步地，所述空心电感由导电材料构成，且其结构为螺旋缠绕。
上述进一步方案的有益效果是：改善了磁芯材料的磁饱和现象，增大了电感的饱和电流，在无线充电领域，增大了充电功率，降低磁饱和的损耗，减少发热的同时提升了系统的整体效率。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本实施例中磁芯材料盖顶部和底板磁导材料相同的电感结构示意图。
图3为本实施例中磁芯材料盖顶部为平板的磁导材料的电感结构示意图。
图4为本实施例中空心电感。
图5为本实施例中含气隙的组合电感结构图。
图6为本实施例中组合的电感结构尺寸图。
图7为本实施例中相同组合电感匝数不同气隙大小对应的电感感值和Q值示意图。
图8为本实施例中相同组合电感感值0.1mm的气隙和无气隙对应的Q值示意图。
其中，1-磁芯材料本体，101-底板，102-第一边柱，103-第一绕线柱，2-第一磁芯材料盖顶，201-第一盖顶部，202-第二边柱，203-第二绕线柱，204-第二盖顶部，3-空心电感，4-磁芯气隙，5-第二磁芯材料盖顶。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
本发明的目的是为了解决无线充电系统传统应用中的电感、Q值低、发热严重容易饱和以及体积大进而导致无线充电系统传输效率、充电功率受限、无线充电系统的有效传输距离近及无线充电系统工作中的发热和电磁干扰(EMI)等问题。如图1所示，本发明提供了一种用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其实现方法如下：
S1、获取无线充电系统中电感所需通过的最大电流和电感感值；
所述电感感值的表达式如下：
其中，L表示电感感值，u表示磁芯材料的磁导率，N表示空心电感的绕线匝数，A表示空心电感的横截面积，l表示电感有效长度；
S2、获取磁芯材料自身的饱和磁感应强度、磁导率以及磁芯材料的尺寸，并利用电感感值，确定空心电感的绕线匝数；
S3、根据磁芯材料的尺寸确定电感的有效磁路长度，并根据电感的有效磁路长度、空心电感的绕线匝数以及最大电流，计算得到最大电流下磁芯材料的磁场强度；
所述最大电流下磁芯材料的磁场强度的表达式如下：
H＝N×I/Le
其中，H表示最大电流下磁芯材料的磁场强度，N表示空心电感的绕线匝数，I表示最大电流，Le表示电感的有效磁路长度；
S4、根据电感确定绕线匝数，绕制空心电感与磁芯材料，组合电感；
S5、判断磁芯材料自身的饱和磁感应强度是否达到最大电流下磁芯材料的磁场强度，若是，则进入步骤S6，否则，结束流程；
所述判断磁感应强度饱和情况是否达到磁饱和强度的条件为：
Bm<B
B＝u×H
其中，B表示磁感应强度，u表示磁导率，H表示最大电流下磁芯材料的磁场强度，Bm表示磁芯材料自身的饱和磁感应强度。如图5所示，现实中磁芯材料在一定温度情况下会有磁饱和强度Bm，即磁场强度持续增加到一定程度后，磁感应强度不再增长，即磁芯材料达到磁饱和。
S6、通过测试仪器测试无气隙的电感感值和Q值，并分别记录相同绕线匝数下组合后的电感中包含无气隙的不同气隙大小以及不同气隙大小的电感感值和Q值；
S7、对比不同气隙大小的电感感值和Q值，选取相同电感感值中Q值最高的电感，确定与记录Q值最高的电感的磁芯气隙为最佳气隙；
S8、根据最大电流下磁芯材料的最佳气隙以及步骤S2计算得到的空心电感匝数，绕制不同匝数空心电感组合成电感。
本实施例中，不同气隙可以通过打磨实现。
本实施例中，空心电感由单根或多根励磁线并联制成。
