CN116191623B - 一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，应用于无线耦合机构发射端和无线耦合机构接收端，通过改变磁芯部分区域厚度来减小磁通密度以能够实现减小该区域的磁芯损耗；这样磁感应强度分布均匀，大幅度降低了磁芯的损耗，提高了无线充电耦合机构的性能。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，具体涉及一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端。
背景技术
由于能源紧缺、环境污染等多种原因，交通运输系统的电气化已成为趋势。在铁路系统中，电力机车已经发展了很多年。火车在固定的轨道上运行，利用受电弓滑块很容易从导体轨中获得电力。
然而，对于电动汽车来说，高度的灵活性使其不容易以类似的方式获得电力。如果电池电量耗尽，电动汽车无法像油车那般立即准备就绪。为了克服这个问题，车主需要找到任何可能的机会为电池充电。人们可能会忘记插电，从而无法出行；地面上充电线可能带来绊倒危险；开裂旧电缆的泄漏，特别是在寒冷地区，会给业主带来额外的危险。此外，人们不得不冒着户外的恶劣天气为电车充电。这为人们的生活带来了很多困扰，而无线充电的诞生有希望讲人们从电车的困扰中解放出来，真正成为电车的主人。
通过无线传输能量到电动汽车，电车充电变得十分简单方便。对于一个固定的WPT系统，司机只需要停车和离开。对于动态WPT系统，这意味着电动汽车可以在行驶时供电；电动汽车可以一直不停地运行。此外，与有线充电的电动汽车相比，无线充电的电动汽车电池容量可减少20％以上。
汽车无线充电一般采用磁谐振耦合式，基本原理是两个具有相同谐振频率的物体之间可以实现较高的能量交换，实现这一能量交换的部件称之为耦合机构。
耦合机构损耗的大小直接影响整个无线充电系统的传输效率，因此设计一种损耗较低的耦合机构是必要的。耦合机构损耗分为三部分：线圈损耗、磁芯损耗和涡流损耗，其中磁芯损耗占全部损耗的40％，降低磁芯损耗显得至关重要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，磁感应强度分布均匀，大幅度降低了磁芯的损耗，提高了无线充电耦合机构的性能。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种低损耗无线充电磁芯方法，应用于无线耦合机构发射端和无线耦合机构接收端，通过改变磁芯部分区域厚度来减小磁通密度以能够实现减小该区域的磁芯损耗。
本发明提供的一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，磁感应强度分布均匀，大幅度降低了磁芯的损耗，提高了无线充电耦合机构的性能。
作为优选技术方案，具体包括以下步骤：
对无线耦合机构发射端或无线耦合机构接收端进行电磁仿真，得到无线耦合机构发射端或无线耦合机构接收端的磁芯的损耗分布；
根据磁芯的损耗分布，划定需要增加厚度的磁芯区域；
对需要增加的厚度Δδ进行电磁仿真；
分析电磁仿真所得磁芯损耗分布，对具体损耗数值进行比较，在考虑空间、成本和重量的前提下，选取最优增加厚度Δδ。
作为优选技术方案，所述磁芯为铁氧体磁性材料或非晶纳米合金磁性材料。
作为优选技术方案，对无线耦合机构发射端进行电磁仿真，线圈投影正对磁芯处的损耗大于磁芯其他区域损耗；令线圈投影正对磁芯处的磁通为Ф，Ф的单位为Wb，磁通面积S，S的单位为m2，则有：
上述公式中B为磁通密度，B的单位为T；
当磁芯为铁氧体磁性材料，铁氧体磁性材料的磁芯损耗计算公式为：
P＝CmBxfy
