CN116317196B - 一种应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式磁耦合机构及其供电系统 - Google Patents

一种应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式磁耦合机构及其供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式磁耦合机构及其供电系统。所述磁耦合机构包括供电装置和电能接收装置，其中供电装置包括发射导轨和包围磁芯，电能接收装置包括T型磁芯和接收线圈；所述磁耦合机构为由内到外依次同中心包围设置，即中心为T型磁芯，接收线圈包围缠绕在T型磁芯上，发射导轨与电能接收装置同中心放置在外围，最终由包围磁芯完成对三个结构的包围。所述磁耦合机构通过利用磁芯代替部分空气间隙来传导磁通，从而显著降低了漏磁、提升了耦合强度，并从根本上解决了由于供电导线损坏带来的问题。

Description

一种应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式磁耦合机构及其 供电系统
技术领域
本发明属于无线电能传输领域和汽车座椅电机领域，特别是涉及一种应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式磁耦合机构及其供电系统。
背景技术
相较于传统的有线供电方式，无线供电方式可以有效避免因供电导线暴露损坏而引发的安全问题，其供电更加安全可靠。目前无线供电方式已被采用为电动汽车和车内用电设备供电。在众多车内用电设备中，座椅电机安装于座椅内部，可以实现电动座椅的多方向、多角度调节。目前市场上的车用座椅电机均采用有线供电方式，但在座椅调节的过程中，这种方式会使得供电线被反复拉伸弯折，一方面在设计时需要为此预留一定长度的供电线；另一方面长期地拉伸弯折会导致供电导线的暴露和损坏，直接影响座椅电机系统的使用寿命。对车用座椅电机采用无线供电方式可以很好地解决上述问题，同时也增加了车内环境的美观。
国内外各研究机构针对座椅电机的无线供电耦合机构进行了许多研究，2014年卡内基梅隆大学针对汽车座椅电机的无线供电提出了一种带中继线圈的单线圈发射、双线圈接收的磁耦合机构，解决了平板式磁耦合机构耦合强度低的问题，但也带来了漏磁严重且结构复杂的问题。韩国电子通信研究院在2017年将一种平板式的单线圈发射、三线圈接收的磁耦合机构应用于汽车座椅电机的无线供电，该系统结构简单且能在没有单独的控制装置的情况下在移动环境中保持供电电压的稳定，但存在着整体效率低的问题。
综上所述，现有的相关研究采用的均是平板式的耦合机构。平板式的耦合机构因较大的空气间隙，普遍有漏磁大且耦合强度低的问题，因此本发明所提出的嵌入式磁耦合机构旨在解决上述问题：通过利用磁芯代替部分空气间隙来传导磁通，从而显著降低了漏磁、提升了耦合强度，并从根本上解决了上述由于供电导线损坏带来的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决汽车座椅电机有线供电方式的导线折损和已有无线供电方式低效且漏磁大的问题，提出了一种应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式磁耦合机构及其供电系统。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式磁耦合机构，所述磁耦合机构包括供电装置和电能接收装置，其中供电装置包括发射导轨和包围磁芯，电能接收装置包括T型磁芯和接收线圈；所述磁耦合机构为由内到外依次同中心包围设置，即中心为T型磁芯，接收线圈包围缠绕在T型磁芯上，发射导轨与电能接收装置同中心放置在外围，最终由包围磁芯完成对三个结构的包围。
