CN117275913A - 磁耦合器以及无线充电系统 - Google Patents

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CN117275913A CN202311226168.XA CN202311226168A CN117275913A CN 117275913 A CN117275913 A CN 117275913A CN 202311226168 A CN202311226168 A CN 202311226168A CN 117275913 A CN117275913 A CN 117275913A
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coil
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林智声
杨梓枫
任耀华
黄濠华
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Abstract

本申请提供了一种磁耦合器以及无线充电系统，其中，该磁耦合器包括：第一发射线圈、第二发射线圈、利兹线以及接收线圈；第一发射线圈和第二发射线圈同轴设置；利兹线缠绕在第一发射线圈以及第二发射线圈上且连接第一发射线圈和第二发射线圈；在磁耦合器工作时，接收线圈位于第一发射线圈和第二发射线圈所形成的磁场内。能够将第一发射线圈与第二发射线圈串联起来，保证磁耦合器在轴向上实现抗偏移，从而降低偏移对磁耦合器耦合性能的影响，并使得第一发射线圈和第二发射线圈在工作时通过迭加的方式形成充电区域，将磁耦合器的接收线圈放置在第一发射线圈和第二发射线圈形成的充电区域中，能够保证磁耦合器的耦合能力。

Description

磁耦合器以及无线充电系统
技术领域
本申请涉及无线充电技术领域，具体而言，涉及一种磁耦合器以及无线充电系统。
背景技术
在水下航行器领域，研发具有充电功能的能够避免对水下航行器定期打捞进行充电。无线充电技术由于其方便且具备一定的传输效率的特点，广泛应用于水下坞站的充电系统中。在水下航行器和水下坞站的无线充电系统中，由于磁耦合器产生的感应链路影响着无线充电的充电功率和充电效率，因此，如何设计磁耦合器以保证无线充电的功率和效率是需要解决的问题。
现有的磁耦合器设计方案一般将磁耦合器的发射线圈和接收线圈分别为圆形线圈或者矩形线圈，在磁耦合器工作时需要将发射线圈和接收线圈进行对准，使得在磁耦合器上电时能够产生感应链路，这种磁耦合器的设计方案能够应用于无线充电系统中，实现水下航行器的充电。
但是，这种磁耦合器的设计方案容易受到水下航行器船体大小和水下自然现象的影响，从而使得磁耦合器产生偏移，降低了无线充电的充电功率和充电效率，从而降低了水下航行器和水下坞站的无线充电系统的可靠性。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种磁耦合器以及无线充电系统，以解决现有技术中磁耦合器的偏移影响无线充电系统可靠性的问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请一实施例提供了一种磁耦合器，所述磁耦合器包括：第一发射线圈、第二发射线圈、利兹线以及接收线圈；
所述第一发射线圈和所述第二发射线圈同轴设置；
所述利兹线缠绕在所述第一发射线圈以及所述第二发射线圈上且连接所述第一发射线圈和所述第二发射线圈；
在所述磁耦合器工作时，所述接收线圈位于所述第一发射线圈和所述第二发射线圈所形成的磁场内，且与所述第一发射线圈和所述第二发射线圈同轴，且所述接收线圈的半径小于所述第一发射线圈的半径，且所述接收线圈的半径小于所述第二发射线圈的半径。
作为一种可能的实现方式，所述第一发射线圈的半径和所述第二发射线圈的半径相同，且所述第一发射线圈的圆心与所述第二发射线圈的圆心的直线距离与所述第一发射线圈的半径或所述第二发射线圈的半径相同。
作为一种可能的实现方式，所述第一发射线圈的内壁以及所述第二发射线圈的内壁上分别设置有导向铁氧体。
作为一种可能的实现方式，所述磁耦合器还包括：圆柱形的固定件；
所述第一发射线圈和所述第二发射线圈沿所述固定件的轴向套设在所述固定件的两端。