本实施例中，空心电感的电导材料由导电材料构成，如典型的如铜线，单根或多根励磁线并联制成的空心电感，增加了电感材料导线的表面积，更适用于交变电流流信号通过，改善电感材料趋肤效应，减少电感发热。结构为螺旋缠绕，不限于水平和垂直螺旋。
本实施例中，磁芯材料的是磁导率大于空气磁导率的磁性材料，典型的如锰-锌铁氧体和镍-锌铁氧体。
本实施例中，如图2-图5所示，所述磁芯材料包括磁芯材料本体1、第一磁芯材料盖顶2以及空心电感3；所述磁芯材料本体1包括底板101以及底板延伸部，所述底板延伸部包括两个第一边柱102和一个第一绕线柱103，各所述第一边柱102位于底板101的边沿并垂直于所述底板101，所述第一绕线柱103垂直于所述底板101，所述第一绕线柱103平行于所述第一边柱102，并位于所述两个第一边柱102之间；所述第一绕线柱103与第一磁芯材料盖顶2间存在空气气隙；所述第一磁芯材料盖顶2包括第一盖顶部201以及盖顶延伸部，所述盖顶延伸部包括两个第二边柱202和一个第二绕线柱203，各所述第二边柱202垂直于所述第一盖顶部201，所述第二绕线柱203平行于所述两个第二边柱202，并位于所述两个第二边柱202之间；所述磁芯材料本体1、第一磁芯材料盖顶2以及空心电感3形成叠加，所述空心电感3包围在所述第一绕线柱103和第二绕线柱203上。所述第一绕线柱103和第二绕线柱203紧密贴合，所述空心电感3分别与所述第一绕线柱103和第二绕线柱203之间存在空气气隙。
本实施例中，如图4所示，图中4为磁芯气隙，空心电感3由导电材料构成，如铜线，漆包线，本实施例采用多股的励磁线；结构为螺旋缠绕，形成空心电感，不限制于顺时针或者逆时针缠绕，水平或垂直。
本实施例中，磁芯材料由高于空气磁导率的材料构成，典型的如锰-锌铁氧体和镍-锌铁氧体，磁芯材料包含磁芯材料本体1以及第一磁芯材料盖顶2，磁芯材料本体1包括一个底板101和底板延伸，底板101具有一定长度和宽度，延伸部包含两个第一边柱102和一个第一绕线柱103，第一边柱102位于底板101的边沿垂直于底板101，同样具有一定的长度和宽度，第一绕线柱103垂直于底板101且平行于边柱102，处于两个边柱102之间。第一磁芯材料盖顶2可以仅为具有一定长度和宽度的磁芯材料或包含一定长度和宽度的盖顶于盖顶延伸部，盖顶延伸部包含两个第二边柱202和一个第二绕线柱203，第二边柱202具由一定长度和宽度垂直于第一盖顶部201，第二绕线柱203平行于第二边柱202，并位于两个第二边柱202之间。
本实施例中，由空心电感3缠绕在磁芯材料本体1绕线柱上，在磁芯材料本体1和第一磁芯材料盖顶2闭合，磁芯材料本体1延伸部的两个第一边柱102与第一磁芯材料盖顶2紧密连接，磁芯材料本体1延伸部的第一绕线柱103与第一磁芯材料盖顶2之间具有一定气隙，增加磁饱和电流，减少剩磁。
本实施例中，电导材料包括不同材质的电导材料缠绕在磁芯材料本体1延伸部第一绕线柱103和第二绕线柱203上，包括单线和多线的励磁线，获得不同感值的电感适用于不同的无线充电技术系统中。
本实施例中，如图3所示，图3中磁芯材料盖顶部201为平板的磁导材料。
本实施例中，如图3所示，所述磁芯材料包括磁芯材料本体1、第二磁芯材料盖顶5以及空心电感3；所述磁芯材料本体1包括底板101以及底板延伸部，所述底板延伸部包括两个第一边柱102和一个第一绕线柱103，各所述第一边柱102位于底板101的边沿并垂直于所述底板101，所述第一绕线柱103垂直于所述底板101，所述第一绕线柱103平行于所述第一边柱102，并位于所述两个第一边柱102之间；所述第一绕线柱103与磁芯材料盖顶2间存在空气气隙；所述第二磁芯材料盖顶5包括第二盖顶部204，所述第二盖顶部204为平板的磁导材料；所述磁芯材料本体1、第二磁芯材料盖顶5以及空心电感3形成叠加，所述空心电感3包围在所述第一绕线柱103上。所述第二盖顶部204和第一绕线柱103紧密贴合，所述空心电感3与所述第一绕线柱103之间存在空气气隙。