进一步地，供电装置安装在汽车座椅与汽车底盘之间，即与汽车车体一体化安装，汽车电池通过逆变电路和原边补偿电路连接到磁耦合机构原边，即供电装置中的发射导轨；发射导轨以螺旋的方式单层或多层成矩形缠绕，在缠绕过程中保证发射导轨不接触到T形磁芯和包围磁芯，即二者的绝缘。
进一步地，包围磁芯为类直四棱柱盒子的形状，并对其内外四条棱进行倒角处理，包围磁芯并未完成对发射导轨全包围，而是在Y轴正负方向留出了两个窗口，包围磁芯在Z轴正方向留出了一长条形的空隙缺口，其宽度略大于T型磁芯的尺寸，便于其在座椅调节过程中的移动。
进一步地，电能接收装置安装在汽车座椅底部，即与汽车座椅一体化安装，在安装过程中要保证电能接收装置嵌入到供电装置中，即电能接收装置整体嵌入到包围磁芯Z轴正方向的长空隙中，磁耦合机构副边，即电能接收装置中的接收线圈，通过整流电路和驱动电路连接到座椅电机负载。
进一步地，所述T型磁芯为类螺丝钉的形状，其螺帽为矩形；接收线圈以螺旋的方式单层或多层缠绕在T形磁芯上，缠绕过程中要保证T形磁芯和接收线圈的绝缘，T形磁芯与接收线圈一同作为磁耦合机构中的移动部分。
进一步地，当汽车座椅发生前后调节移动时，T形磁芯和接收线圈组成的电能接收装置会随汽车座椅沿着Y轴正或负方向进行单自由度的移动，发射导轨和包围磁芯组成的供电装置固定于汽车座椅和汽车底盘之间不动，在移动过程中电能接收装置和供电装置之间的距离近似不变。
本发明提出一种座椅电机无线供电系统，所述系统包括所述的嵌入式磁耦合机构，所述系统以汽车内电池为直流电源，输入的直流电经过逆变电路变换为高频交流电，高频交流电经原边补偿电路通入磁耦合机构的发射导轨中，由麦克斯韦方程组可知交变的电流可以激发交变的磁场，由此产生的磁通大部分通过由包围磁芯和T形磁芯组成的磁路流通到T形磁芯上从而被接收线圈接收完成耦合，少部分磁通从T形磁芯和包围磁芯间的间隙被泄露掉，交变的磁场在接收线圈中感应出正弦的交流电流，完成电能从磁耦合机构原边到副边的无线传输，接收线圈中感应出的交流电经副边补偿电路通入整流电路，由此交流电变换为直流电，并经过后续的驱动电路向座椅电机供电。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式磁耦合机构及其供电系统，所述磁耦合机构通过利用磁芯代替部分空气间隙来传导磁通，从而显著降低了漏磁、提升了耦合强度，并从根本上解决了由于供电导线损坏带来的问题。
附图说明
图1为本发明所述的磁耦合机构结构图，其中，(a)为整体结构图，(b)为结构分解图，(c)为正视图，(d)为侧视图，(e)为俯视图。
图2为座椅电机无线供电系统框图。
图3为磁耦合机构磁路示意图。
图4为磁耦合机构实例示意图。
图5为不同耦合机构对耦合强度影响对比结果图。
图6为不同耦合机构上方10cm处磁密云图对比结果图。
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明提出一种应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式磁耦合机构，所述磁耦合机构包括供电装置和电能接收装置，其分解图如图1(b)所示：图中1为T形磁芯、2为接收线圈，3为发射导轨，4为在发射导轨之外的包围磁芯；其中供电装置包括发射导轨和包围磁芯，电能接收装置包括T型磁芯和接收线圈；所述磁耦合机构为由内到外依次同中心包围设置，即中心为T型磁芯，接收线圈包围缠绕在T型磁芯上，发射导轨与电能接收装置同中心放置在外围，最终由包围磁芯完成对三个结构的包围，如图1(a)所示。