第二方面，本申请另一实施例提供了一种无线充电系统，所述无线充电系统包括：发射装置、接收装置以及上述第一方面任一所述的磁耦合器；
所述发射装置的第一输出端与所述磁耦合器的利兹线的一端连接，所述发射装置的第二输出端与所述磁耦合器的利兹线的另一端连接；
所述接收线圈的第一连接端与所述接收装置的第一输入端连接，所述接收线圈的第二连接端与所述接收装置的第二输入端连接。
作为一种可能的实现方式，所述发射装置包括：直流电源、逆变器单元以及谐振单元；
所述直流电源的正极与所述逆变器单元的第一输入端以及第二输入端连接，所述直流电源的负极与所述逆变器单元的第三输入端以及第四输入端连接；
所述逆变器单元的第一输出端和第二输出端与所述谐振单元的输入端连接；
所述谐振单元的第一输出端与所述磁耦合器的利兹线的一端连接，所述谐振单元的第二输出端与所述磁耦合器的利兹线的另一端连接。
作为一种可能的实现方式，所述逆变器单元包括：第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管以及第四场效应管；
所述第一场效应管的漏极以及所述第三场效应管的漏极与所述直流电源的正极连接，所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的源极与所述直流电源的负极连接；
所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极连接，所述第四场效应管的源极与所述直流电源的负极连接；
所述第一场效应管的源极还与所述谐振单元的第一输入端连接；
所述第三场效应管的源极还与所述谐振单元的第二输入端连接。
作为一种可能的实现方式，所述谐振单元包括：电感、第一电容以及第二电容；
所述电感的一端与所述逆变器单元的第一输出端连接，所述电感的另一端与所述第一电容的一端以及所述第二电容的一端连接；
所述第一电容的另一端与所述逆变器单元的第二输出端以及所述磁耦合器的利兹线的一端连接；
所述第二电容的另一端与所述磁耦合器的利兹线的另一端连接。
作为一种可能的实现方式，所述接收装置包括：第三电容以及整流储能单元；
所述第三电容的一端与所述磁耦合器的接收线圈的第一连接端连接，所述第三电容的另一端与所述整流储能单元的第一输入端连接；
所述整流储能单元的第二输入端与所述磁耦合器的接收线圈的第二连接端连接。
作为一种可能的实现方式，所述整流储能单元包括：整流单元、滤波单元以及储能单元；
所述整流单元的第一输入端与所述第三电容的另一端连接，所述整流单元的第二输入端与所述磁耦合器的接收线圈的第二连接端连接；
所述整流单元的第一输出端与所述滤波单元的一端连接，所述整流单元的第二输出端与所述滤波单元的另一端连接；
所述滤波单元的一端还与所述储能单元的正极连接，所述滤波单元的另一端与所述储能单元的负极连接。
本申请的有益效果是：将第一发射线圈和第二发射线圈同轴设置并使用利兹线对第一发射线圈和第二发射线圈以相同方向缠绕，能够将第一发射线圈与第二发射线圈串联起来，保证磁耦合器在轴向上实现抗偏移，从而降低偏移对磁耦合器耦合性能的影响，并使得第一发射线圈和第二发射线圈在工作时通过迭加的方式形成充电区域，将磁耦合器的接收线圈放置在第一发射线圈和第二发射线圈形成的充电区域中，能够保证磁耦合器的耦合能力，实现磁耦合器的有效耦合。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的磁耦合器以及无线充电系统的一种示例性的场景示意图；
图2为本申请实施例提供的磁耦合器工作时的一种结构示意图；
图3为本申请实施例提供的磁耦合器工作时的另一种结构示意图；
图4为本申请实施例提供的磁耦合器的一种分析模型；
图5为本申请实施例提供的磁耦合器工作时的另一种结构示意图；
图6为发射线圈磁场分布示意图；
图7为本申请实施例提供的磁耦合器工作时的另一种结构示意图；
图8为本申请实施例提供的无线充电系统的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的无线充电系统的发射装置的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的无线充电系统的发射装置的结构示意图；
图11为本申请实施例提供的无线充电系统的发射装置的结构示意图；
图12为无线充电系统的等效电路模型；