本实施例中，由空心电感3缠绕在磁芯材料本体1绕线柱上，在磁芯材料本体1和第二磁芯材料盖顶5闭合，磁芯材料本体1延伸部的两个第一边柱102与磁芯材料盖顶2紧密连接，磁芯材料本体1延伸部的第一绕线柱103与第二磁芯材料盖顶5之间具有一定气隙，增加磁饱和电流，减少剩磁。
本实施例中，如图4所示，空心电感3的电导材料为0.1mm*70股的铜制绝缘漆包线紧密并联成电导材料，应用在无线充电系统中的电感主要用于谐振电路中，会其中通过一定频率的交流电流，由于电磁感应原理，交流信号通过时导线会产生趋肤效应，电流主要依附于导体的表面流向，中心部分电流小于外表面电流，本发明实施例中使用为直径0.1mm*70股的励磁线电导材料绕制成空心电感3，增加了电感导线的表面积，减小趋肤效应和谐振电感的等效电阻，减少电感的功率损耗和发热现象。
本实施例中，如图2所示，由磁芯材料本体1、第一磁芯材料盖顶2和空心电感3形成叠加，空心电感3包围在第一绕线柱103和第二绕线柱203上，上下叠加在绕线电感形成闭合，闭合后结构如图6所示结构尺寸图所示。本发明使用多根线并联绕制可以增加电感感值，其有益效果是增加电感导线的表面积，改善电感趋肤效应，减少电感损耗，减少发热，获得不同感值的电感应用于无线充电技术系统中。图6中，空心电感3的线径φ为1.2mm；磁芯材料本体1的长度为25mm，磁芯材料本体1的宽度为9mm，磁芯材料本体1的高度为2.3mm；第一边柱102的长度为5mm，第一边柱102的宽度为9mm，第一边柱102的高度3.2mm；电感整体的长度为25mm，电感整体的宽度为9mm，电感整体的高度为11mm。
本实施例中，由磁芯材料本体1、第二磁芯材料盖顶5和空心电感3形成叠加，空心电感3包围在第一绕线柱103上，上下叠加在绕线电感形成闭合。
本实施例中，磁芯材质结构包括不同的磁芯材料制做而成，应具有增强电感磁芯磁导率，相比空心电感，增大电感的感值和Q值，缩小电感体积，更利于无线充电系统中缩小体积。
本实施例中，通过改变第一绕线柱103与第一磁芯材料盖顶2之间的气隙，或者通过改变第一绕线柱103与第二磁芯材料盖顶5之间的气隙，其有益效果是变化的电感感值，增大电感饱和电流，减少电感剩磁损耗和磁导材料的涡流损耗，减少电感的等效电阻，提高了电感的品质因素Q。获得高Q值得电感，改善在无线充电系统中电感的发热严重、体积大和品质因素Q低的问题，使电感可以通过更大电流不饱和，提升无线充电系统的可充电功率和无线充电距离及自由度，减少了磁芯材料的剩磁损耗，电感的等效电阻和发热，提升了无线充电系统的整体效率。
本实施例中，底板101和底板延伸与第一盖顶部201紧密贴合，或底板101和底板延伸与第二盖顶部204紧密贴合，在导电材料螺旋绕制在第一绕线柱103的周围形成半包围的屏蔽外壳，其有益效果是减少了电感在无线充电系统工作中产生的的电磁干扰(EMI)，从而提高了无线充电系统的稳定性和抗干扰性。
本实施例中，磁芯材料磁导率大于空气磁导率，相同材料和匝数时电感感值大于空心电感感值，根据电感计算公式L＝[0.4π*u*N^2*A*10e(-2)]/l，u表示磁芯材料的磁导率，N表示空心电感的绕线匝数，A为空心电感的横截面积，l表示电感有效长度，L表示电感感值，可以知道，磁导率与电感感值成正比，增加电感感值的方式可以增加电感中芯的磁导率，由数据可知空气的磁导率是1.2566*10e(-6)H/m，本实施例铁氧体的磁导率约为2.80*e(-3)H/m，磁芯材料的磁芯材料本体1的第一绕线柱103放置于绕线空心电感3的中心，因此增加构成电感的磁导率可以非常有效的增加电感的感值。