供电装置安装在汽车座椅与汽车底盘之间，即与汽车车体一体化安装，如图2所示，汽车电池通过逆变电路和原边补偿电路连接到磁耦合机构原边，即供电装置中的发射导轨；发射导轨以螺旋的方式单层或多层成矩形缠绕，在缠绕过程中保证发射导轨不接触到T形磁芯和包围磁芯，即二者的绝缘。所述的供电装置固定于汽车底盘与汽车座椅之间，包括发射导轨3和包围磁芯4，其中包围磁芯4可以实现对磁通流向的限制；发射导轨3通过支撑固定装置固定在包围磁芯4内，其相对位置如图1(a)所示，电源端的电能也由发射导轨3输入磁耦合机构。
包围磁芯为类直四棱柱盒子的形状，并对其内外四条棱进行倒角处理，目的是缓解磁密饱和现象的同时节省磁芯材料。包围磁芯并未完成对发射导轨全包围，而是在Y轴正负方向留出了两个窗口，便于对设备进行维护和检修；包围磁芯在Z轴正方向留出了一长条形的空隙缺口，如图1(c)所示，其宽度略大于T型磁芯的尺寸，便于其在座椅调节过程中的移动。
电能接收装置安装在汽车座椅底部，即与汽车座椅一体化安装，在安装过程中要保证电能接收装置嵌入到供电装置中，即电能接收装置整体嵌入到图1(b)中包围磁芯Z轴正方向的长空隙中，如图2所示，磁耦合机构副边，即电能接收装置中的接收线圈，通过整流电路和驱动电路连接到座椅电机负载。所述的电能接收装置固定在汽车座椅底部，包括T型磁芯1和接收线圈2，其中T型磁芯1为类螺丝钉的形状，与螺丝钉不同的是其螺帽为矩形。可以实现对磁通的集中限制，使更多磁通耦合到接收线圈2上，并在接收线圈2上感应出电流，以供给后续电路和负载。电能接收装置整体嵌入到供电装置中，但T型磁芯1与包围磁芯4之间存在间隙，如图1(c)所示。接收线圈2以螺旋的方式单层或多层缠绕在T形磁芯1上，缠绕过程中要保证T形磁芯1和接收线圈2的绝缘，T形磁芯1与接收线圈2一同作为耦合机构中的移动部分。其中T形磁芯1和包围磁芯4采用软磁类材料，如铁氧体、非晶合金材料、软磁复合材料等，接收线圈2和发射导轨3采用导电材料，如高频利兹线材料，以缓解趋肤效应和临近效应带来的影响。
由于供电装置与电能接收装置分别与车体和汽车座椅一体化安装，所以在座椅调节过程中不会发生有线供电方式中的导线弯折损坏。
当汽车座椅发生前后调节移动时，T形磁芯和接收线圈组成的电能接收装置会随汽车座椅沿着图1(b)中Y轴正或负方向进行单自由度的移动，发射导轨和包围磁芯组成的供电装置固定于汽车座椅和汽车底盘之间不动，在移动过程中电能接收装置和供电装置之间的距离近似不变，因此在此过程中可以保证磁耦合机构互感的稳定和高效。
T型磁芯、包围磁芯、接收线圈和发射导轨的最优尺寸等可以通过对磁耦合机构磁路模型分析和参数扫描仿真来得到。
在汽车座椅前后调整的过程中，电能接收装置沿着图4中红色箭头方向运动，电能接收装置与供电装置间的空隙基本不变，即其相对位置基本不变，从而保证了供电的可靠稳定。在汽车座椅其他自由度，如靠背的调节过程中，磁耦合机构的电能接收装置静止不动。