图13为本申请实施例提供的无线充电系统的接收装置的结构示意图；
图14为本申请实施例提供的无线充电系统的接收装置中整流储能单元的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本申请中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请的一些实施例实现的操作。应该理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
另外，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请实施例中将会用到术语“包括”，用于指出其后所声明的特征的存在，但并不排除增加其它的特征。
现有的磁耦合器中一般将发射线圈和接收线圈设置为圆形线圈或者矩形线圈，在磁耦合器工作时需要将发射线圈和接收线圈进行对准，使得在磁耦合器上电时能够产生感应链路，应用于水下航行器和水下坞站的无线充电系统中，实现水下航行器的充电。但是，这种磁耦合器的设计方案容易受到水下航行器船体大小和水下自然现象的影响，从而使得磁耦合器产生偏移，降低了无线充电的充电功率和充电效率，从而降低了水下航行器和水下坞站的无线充电系统的可靠性。
本申请实施例基于上述问题，提出一种磁耦合器以及无线充电系统，通过对磁耦合器进行参数分析和结构设计，减小由于磁耦合器偏移对磁耦合器充电功率和充电效率的影响，使得本申请提出的磁耦合器能够在偏移情况下提供稳定的耦合系数，从而保证了水下无线充电系统的充电功率和充电效率。
首先对本申请实施例提供的磁耦合器以及无线充电系统的应用场景进行说明。
图1为本申请实施例提供的磁耦合器以及无线充电系统的一种示例性的场景示意图，参照图1所示，该场景中可以涉及水下坞站以及自主水下载具(Autonomous UnderwaterVehicle，简称AUV)。其中，水下坞站的数量可以为多个，可以根据实际应用场景进行选择，自主水下载具的数量也可以为多个，可以根据实际应用场景进行选择。图1中以一个水下坞站和一个自主水下载具为例进行示出。
应当理解，本申请实施例提供的磁耦合器以及无线充电系统用于实现自主水下载具的充电，尤其是使用水下坞站对自主水下载具充电的场景。一般情况下，水下坞站和自主水下载具各自进行工作，当需要对自主水下载具进行充电时，可以将自主水下载具与水下坞站进行接触，可选的，也可以将自主水下载具嵌入水下坞站预设的凹槽中，以使用本申请实施例提供的磁耦合器以及无线充电系统对自主水下载具进行充电。
以下结合多个实施例对本申请实施例提供的磁耦合器以及无线充电系统进行详细说明。
图2为本申请实施例提供的磁耦合器工作时的一种结构示意图，参照图2所示，该磁耦合器200包括：第一发射线圈201、第二发射线圈202、利兹线203以及接收线圈204。
应当理解，磁耦合器200的第一发射线圈201与第二发射线圈202缠绕在上述水下坞站中，磁耦合器200的接收线圈204嵌入上述自主水下载具的内部。
可选的，参照图2所示，第一发射线圈201和第二发射线圈202可以为圆环形线圈，使用利兹线203对第一发射线圈201和第二发射线圈202缠绕，以使得第一发射线圈201与第二发射线圈202在电路角度实现串联连接。同时，接收线圈204可以为圆形线圈，设置在第一发射线圈201与第二发射线圈202之间，用于接收第一发射线圈201与第二发射线圈202产生的磁通量。
其中，第一发射线圈201和第二发射线圈202同轴设置。
可选的，第一发射线圈201和第二发射线圈202为圆环形线圈时，第一发射线圈201和第二发射线圈202的圆心同轴设置，且第一发射线圈201与第二发射线圈202平行设置，实现第一发射线圈201和第二发射线圈202绕轴对称。
在本实施例中，由于磁耦合器工作时难以避免产生偏移，为了避免偏移对磁耦合器耦合性能的影响，从而将磁耦合器的第一发射线圈和第二发射线圈同轴设置，能够保证磁耦合器在轴向上实现抗偏移，从而降低偏移对磁耦合器耦合性能的影响。
其中，利兹线203缠绕在第一发射线圈201以及第二发射线圈202上且连接第一发射线圈201和第二发射线圈202。
可选的，第一发射线圈201和第二发射线圈202为圆环形线圈时，使用利兹线203对第一发射线圈201和第二发射线圈202进行缠绕，以在电路角度使得第一发射线圈201与第二发射线圈202串联连接，在此基础上，利兹线203对第一发射线圈201和第二发射线圈202以相同方向缠绕，以使得磁耦合器200在工作时产生的磁场方向一致。