本实施例中，根据电感的等效电路可知，从电感引线的一端开始可以看成一个电感L与一个等效电阻Rs串联，绕后再并联电感的固有电容C，固有电容四电感的分布电容和寄生电容构成的，如图4所示，空心电感4，在没有磁芯材料的时候，空心绕线电感感值想要提升需要绕制线圈匝数更多或者增大绕线的直径，等效电阻Rs的大小跟电感绕线的线径成反比，跟绕线线长成正比，不改变绕线线径若加大电感线圈匝数，电感的等效电阻Rs则会增大，固有电容也会增大。在无线充电系统应用中，利用磁导材料绕制成的电感相比于等材质等线径和绕线半径的空心电感可以缩小电感的体积，增加感值，有利于缩小无线充电系统电感体积，缩小系统体积，更广泛的适用于各个领域。
本实施例中，如图5所示，磁芯材料本体1的延伸部和磁芯材料盖顶2的延伸部紧密结合，形成了一个密闭环，电感应用在无线充电系统中的时候会与电容构成谐振电路，工作的时候会有电流经过电感，磁芯材料构成的闭合环在经过电流的绕线电感外面，磁导材料有效的起了屏蔽电磁干扰作用，一方面防止电感元件对无线系统中的其他电路和外界干扰，另一方面是防止外界磁场对电感的正常工作产生干扰。应用在无线充电系统中增强了无线充电系统的可靠性和提高产品质量的稳定性。
本实施例中，在无线充电系统应用中，功率电感多数用于谐振和耦合，需要通过较大的电流，电感的品质因素Q值是电感的重要参考参数之一，电感品质因素Q值与感量，角频率及等效电阻的关系如下：
Q＝jwL/Rs
上述公式中，j表示虚数单位，w表示频率，Rs表示电感得等效串联总电阻，包括线圈电阻，磁滞损耗及涡流损耗。高Q值的电感是无线充电应用重要的参数，根据上式增加电感匝数后，增加电感感值L会增加，线圈材料长度也会增加，电阻Rs也会有增加，减小Rs即可以提升Q值，减少损耗，同样可以减少电感的发热。当磁场强度逐渐增大时，磁感应强度并不会一直随之增大，会趋于饱和，为磁性材料的磁饱和。半个周期中当磁场强度减小至0时，磁导材料的磁感应强度不会立刻恢复至0，会有一定的剩磁，所以使用谐振电感时在某一电流情况下会出线磁饱和现象。磁导率过高在较小电流时就会达到磁饱和，电感储能低。想要增加通过电感电流增加功率，需要扩大磁饱和电流，使电感在更大的磁场强度时才达到磁饱和的情况。
本实施例中，如图5所示，磁芯材料本体1的第一绕线柱103与第一磁芯材料盖顶2的第二绕线柱203之间留有磁芯气隙4，磁芯气隙4可以适当降低磁导率，使磁导率介于磁材料和空气之间，不过高也不低，可控的磁导率适用于无线充电系统中，从而增大电感的饱和电流，增大电感的储能上限，同时可以减小电感磁芯材料的剩磁，可以减小磁滞损耗和涡流损耗，改善磁饱和现象，本实施例使用导电材料励磁线(0.1mm*70)绕制4匝的电感，改变不同的磁芯气隙4由0.1mm至1mm，通过电子测试仪器数字电桥(100Khz/1V)的实际测试，测试结果如图8所示的电感感值uH和Q值与气隙的关系曲线图。由图8可知，在无气隙时，电感感值uH较高，Q值相当，随着磁芯气隙4的增加时，制成的电感Q值由增加在减小，电感感值是随着磁芯气隙4的增加逐渐减小的。结合由图7的磁芯材料的磁滞回线图可以分析，图7为相同组合电感匝数不同气隙大小对应的电感感值和Q值示意图，电感感值uH高磁感应强度大，通过较小的电流时易产生磁饱和现象，增加磁芯气隙4可以改善磁饱和现象，由图7可知该电导材料和本实施例的磁芯材料结构在0.1mm气隙时Q值最高。