本发明提出一种座椅电机无线供电系统，如图2所示，所述系统包括所述的嵌入式磁耦合机构，所述系统以汽车内电池为直流电源，输入的直流电经过逆变电路变换为高频交流电，高频交流电经原边补偿电路通入磁耦合机构的发射导轨中，由麦克斯韦方程组可知交变的电流可以激发交变的磁场，由此产生的磁通大部分通过由包围磁芯和T形磁芯组成的磁路流通到T形磁芯上从而被接收线圈接收完成耦合，少部分磁通从T形磁芯和包围磁芯间的间隙被泄露掉，交变的磁场在接收线圈中感应出正弦的交流电流，完成电能从磁耦合机构原边到副边的无线传输，接收线圈中感应出的交流电经副边补偿电路通入整流电路，由此交流电变换为直流电，并经过后续的驱动电路向座椅电机供电。
下面以汽车座椅前后调整的过程为例，如图2所示，汽车电池引出的直流电通过逆变电路变换为高频交流电，高频交流电通过原边补偿电路通入发射导轨中，由电磁感应定律可知发射导轨中的高频交流电会在磁耦合机构中感应出交变的磁场，此时如图5(c)所示，磁场中大部分磁通被T型磁芯包围磁芯所捕获限制并耦合到副边，在接收线圈上感应出高频交流电，高频交流电再经过副边补偿电路通入整流电路中，在这里高频交流电被变换为直流电供给给驱动电路和电机负载。
按动汽车座椅的调节按钮即是控制驱动电路中的开关器件，完成对电机负载的调速，从而实现对汽车座椅的调节，而在此过程中电能接收装置与座椅一同调节，供电装置则与车体一起相对座椅静止。
下面对磁耦合机构工作原理作具体分析如图3所示。当发射导轨通入蓝色箭头方向高频交流电时，由于磁芯较空气有更高的磁导率，故产生的磁通会集中在T型磁芯和包围磁芯内部。如红色箭头所示，磁通流过的磁路大部分由磁芯组成，这样可以保证产生的磁通大部分流过T型磁芯，并由绕制于其上的接收线圈获取从而给后续电路和负载供电。同样由于ABC三个区域内的空气间隙的存在，使漏磁主要存在于这三个区域内，考虑到包围磁芯对发射导轨进行了全包围设计，这三区域内的部分漏磁也被阻挡到包围磁芯内部，继续在磁路中流动，因此减少了所提出的耦合机构漏磁。
下面对所提出的耦合机构在汽车座椅前后调节过程中的工作情况举例分析，如图4所示T型磁芯和接收线圈安装在汽车座椅上，包围磁芯和发射导轨安装在汽车内底盘上。当汽车座椅向前调节，T型磁芯和接收线圈组成的整体会随着汽车座椅沿着包围磁芯留出的长空隙向红箭头所示方向移动，在这种移动过程中T型磁芯和包围磁芯的间隙可近似认为不变，因此移动过程中能保证耦合机构互感稳定、高效。
在设计所提出耦合机构的过程中，可以考虑对磁芯的厚度等指标进行设计以实现更大的互感和效率。同时可以考虑减少或增加发射导轨和接收线圈的匝数，同时平衡线圈的铜损、补偿电容电感器件的电压应力和用线量三个指标，对磁耦合机构进行优化设计。
目前已有相关研究将有平板式磁芯的耦合机构应用于汽车座椅电机的无线供电，但都存在耦合强度低的问题，考虑到汽车座椅的调节自由度，嵌入式耦合机构是一个更好的选择。有E型磁芯的耦合机构作为嵌入式耦合机构的代表已被广泛应用研究，但这种耦合机构存在漏磁大的问题。为验证所提出耦合机构具有耦合强度高、漏磁少的特点，将本发明提出的耦合机构与平板型磁芯单线圈耦合机构和E型磁芯耦合机构作对比。给定相同的线圈匝数和电流等条件，用E型磁芯替换所提出耦合机构的磁芯，用平板型磁芯单线圈的耦合机构替换所提出的耦合机构，利用Maxwell软件仿真出三种结构的对比结果如图5所示。
图5中颜色越红的部分代表磁密越大，颜色越蓝的部分代表磁密越小。通过在相同磁密标尺下的对比可知，所提出的耦合机构颜色较前两种更红，证明通过发射端通入电流所激发的磁场更多地通过磁芯与接收端耦合，从而获得更高的耦合强度和耦合系数。