示例性的，对本申请实施例提供的磁耦合器产生的磁场进行说明。应当理解，基于法拉第定律，电动势ε是由通过圆形线圈的磁通量φ的变化引起的，磁通量φ是由磁场B产生的，可以使用以下公式(1)以及公式(2)进行描述：
其中，A是由线圈包围的面积。由于第一发射线圈和第二发射线圈是串联在一起的，并且以相同方向缠绕，所以两个磁场迭加起来形成一个交流的磁场。在这个交流的磁场下，形成了电感，以使得无线电进行传输。
其中，在磁耦合器工作时，接收线圈204位于第一发射线圈201和第二发射线圈202所形成的磁场内，且与第一发射线圈201和第二发射线圈202同轴，且接收线圈204的半径小于第一发射线圈201的半径，且接收线圈204的半径小于第二发射线圈202的半径。
可选的，上述磁耦合器200工作时，磁场通过第一发射线圈201和第二发射线圈202产生，并涵盖在第一发射线圈201与第二发射线圈202形成的圆柱形区域中，即磁耦合器200的充电区域，同时，将接收线圈204设置在充电区域内，从而在充电区域中实现磁耦合器200的有效耦合和稳定充电。在此基础上，将接收线圈204、第一发射线圈201以及第二发射线圈202同轴设置，且接收线圈204的半径同时小于第一发射线圈201和第二发射线圈202的半径，能够保证接收线圈204接收到更多的磁通量。
在本实施例中，将第一发射线圈和第二发射线圈同轴设置并使用利兹线对第一发射线圈和第二发射线圈以相同方向缠绕，能够将第一发射线圈与第二发射线圈串联起来，保证磁耦合器在轴向上实现抗偏移，从而降低偏移对磁耦合器耦合性能的影响，并使得第一发射线圈和第二发射线圈在工作时通过迭加的方式形成充电区域，将磁耦合器的接收线圈放置在第一发射线圈和第二发射线圈形成的充电区域中，能够保证磁耦合器的耦合能力，实现磁耦合器的有效耦合。
图3为本申请实施例提供的磁耦合器工作时的另一种结构示意图。
作为一种可能的实现方式，在图2的基础上，参照图3所示，第一发射线圈201的半径和第二发射线圈202的半径相同，且第一发射线圈201的圆心与第二发射线圈202的圆心的直线距离与第一发射线圈201的半径或第二发射线圈202的半径相同。
可选的，第一发射线圈201与第二发射线圈202为圆形线圈时，第一发射线圈201与第二发射线圈202为半径相同的圆形线圈，且第一发射线圈201与第二发射线圈202可以为平行且圆心同轴的圆形线圈，在此基础上，第一发射线圈201与第二发射线圈202圆心的直线距离即发射线圈的分离距离与第一发射线圈201的半径或第二发射线圈202的半径相同。
以下对上述实施例中的发射线圈线圈分离距离、第一发射线圈线圈半径、第二发射线圈线圈半径进行说明。
首先，图4为本申请实施例提供的磁耦合器的一种分析模型，参照图3所示，该磁耦合器的第一发射线圈TX1与第二发射线圈TX2可以视为相同的发射线圈，第一发射线圈与第二发射线圈共享相同的参数，在此基础上，X为接收线圈的位置，X＝0意味着此时接收线圈处于第一发射线圈和第二发射线圈的中点，即此时磁耦合器的第一发射线圈与第二发射线圈相对于接收线圈完全对称。X1为接收线圈与第一发射线圈的距离，X2为接收线圈与第二发射线圈的距离，同时，用N表示第一发射线圈和第二发射线圈的匝数，用n表示接收线圈的匝数，另外，该磁耦合器涉及到的其他参数如下表所示：
应当理解，在实际应用中，接收线圈外径rout和第一发射线圈线圈半径、第二发射线圈线圈半径R通常是由自主水下载具和坞站决定，第一发射线圈线圈长度、第二发射线圈线圈长度L通常是由匝数N和利兹线的直径决定。可以得知，磁耦合器的磁场强度和充电区域需要通过第一发射线圈与第二发射线圈相隔距离D来进行调整。在此基础上，对磁耦合器的耦合系数以及第一发射线圈与第二发射线圈相隔距离D进行如下分析：
磁耦合器的耦合系数k可表示为公式(3)：
其中，Lt是第一发射线圈、第二发射线圈的自感，Lr是接收线圈的自感，M是磁耦合器的互感。
第一发射线圈、第二发射线圈的磁场强度可表示为/>其中/>是由第一发射线圈所产生的磁场、/>是由第二发射线圈所产生的磁场。当只考虑X分量时，可表示为:
其中，I为第一发射线圈和第二发射线圈线圈上的电流。