本实施例中，为确定气隙对Q值的影响，再次进行对比测试，使用0.1mm的气隙与0mm无气隙的磁芯材料，使用相同的导电材料励磁线(0.1mm*70)绕不同匝数的空心电感与实施例相同的磁芯材料，获得不同感值的电感，再对不同电感感值的Q值进行数据测试，测试结果如图8所示，图8为相同组合电感感值0.1mm的气隙和无气隙对应的Q值示意图，不同的电感感值uH时，0.1mm的气隙电感的Q值(100KHz/1V)比无气隙制成的电感要明显增高，因此电感的磁芯材料有气隙是可以提升电感的Q值。但是随着电感感值uH增加和磁场强度的增加，也逐渐趋于磁饱和，Q值不再明显增加，有气隙的电感会比无气隙的电感在大磁场强度和大电流时Q值更高，所以在合适的气隙时，制成的电感Q值高，损耗小。故本设计方法的制成的电感可以提升电感的饱和电流，适用于大功率无线充电，增大无线充电功率，减少无线充电系统发热并提升系统效率。
本发明通过以上设计，在电感结构组成部分使用磁芯材料，可以增加电感感量，减小电感匝数缩小电感得体积；磁芯材料外部覆盖可以提升电感的抗干扰能力。在无线充电应用中具有体积小，安装方便，提升系统的稳定性；本发明通过控制磁芯材料的气隙，增加电感饱和电流，减少磁滞损耗和等效电阻，可以增加电感的Q值，获得高Q值得电感；可以更适用于大功率无线充电系统，提升系统效率；减少匝数电感等效直流电阻，通过相同电流时可以有效降低热损耗，改善无线充电系统中得发热现象，提升无线充电系统得效率，缩小电感体积，更适用于无线充电系统应用中；本发明使用多股励磁线(0.1mm*70)材料绕制成的空心电感，保证材料横切面积不变的情况下，增大电导材料的表面积，可以减小无线充电系统中谐振电感的趋肤效应,减小电感得等效电阻，减少电感发热。
Claims (10)
1.一种用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取无线充电系统中电感所需通过的最大电流和电感感值；
S2、获取磁芯材料自身的饱和磁感应强度、磁导率以及磁芯材料的尺寸，并利用电感感值，确定空心电感的绕线匝数；
S3、根据磁芯材料的尺寸确定电感的有效磁路长度，并根据电感的有效磁路长度、空心电感的绕线匝数以及最大电流，计算得到最大电流下磁芯材料的磁场强度；
S4、根据电感确定绕线匝数，绕制空心电感与磁芯材料，组合电感；
S5、判断磁芯材料自身的饱和磁感应强度是否达到最大电流下磁芯材料的磁场强度，若是，则进入步骤S6，否则，结束流程；
S6、通过测试仪器测试无气隙的电感感值和Q值，并分别记录相同绕线匝数下组合后的电感中包含无气隙的不同气隙大小以及不同气隙大小的电感感值和Q值；
S7、对比不同气隙大小的电感感值和Q值，选取相同电感感值中Q值最高的电感，确定与记录Q值最高的电感的磁芯气隙为最佳气隙；
S8、根据最大电流下磁芯材料的最佳气隙以及步骤S2计算得到的空心电感匝数，绕制不同匝数空心电感组合成电感。
2.根据权利要求1所述的用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其特征在于，所述电感感值的表达式如下：
其中，L表示电感感值，u表示磁芯材料的磁导率，N表示空心电感的绕线匝数，A表示空心电感的横截面积，l表示电感有效长度。
3.根据权利要求2所述的用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其特征在于，所述空心电感由单根或多根励磁线并联制成。
4.根据权利要求3所述的用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其特征在于，所述最大电流下磁芯材料的磁场强度的表达式如下：
H＝N×I/Le
其中，H表示最大电流下磁芯材料的磁场强度，N表示空心电感的绕线匝数，I表示最大电流，Le表示电感的有效磁路长度。