上述公式中Cm＝0.25，x＝1.57，y＝2.38均由铁氧体磁性材料决定，f频率为定值，f的单位为Hz；
由上述两个公式可知，当磁芯处磁通Ф一定时，减小磁芯损耗P需要减小磁通密度B，即增大磁通面积S；在磁芯尺寸不变的前提下，欲增大系统面积S，则需增大磁芯厚度δ。
本发明还一种低损耗无线充电磁芯结构，应用于无线耦合机构发射端和无线耦合机构接收端，包括：铝屏蔽板，在铝屏蔽板上依次设有磁芯和线圈，所述磁芯的外径小于铝屏蔽板的外径，所述线圈的外径小于所述磁芯的外径，将线圈投影正对的磁芯进行厚度增加以能够形成磁芯加厚区域。
作为优选技术方案，所述磁芯加厚区域为一个连续一体成型结构的加厚磁芯。
作为优选技术方案，所述连续一体成型结构的加厚磁芯上设有多个镂空部。
作为优选技术方案，所述磁芯加厚区域为多块加厚磁芯块紧密排列拼接而成或每两个相邻加厚磁芯块之间设有空隙排列拼接而成。
作为优选技术方案，所述磁芯加厚区域朝着线圈一侧加厚或朝着铝屏蔽板一侧加厚。
本发明提供一种搭载上述中任一项所述低损耗无线充电磁芯方法的电动汽车无线充电终端。
本发明提供的一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，具有以下有益效果：
1)本发明提供的一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，磁感应强度分布均匀，大幅度降低了磁芯的损耗，提高了无线充电耦合机构的性能；
2)本发明提供的一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，对磁芯损耗进行具体的数值计算，不具有磁芯加厚区域的无线耦合机构发射端的磁芯损耗为31W，本发明提供的具有磁芯加厚区域的无线耦合机构发射端的损耗为25W，磁芯损耗减小24％，可见本发明对磁芯损耗的降低效果较为显著。
附图说明
图1为不具有磁芯加厚区域的无线耦合机构发射端结构的示意图；
图2为不具有磁芯加厚区域的无线耦合机构发射端的磁芯损耗分布的示意图；
图3为本发明提供的具有磁芯加厚区域的无线耦合机构发射端的示意图；
图4为本发明提供的具有磁芯加厚区域的无线耦合机构发射端的磁芯损耗分布的示意图；
其中，1-铝屏蔽板；2-磁芯；3-线圈；4-磁芯加厚区域。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
可以理解，本发明是通过一些实施例达到本发明的目的，本发明提供一种低损耗无线充电磁芯方法，应用于无线耦合机构发射端和无线耦合机构接收端，通过改变磁芯部分区域厚度来减小磁通密度以能够实现减小该区域的磁芯损耗；具体包括以下步骤：
对无线耦合机构发射端或无线耦合机构接收端进行电磁仿真，得到无线耦合机构发射端或无线耦合机构接收端磁芯的损耗分布；
根据磁芯的损耗分布，划定需要增加厚度的磁芯区域；
对需要增加的厚度Δδ进行电磁仿真；
分析电磁仿真所得磁芯损耗分布，对具体损耗数值进行比较，在考虑空间、成本和重量的前提下，选取最优增加厚度Δδ；所述磁芯2为铁氧体磁性材料或非晶纳米合金磁性材料；对无线耦合机构发射端进行电磁仿真，线圈投影正对磁芯处的损耗大于磁芯其他区域损耗；令线圈3投影正对磁芯2处的磁通为Ф，Ф的单位为Wb，磁通面积为S，S的单位为m2，则有：
上述公式中B为磁通密度，B的单位为T；
当磁芯2为铁氧体磁性材料，铁氧体磁性材料的磁芯损耗计算公式为：
P＝CmBxfy
上述公式中Cm＝0.25，x＝1.57，y＝2.38均由铁氧体磁性材料决定，f频率为定值，f的单位为Hz；
由上述两个公式可知，当磁芯2处磁通Ф一定时，减小磁芯损耗P需要减小磁通密度B，即增大磁通面积S；在磁芯尺寸不变的前提下，欲增大系统面积S，则需增大磁芯厚度δ。