应当理解，由于磁耦合器的互感M与第一发射线圈、第二发射线圈产生的磁场成正比。因此，为了保证充电区域内有一个稳定的磁场，则需要保证由于接收线圈的位置X而引起的磁场强度的变化是最小的，即接收线圈的位置X与磁场强度/>需要满足如下关系：
当接收线圈的位置X与磁场强度满足上述公式(6)时，能够使充电区域内的磁场变化最小，从而使得轴向偏移给磁场带来的影响最小。
基于此，对上述公式(6)进行求解，确定最佳的发射线圈线圈分离距离D约等于第一发射线圈线圈半径、第二发射线圈线圈半径R。即当第一发射线圈与第二发射线圈的距离为第一发射线圈线圈半径、第二发射线圈线圈半径R时，能够使得充电区域中产生一个均匀的磁场，使得本申请实施例提供的磁耦合器的耦合系数k保持恒定。
在本实施例中，通过第一发射线圈线圈、第二发射线圈线圈以及接收线圈的位置的确定，能够使得本申请实施例提供的磁耦合器在偏移情况下降低充电区域中耦合系数的波动，从而使得磁耦合器的充电区域中产生一个均匀稳定的磁场，保证磁耦合器的耦合能力，实现磁耦合器的有效耦合。
以上对本申请实施例提供的发射线圈线圈分离距离、第一发射线圈线圈半径、第二发射线圈线圈半径进行了说明。在上述发射线圈线圈分离距离、第一发射线圈线圈半径、第二发射线圈线圈半径的基础上，以下对磁耦合器的互感M进行确定与说明。
应当理解，在无线功率传输系统中，为了得到高传输效率，通常需要对互感M进行补偿，因此需要对磁耦合器的互感M进行确定，继续参照图3所示，示例性的，将第一发射线圈和第二发射线圈简化为两组空心螺线管，基于此，磁耦合器的互感M可以估计为：
其中，为第一发射线圈TX1与接收线圈的互感，/>为第二发射线圈TX2与接收线圈的互感。Mij可以用下述公式(8)进行计算：
其中，β＝(rin+rout)/2h，γ＝R/h，μ0为真空导磁率，
图5为本申请实施例提供的磁耦合器工作时的另一种结构示意图。
作为一种可能的实现方式，在图2的基础上，参照图5所示，第一发射线圈201的内壁以及第二发射线圈202的内壁上分别设置有导向铁氧体。
应当理解，在第一发射线圈和第二发射线圈进行工作时，需要使用交流电对第一发射线圈和第二发射线圈进行激发，从而在第一发射线圈和第二发射线圈外表面和内表面产生磁场。当接收线圈嵌套在第一发射线圈内部或者第二发射线圈内部时，由于接收线圈的位置影响，磁耦合器的耦合系数k会变大，也就是说，这种情况下的磁耦合器的耦合系数k相比于上述实施例中的磁耦合器的耦合系数k会产生波动。基于此，磁耦合器的磁场强度和充电区域会受到影响。因此，在第一发射线圈和第二发射线圈的内壁设置有导向铁氧体，从而通过第一发射线圈和第二发射线圈内壁上的导向铁氧体对磁场进行削弱，以保证磁耦合器的耦合系数k稳定，从而保证磁耦合器的耦合能力，实现磁耦合器的有效耦合。
示例性的，图6为发射线圈磁场分布示意图，图6中的左图为发射线圈内壁上的没有设置导向铁氧体时的磁场分布，图6中的右图为发射线圈内壁上设置有导向铁氧体的磁场分布。参照图6所示，可以确定，当在发射线圈内壁上加入导向铁氧体时，发射线圈内壁的磁场明显减少。
在本实施例中，通过在第一发射线圈和第二发射线圈的内壁设置导向铁氧体，能够对发射线圈内壁上的磁场进行削弱，以保证磁耦合器的耦合系数k稳定，从而保证磁耦合器的耦合能力，实现磁耦合器的有效耦合。
图7为本申请实施例提供的磁耦合器工作时的另一种结构示意图。
作为一种可能的实现方式，在图2的基础上，参照图7所示，磁耦合器200还包括：圆柱形的固定件205；
第一发射线圈201和第二发射线圈202沿固定件205的轴向套设在固定件205的两端。
可选的，磁耦合器还可以包括圆柱形的固定件205，第一发射线圈201和第二发射线圈202沿固定件205的轴向套设在固定件205的两端，以使得第一发射线圈和第二发射线圈保持同轴，同时固定件205上可以有开口，以供放入接收线圈。
基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种无线充电系统，图8为本申请实施例提供的无线充电系统的结构示意图，在图2的基础上，参照图8所示，该无线充电系统包括：发射装置、接收装置以及上述磁耦合器。
发射装置的第一输出端与磁耦合器的利兹线的一端连接，发射装置的第二输出端与磁耦合器的利兹线的另一端连接。
应当理解，发射装置可以设置在上述水下坞站内，用于对磁耦合器提供电流，以满足磁耦合器的充电需求。