5.根据权利要求4所述的用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其特征在于，所述判断磁芯材料自身的饱和磁感应强度是否达到最大电流下磁芯材料的磁场强度的条件为：
Bm<B
B＝u×H
其中，B表示磁感应强度，u表示磁导率，H表示最大电流下磁芯材料的磁场强度，Bm表示磁芯材料自身的饱和磁感应强度。
6.根据权利要求5所述的用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其特征在于，所述磁芯材料包括磁芯材料本体(1)、第一磁芯材料盖顶(2)以及空心电感(3)；
所述磁芯材料本体(1)包括底板(101)以及底板延伸部，所述底板延伸部包括两个第一边柱(102)和一个第一绕线柱(103)，各所述第一边柱(102)位于底板(101)的边沿并垂直于所述底板(101)，所述第一绕线柱(103)垂直于所述底板(101)，所述第一绕线柱(103)平行于所述第一边柱(102)，并位于所述两个第一边柱(102)之间；所述第一绕线柱(103)与第一磁芯材料盖顶(2)间存在空气气隙；
所述第一磁芯材料盖顶(2)包括第一盖顶部(201)以及盖顶延伸部，所述盖顶延伸部包括两个第二边柱(202)和一个第二绕线柱(203)，各所述第二边柱(202)垂直于所述第一盖顶部(201)，所述第二绕线柱(203)平行于所述两个第二边柱(202)，并位于所述两个第二边柱(202)之间；
所述磁芯材料本体(1)、第一磁芯材料盖顶(2)以及空心电感(3)形成叠加，所述空心电感(3)包围在所述第一绕线柱(103)和第二绕线柱(203)上。
7.根据权利要求6所述的用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其特征在于，所述第一绕线柱(103)和第二绕线柱(203)紧密贴合，所述空心电感(3)分别与所述第一绕线柱(103)和第二绕线柱(203)之间存在空气气隙。
8.根据权利要求1所述的用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其特征在于，所述磁芯材料包括磁芯材料本体(1)、第二磁芯材料盖顶(5)以及空心电感(3)；
所述磁芯材料本体(1)包括底板(101)以及底板延伸部，所述底板延伸部包括两个第一边柱(102)和一个第一绕线柱(103)，各所述第一边柱(102)位于底板(101)的边沿并垂直于所述底板(101)，所述第一绕线柱(103)垂直于所述底板(101)，所述第一绕线柱(103)平行于所述第一边柱(102)，并位于所述两个第一边柱(102)之间；所述第一绕线柱(103)与第二磁芯材料盖顶(5)间存在空气气隙；
所述第二磁芯材料盖顶(5)包括第二盖顶部(204)，所述第二盖顶部(204)为平板的磁导材料；
所述磁芯材料本体(1)、第二磁芯材料盖顶(5)以及空心电感(3)形成叠加，所述空心电感(3)包围在所述第一绕线柱(103)上。
9.根据权利要求8所述的用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其特征在于，所述第二盖顶部(204)和第一绕线柱(103)紧密贴合，所述空心电感(3)与所述第一绕线柱(103)之间存在空气气隙。
10.根据权利要求9所述的用于改善无线充电系统中电感的设计方法，其特征在于，所述空心电感(3)由导电材料构成，且其结构为螺旋缠绕。
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