本发明还一种低损耗无线充电磁芯结构，包括：耦合机构发射端，所述耦合机构发射端包括：铝屏蔽板1，在铝屏蔽板1上依次设有磁芯2和线圈3，所述磁芯2的外径小于铝屏蔽板1的外径，所述线圈3的外径小于所述磁芯2的外径，将线圈投影正对的磁芯2进行厚度增加以能够形成磁芯加厚区域4；所述磁芯加厚区域4为一个连续一体成型结构的加厚磁芯；所述连续一体成型结构的加厚磁芯上设有多个镂空部；所述磁芯加厚区域4为多块加厚磁芯块紧密排列拼接而成或每两个相邻所述磁芯块之间设有空隙排列拼接而成；所述磁芯加厚区域4朝着线圈3一侧加厚或朝着铝屏蔽板1一侧加厚。
本发明提供一种搭载上述任一项所述低损耗无线充电磁芯方法的电动汽车无线充电终端。
本发明提出了一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，对无线充电耦合机构性能的提高具有重要意义；本发明提出的一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，应用于无线耦合机构发射端和无线耦合机构接收端；以无线耦合机构发射端为例进行阐述，无线耦合机构发射端结构如图1所示，无线耦合机构发射端由线圈3、磁芯2和铝屏蔽板1组成。
本发明提出了一种低损耗无线充电磁芯方法，具体包括以下步骤：
S1对无线耦合机构发射端或无线耦合机构接收端进行电磁仿真，得到无线耦合机构发射端或无线耦合机构接收端的磁芯损耗分布；
S2根据磁芯的损耗分布，划定需要增加厚度的磁芯区域；
S3对需要增加的厚度Δδ进行电磁仿真，一般地，以0.5mm为步长直到允许的最大厚度为终止；
S4分析电磁仿真所得磁芯损耗分布，对具体损耗数值进行比较，在考虑空间、成本和重量的前提下，选取最优增加厚度Δδ。
本发明提出了一种低损耗无线充电磁芯方法，具体包括以下步骤：
S1本发明提出增加磁芯部分区域厚度的方法来减小磁通密度，以此减小该区域的磁芯损耗；本发明提出的一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，适用于无线耦合机构发射端和无线耦合机构接收端，现以无线耦合机构发射端为例，不具有磁芯加厚区域的无线耦合机构发射端结构如图1所示，无线耦合机构发射端由线圈3、磁芯2和铝屏蔽板1组成，磁芯2厚度处处相等，磁芯2厚度δ＝5mm，所述线圈3优选利兹线圈；
S2对图1所示对无线耦合机构发射端进行电磁仿真，可得到如图2所示的不具有磁芯加厚区域的无线耦合机构发射端的磁芯损耗分布，可见，线圈3投影正对磁芯2处的损耗远大于磁芯2其他区域损耗；令线圈3投影正对磁芯2处磁通为Ф，Ф的单位为Wb，磁通面积S，S的单位为m2，则有：
式中B为磁通密度，B的单位为T；
磁芯2所用材料选择铁氧体磁性材料或非晶纳米合金磁性材料，在此磁芯2所用材料优选铁氧体磁性材料，铁氧体磁性材料的磁芯2损耗计算公式为：
P＝CmBxfy(2)
式中Cm＝0.25，x＝1.57和y＝2.38均由铁氧体磁性材料决定，f频率为定值，f的单位为Hz；
由公式(1)和(2)可知，当磁芯处磁通Ф一定时，减小磁芯2损耗P需要减小磁通密度B，即增大磁通面积S；在磁芯2尺寸不变的前提下，欲增大系统面积S，则需增大磁芯2厚度δ；
理论上磁芯2厚度δ越大，该区域的磁通密度和磁芯损耗也越小，但考虑到受到空间、成本和重量等，磁芯增加厚度Δδ的取值受到限制；
S3根据步骤S2所提方法，对图1所示无线耦合机构发射端的磁芯结构进行优化；优化后无线耦合机构发射端的磁芯结构如图3所示，将线圈投影正对磁芯2厚度由5mm增大为7mm，计算得到磁芯2需要增加的厚度Δδ＝2mm；