可选的，发射装置的第一输出端与磁耦合器的利兹线的一端电连接，发射装置的第二输出端与磁耦合器的利兹线的另一端电连接，以使得利兹线的两端分别与发射装置进行电连接，以在发射装置的电流激发下，产生磁场使得磁耦合器进行充电。
接收线圈的第一连接端与接收装置的第一输入端连接，接收线圈的第二连接端与接收装置的第二输入端连接。
应当理解，接收装置可以设置在上述自主水下载具内，用于对磁耦合器充电得到的电能进行接收和存储，以满足自主水下载具的应用需求。
可选的，接收线圈上有与接收装置形成回路的第一连接端与第二连接端，接收线圈的第一连接端与接收装置的第一输入端电连接，接收线圈的第二连接端与接收装置的第二输入端电连接，以使得接收线圈的两端分别与接收装置进行连接，对磁耦合器充电得到的电能进行接收和存储，用于后续自主水下载具的供电。
在本实施例中，通过设置发射装置和接收装置，能够对磁耦合器的特性和效能进行验证，能够在实际应用中满足水下无线充电的需求。
以下对发射装置的具体结构进行说明，图9为本申请实施例提供的无线充电系统的发射装置的结构示意图。
作为一种可能的实现方式，在图8的基础上，参照图9所示，发射装置包括：直流电源、逆变器单元以及谐振单元。
应当理解，在发射装置中，直流电源用于为发射装置提供稳定的电源输出，逆变器单元用于将直流电转换为交流电，谐振单元用于对逆变器单元转换得到的交流电进行恒定处理，使得发射装置的输出电流与发射装置的负载无关，满足了磁耦合器无线充电的要求。
直流电源的正极与逆变器单元的第一输入端以及第二输入端连接，直流电源的负极与逆变器单元的第三输入端以及第四输入端连接。
可选的，直流电源的正负极均与逆变器单元进行电连接，直流电源的正极与逆变器单元的第一输入端以及第二输入端电连接，直流电源的负极与逆变器单元的第三输入端以及第四输入端电连接。
逆变器单元的第一输出端和第二输出端与谐振单元的输入端连接。
可选的，逆变器单元与直流电源和谐振单元分别电连接。逆变器单元的第一输入端以及第二输入端与直流电源的正极电连接，逆变器单元的第三输入端以及第四输入端与直流电源的负极电连接，逆变器的第一输出端和第二输出端与谐振单元的输入端连接。
谐振单元的第一输出端与磁耦合器的利兹线的一端连接，谐振单元的第二输出端与磁耦合器的利兹线的另一端连接。
可选的，谐振单元与逆变器单元和磁耦合器的利兹线分别电连接。谐振单元的输入端与逆变器的第一输出端和第二输出端电连接，谐振单元的第一输出端与磁耦合器的利兹线的一端电连接，谐振单元的第二输出端与磁耦合器的利兹线的另一端电连接。
在本实施例中，通过在发射装置中设置直流电源、逆变器单元以及谐振单元，以将发射装置和磁耦合器的第一发射线圈和第二发射线圈连接起来形成一个回路，能够在电流激发下在磁耦合器中产生磁场，进行磁耦合器的充电。
以下对发射装置中逆变器单元的具体结构进行说明，图10为本申请实施例提供的无线充电系统的发射装置的结构示意图。
作为一种可能的实现方式，在图9的基础上，参照图10所示，逆变器单元包括：第一场效应管S1、第二场效应管S2、第三场效应管S3以及第四场效应管S4。
应当理解，通过四个场效应管组成逆变器单元，能够将直流电整流转换为交流电。
第一场效应管S1的漏极以及第三场效应管S3的漏极与直流电源的正极连接，第一场效应管S1的源极与第二场效应管S2的漏极连接，第二场效应管S2的源极与直流电源的负极连接。
第三场效应管S3的源极与第四场效应管S4的漏极连接，第四场效应管S4的源极与直流电源的负极连接。
第一场效应管S1的源极还与谐振单元的第一输入端连接。
第三场效应管S3的源极还与谐振单元的第二输入端连接。
在本实施例中，通过四个场效应管组成单相全桥逆变器单元，对直流电变成交流电的过程分别进行调制，以输入谐振单元。
以下对发射装置中谐振单元的具体结构进行说明，图11为本申请实施例提供的无线充电系统的发射装置的结构示意图。
作为一种可能的实现方式，在图9的基础上，参照图11所示，谐振单元包括：电感Lin、第一电容Cs1以及第二电容Cp1。
应当理解，谐振单元采取LCC-S补偿拓扑结构设计，这就使得发射装置中具备一个恒定的电流源，能够提供了一个与负载无关的电流，以满足电池充电应用的要求。同时，LCC-S补偿拓扑结构中的额外电感为无线充电系统提供了额外的设计自由度，增强了无线充电系统的灵活性。