本发明所述的应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式耦合机构安装于汽车座椅底部，常规汽车座椅坐垫的厚度在10cm左右，故选取耦合机构上方10cm处平面仿真得到该平面磁密云图来考察耦合机构的漏磁，如图6所示。通过在相同磁密标尺下的对比可知，在选定平面上有E型磁芯的耦合机构的漏磁明显大于平板式磁芯耦合机构和所提出的耦合机构，证明所提出的耦合机构拥有更少的漏磁，同时考虑到座椅骨架和坐垫材料等因素，所提出的耦合机构可以保证车内的电磁安全。

Claims (6)

1.一种应用于汽车座椅电机无线供电的嵌入式磁耦合机构，其特征在于：所述磁耦合机构包括供电装置和电能接收装置，其中供电装置包括发射导轨和包围磁芯，电能接收装置包括T型磁芯和接收线圈；所述磁耦合机构为由内到外依次同中心包围设置，即中心为T型磁芯，接收线圈包围缠绕在T型磁芯上，发射导轨与电能接收装置同中心放置在外围，最终由包围磁芯完成对三个结构的包围；
包围磁芯为类直四棱柱盒子的形状，并对其内外四条棱进行倒角处理，包围磁芯并未完成对发射导轨全包围，而是在Y轴正负方向留出了两个窗口，包围磁芯在Z轴正方向留出了一长条形的空隙缺口，其宽度略大于T型磁芯的尺寸，电能接收装置整体嵌入到包围磁芯Z轴正方向的长空隙中，便于其在座椅调节过程中的移动。
2.根据权利要求1所述的磁耦合机构，其特征在于，供电装置安装在汽车座椅与汽车底盘之间，即与汽车车体一体化安装，汽车电池通过逆变电路和原边补偿电路连接到磁耦合机构原边，即供电装置中的发射导轨；发射导轨以螺旋的方式单层或多层成矩形缠绕，在缠绕过程中保证发射导轨不接触到T形磁芯和包围磁芯，即二者的绝缘。
3.根据权利要求2所述的磁耦合机构，其特征在于，电能接收装置安装在汽车座椅底部，即与汽车座椅一体化安装，在安装过程中要保证电能接收装置嵌入到供电装置中，磁耦合机构副边，即电能接收装置中的接收线圈，通过整流电路和驱动电路连接到座椅电机负载。
4.根据权利要求1所述的磁耦合机构，其特征在于，所述T型磁芯为类螺丝钉的形状，其螺帽为矩形；接收线圈以螺旋的方式单层或多层缠绕在T形磁芯上，缠绕过程中要保证T形磁芯和接收线圈的绝缘，T形磁芯与接收线圈一同作为磁耦合机构中的移动部分。
5.根据权利要求4所述的磁耦合机构，其特征在于，当汽车座椅发生前后调节移动时，T形磁芯和接收线圈组成的电能接收装置会随汽车座椅沿着Y轴正或负方向进行单自由度的移动，发射导轨和包围磁芯组成的供电装置固定于汽车座椅和汽车底盘之间不动，在移动过程中T型磁芯和包围磁芯的间隙近似不变。
6.一种座椅电机无线供电系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1-5任一项所述的嵌入式磁耦合机构，所述系统以汽车内电池为直流电源，输入的直流电经过逆变电路变换为高频交流电，高频交流电经原边补偿电路通入磁耦合机构的发射导轨中，由麦克斯韦方程组可知交变的电流可以激发交变的磁场，由此产生的磁通大部分通过由包围磁芯和T形磁芯组成的磁路流通到T形磁芯上从而被接收线圈接收完成耦合，少部分磁通从T形磁芯和包围磁芯间的间隙被泄露掉，交变的磁场在接收线圈中感应出正弦的交流电流，完成电能从磁耦合机构原边到副边的无线传输，接收线圈中感应出的交流电经副边补偿电路通入整流电路，由此交流电变换为直流电，并经过后续的驱动电路向座椅电机供电。
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无线电能传输系统用磁耦合器的优化设计;刘云锐;中国优秀硕士学位论文全文库;20221231;全文 *

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