如图3所示，无线耦合机构发射端的磁芯加厚区域4选择为一个连续一体成型结构的加厚磁芯；该连续一体成型结构的加厚磁芯上设有多个镂空部，以此减小重量和成本；如图3所示，无线耦合机构发射端的磁芯加厚区域4优选多块加厚磁芯小块拼接而成，加厚磁芯小块优选紧密排列，或者每两个相邻加厚磁芯小块之间留有一定空隙，以此减小重量和成本；
图3中所述磁芯加厚区域4朝着线圈3一侧加厚或朝着铝屏蔽板1一侧加厚；
S4对图3无线耦合机构发射端进行电磁仿真，得到无线耦合机构发射端的磁芯2损耗分布如图4所示，对磁芯2损耗具体的数值进行计算，不具有磁芯加厚区域4的无线耦合机构发射端的磁芯损耗为31W，本发明提供的具有磁芯加厚区域4的无线耦合机构发射端的损耗为25W，磁芯2损耗减小24％，可见本发明对磁芯2损耗的降低效果较为显著。
综上，本发明提出的一种强聚磁高品质因数的汽车无线充电耦合机构接收端结构，对无线充电耦合机构性能提升具有重要意义。
本发明提供的一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，具有以下有益效果：
1)本发明提供的一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，磁感应强度分布均匀，大幅度降低了磁芯的损耗，提高了无线充电耦合机构的性能；
2)本发明提供的一种低损耗无线充电磁芯结构、方法及其终端，对磁芯损耗进行具体的数值计算，不具有磁芯加厚区域的无线耦合机构发射端的磁芯损耗为31W，本发明提供的具有磁芯加厚区域的无线耦合机构发射端的损耗为25W，磁芯损耗减小24％，可见本发明对磁芯损耗的降低效果较为显著。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (1)
1.一种低损耗无线充电方法，其特征在于，其采用一种低损耗无线充电磁芯结构，一种低损耗无线充电磁芯结构包括铝屏蔽板，在铝屏蔽板上依次设有磁芯和线圈，所述磁芯的外径小于铝屏蔽板的外径，所述线圈的外径小于所述磁芯的外径，将线圈投影正对的磁芯进行厚度增加以能够形成磁芯加厚区域；
所述磁芯加厚区域为多块加厚磁芯块紧密排列拼接而成或每两个相邻加厚磁芯块之间设有空隙排列拼接而成；所述磁芯加厚区域朝着线圈一侧加厚或朝着铝屏蔽板一侧加厚；
其应用于无线耦合机构发射端和无线耦合机构接收端，通过改变磁芯部分区域厚度来减小磁通密度以能够实现减小该区域的磁芯损耗，所述磁芯为铁氧体磁性材料或非晶纳米合金磁性材料，具体包括以下步骤：
S1、对无线耦合机构发射端或无线耦合机构接收端进行电磁仿真，得到无线耦合机构发射端或无线耦合机构接收端的磁芯损耗分布；
S2、根据磁芯的损耗分布，划定需要增加厚度的磁芯区域；
S3、对需要增加的厚度Δδ进行电磁仿真,以0.5mm为步长直到允许的最大厚度为终止；
S4、分析电磁仿真所得磁芯损耗分布，对具体损耗数值进行比较，在考虑空间、成本和重量的前提下，选取最优增加厚度Δδ；
其中，线圈投影正对磁芯处的损耗大于磁芯其他区域损耗；令线圈投影正对磁芯处磁通为Ф，Ф的单位为Wb，磁通面积S，S的单位为m2，则有：
上述公式中B为磁通密度，B的单位为T；
当磁芯为铁氧体磁性材料，铁氧体磁性材料的磁芯损耗计算公式为：
P＝CmBxfy
上述公式中Cm＝0.25，x＝1.57，y＝2.38均由铁氧体磁性材料决定，f频率为定值，f的单位为Hz；
由上述两个公式可知，当磁芯处磁通Ф一定时，减小磁芯损耗P需要减小磁通密度B，即增大磁通面积S；在磁芯尺寸不变的前提下，欲增大系统面积S，则需增大磁芯厚度δ。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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