在此基础上，可以对无线充电系统进行等效，得到无线充电系统的等效电路模型，参照图12，图12为无线充电系统的等效电路模型，其中，T模型用于分析磁耦合器的行为，接收装置侧的参数被指为发射装置侧。由于线圈电阻通常不影响系统的谐振条件，图12中忽略了磁耦合器第一发射线圈、第二发射线圈以及接收线圈的电阻，只关注拓扑结构的谐振条件。图12中的小写符号代表相应信号的基波分量的均方根值。a是磁耦合器的匝数比，计算公式为：a＝(Lt/Lr)0.5。ro是整流后的等效交流负载电阻。磁化电感Lm和漏电抗Lt'、Lr'可以表示为:
Lm＝aM,L′t＝Lt-Lm,L′r＝a2Lr-Lm (8)
在共振频率ωs下，Lin与Cs1的一部分发生共振，并形成一个恒定的电流源(表示为iv-c)：
接收线圈电流是可以与发射线圈线圈电流ip相关的：ip＝iv-c＝is/a。为了在接收线圈侧实现零相位角(ZPA)，a-2Cs2被设计用来补偿Lr'和由公式(9)产生的无功电流。因此，ωs的共振条件可以概括为：
补偿拓扑结构的电流增益可以确定为：
平均输出电流及电压可以表示为：
根据以上推导，Lin，Cp1，Cs1，Cs2可据此计算，可计算为:
电感Lin的一端与逆变器单元的第一输出端连接，电感Lin的另一端与第一电容Cs1的一端以及第二电容Cp1的一端连接。
可选的，电感Lin作为LCC-S补偿拓扑结构中的额外电感为无线充电系统提供了额外的设计自由度，增强了无线充电系统的灵活性，电感Lin的一端与逆变器单元的第一输出端电连接，电感Lin的另一端与第一电容Cs1的一端以及第二电容Cp1的一端电连接。
第一电容Cs1的另一端与逆变器单元的第二输出端以及磁耦合器的利兹线的一端连接。
可选的，第一电容Cs1的另一端与逆变器单元的第二输出端以及磁耦合器的利兹线的一端电连接。
第二电容Cp1的另一端与磁耦合器的利兹线的另一端连接。
可选的，第二电容Cp1的另一端与磁耦合器的利兹线的另一端电连接
以下对接收装置的具体结构进行说明，图13为本申请实施例提供的无线充电系统的接收装置的结构示意图。
作为一种可能的实现方式，在图8的基础上，参照图13所示，接收装置包括：第三电容以及整流储能单元。
可选的，使用第三电容连接整流储能单元和磁耦合器的接收线圈，能够避免了磁耦合器和整流储能单元之间的交叉耦合。
可选的，整流储能单元对磁耦合器接收线圈接收到的电能进行整流存储，以满足后续使用。
第三电容的一端与磁耦合器的接收线圈的第一连接端连接，第三电容的另一端与整流储能单元的第一输入端连接。
可选的，第三电容的一端与磁耦合器的接收线圈的第一连接端电连接，第三电容的另一端与整流储能单元的第一输入端电连接。
整流储能单元的第二输入端与磁耦合器的接收线圈的第二连接端连接。
可选的，整流储能单元的第二输入端与磁耦合器的接收线圈的第二连接端电连接。
以下对接收装置中整流储能单元的具体结构进行说明，图14为本申请实施例提供的无线充电系统的接收装置中整流储能单元的结构示意图。
作为一种可能的实现方式，在图13的基础上，参照图14所示，整流储能单元包括：整流单元、滤波单元以及储能单元。
可选的，整流单元对磁耦合器的接收线圈接收到的电能进行整流，滤波单元对整流单元整流后的电能进行滤波后由储能单元进行存储，以便于后续使用。
整流单元的第一输入端与第三电容的另一端连接，整流单元的第二输入端与磁耦合器的接收线圈的第二连接端连接。
整流单元的第一输出端与滤波单元的一端连接，整流单元的第二输出端与滤波单元的另一端连接。
可选的，整流单元可以是由四个二极管组成的整流单元，整流单元的第一输入端与第三电容的另一端电连接，整流单元的第二输入端与磁耦合器的接收线圈的第二连接端电连接，整流单元的第一输出端与滤波单元的一端电连接，整流单元的第二输出端与滤波单元的另一端电连接。
滤波单元的一端还与储能单元的正极连接，滤波单元的另一端与储能单元的负极连接。
可选的，滤波单元可以是滤波电容，滤波电容的一端还与储能单元的正极电连接，滤波电容的另一端与储能单元的负极电连接。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考方法实施例中的对应过程，本申请中不再赘述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，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，又例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁耦合器，其特征在于，包括：第一发射线圈、第二发射线圈、利兹线以及接收线圈；
所述第一发射线圈和所述第二发射线圈同轴设置；
所述利兹线缠绕在所述第一发射线圈以及所述第二发射线圈上且连接所述第一发射线圈和所述第二发射线圈；
在所述磁耦合器工作时，所述接收线圈位于所述第一发射线圈和所述第二发射线圈所形成的磁场内，且与所述第一发射线圈和所述第二发射线圈同轴，且所述接收线圈的半径小于所述第一发射线圈的半径，且所述接收线圈的半径小于所述第二发射线圈的半径。
2.根据权利要求1所述的磁耦合器，其特征在于，所述第一发射线圈的半径和所述第二发射线圈的半径相同，且所述第一发射线圈的圆心与所述第二发射线圈的圆心的直线距离与所述第一发射线圈的半径或所述第二发射线圈的半径相同。
3.根据权利要求1所述的磁耦合器，其特征在于，所述第一发射线圈的内壁以及所述第二发射线圈的内壁上分别设置有导向铁氧体。
4.根据权利要求1所述的磁耦合器，其特征在于，所述磁耦合器还包括：圆柱形的固定件；
所述第一发射线圈和所述第二发射线圈沿所述固定件的轴向套设在所述固定件的两端。
5.一种无线充电系统，其特征在于，包括：发射装置、接收装置以及权利要求1-4任一项所述的磁耦合器；
所述发射装置的第一输出端与所述磁耦合器的利兹线的一端连接，所述发射装置的第二输出端与所述磁耦合器的利兹线的另一端连接；
所述接收线圈的第一连接端与所述接收装置的第一输入端连接，所述接收线圈的第二连接端与所述接收装置的第二输入端连接。
6.根据权利要求5所述的无线充电系统，其特征在于，所述发射装置包括：直流电源、逆变器单元以及谐振单元；
所述直流电源的正极与所述逆变器单元的第一输入端以及第二输入端连接，所述直流电源的负极与所述逆变器单元的第三输入端以及第四输入端连接；
所述逆变器单元的第一输出端和第二输出端与所述谐振单元的输入端连接；
所述谐振单元的第一输出端与所述磁耦合器的利兹线的一端连接，所述谐振单元的第二输出端与所述磁耦合器的利兹线的另一端连接。
7.根据权利要求6所述的无线充电系统，其特征在于，所述逆变器单元包括：第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管以及第四场效应管；
所述第一场效应管的漏极以及所述第三场效应管的漏极与所述直流电源的正极连接，所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的源极与所述直流电源的负极连接；
所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极连接，所述第四场效应管的源极与所述直流电源的负极连接；
所述第一场效应管的源极还与所述谐振单元的第一输入端连接；
所述第三场效应管的源极还与所述谐振单元的第二输入端连接。
8.根据权利要求6所述的无线充电系统，其特征在于，所述谐振单元包括：电感、第一电容以及第二电容；
所述电感的一端与所述逆变器单元的第一输出端连接，所述电感的另一端与所述第一电容的一端以及所述第二电容的一端连接；
所述第一电容的另一端与所述逆变器单元的第二输出端以及所述磁耦合器的利兹线的一端连接；
所述第二电容的另一端与所述磁耦合器的利兹线的另一端连接。
9.根据权利要求5所述的无线充电系统，其特征在于，所述接收装置包括：第三电容以及整流储能单元；
所述第三电容的一端与所述磁耦合器的接收线圈的第一连接端连接，所述第三电容的另一端与所述整流储能单元的第一输入端连接；
所述整流储能单元的第二输入端与所述磁耦合器的接收线圈的第二连接端连接。
10.根据权利要求9所述的无线充电系统，其特征在于，所述整流储能单元包括：整流单元、滤波单元以及储能单元；
所述整流单元的第一输入端与所述第三电容的另一端连接，所述整流单元的第二输入端与所述磁耦合器的接收线圈的第二连接端连接；
所述整流单元的第一输出端与所述滤波单元的一端连接，所述整流单元的第二输出端与所述滤波单元的另一端连接；
所述滤波单元的一端还与所述储能单元的正极连接，所述滤波单元的另一端与所述储能单元的负极连接。
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