CN207339426U - 无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

无线电能传输系统，包括无线发射端和无线接收端，所述无线发射端包括发射端线圈；所述无线接收端包括接收端线圈；所述发射端线圈和接收端线圈均为多匝缠绕环形线圈；对于发射端线圈和接收端线圈，最内匝线圈对应的为内切圆半径为线圈内径，最外匝线圈对应的内切圆半径为线圈外径；发射端线圈的线圈外径小于接收端线圈的线圈内径。本实用新型提出了一种在发射线圈和接收线圈非圆心对齐，在圆心方向偏移一定程度的情况下保证系统效率几乎无损的线圈设计方法，保证系统在线圈无法精确对准情况下，系统效率不受影响。

Description

无线电能传输系统

技术领域

本实用新型属于无线充电技术领域，涉及一种无线电能传输系统。

背景技术

近年来，无线充电技术发展迅速，因其非接触、无电线连接、操作方便等特性，备受各厂商关注，各种各样的无线充电产品也相继问世。从整体上看，一个完整的无线充电系统包括两部分：无线电能发射端和无线电能接收端，而发射端和接收端通过磁场来传递能量，两者之间不用电线连接，实现两端电气隔离。

有别于传统的单端式设备，无线充电系统作为一种新型充电设备，拥有两个电气独立的模块组合而成，分别为发射端(TX)和接收端(RX)，并且两端之间没有传统的电气连接，系统通过发射线圈与接收线圈之间电磁感应原理产生磁场，完成能量传输。

由于能量的传递依靠磁场，所以无线充电的系统效率与发射线圈和接收线圈间的磁耦合程度有关，耦合系数越高，线圈间的互感越大，能量传输效率越高。

目前市场上多数的无线充电设备发射线圈和接收线圈的尺寸是相同的，只能在发射线圈和接收线圈圆心对齐的状态下磁耦合程度高，达到效率最大值，但随着两线圈圆心出现偏差，磁耦合程度降低，充电效率大幅下降。由于现有的应用无线充电设备的产品，比如手机或者机器人等在使用时，多数存在对准精度不高，无法保证圆心对齐的问题，这就使得两线圈不能很好的耦合，降低无线充电设备的充电效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有高偏移自由度的无线电能传输系统。

本实用新型的内容为：无线电能传输系统，包括无线发射端和无线接收端，所述无线发射端包括发射端线圈；所述无线接收端包括接收端线圈；所述发射端线圈和接收端线圈均为多匝缠绕环形线圈；对于发射端线圈和接收端线圈，最内匝线圈对应的为内切圆半径为线圈内径，最外匝线圈对应的内切圆半径为线圈外径；发射端线圈的线圈外径小于接收端线圈的线圈内径。

优选为：每匝缠绕线圈均为圆形。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提出了一种在发射线圈和接收线圈非圆心对齐，在圆心方向偏移一定程度的情况下保证系统效率几乎无损的线圈设计方法，保证系统在线圈无法精确对准情况下，系统效率不受影响。在满足无线电能传输系统安装前提的情况下，保证接收端线圈的内径尺寸最大，而发射端线圈的外径尺寸最小，当发射端线圈在接收端线圈内径形成的区域内运动时，均可以保证线圈间互感几乎不变，从而可有效保证无线电能的传输效率。

附图说明

图1为无线电能传输系统结构示意图；

图2为无线发射线圈与无线接收线圈配合结构示意图；

图3为无线发射线圈与无线接收线圈配合状态图；

图4为无线发射线圈与无线接收线圈配合状态图；

图5为无线发射线圈与无线接收线圈配合状态图；

图6为线圈互感示意图。

其中：1-发射端线圈，2-接收端线圈，R1-接收端线圈内径，R2-接收端线圈外径，r1-发射端线圈内径，r2-发射端线圈外径

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本实用新型提供了一种具有高自由度的无线电能传输系统，在无线发射线圈与无线接收线圈距离一定的情况下，保证在接收端线圈内径的范围内平行移动发射端线圈，两个线圈之间的互感值不发生较大的变化。

无线电能传输系统的结构具体参考图1。无线电能传输系统由无线发射端，以及无线接收端两部分组成。其中，无线发射端从电网中取交流电经过顺次串联的整流滤波电路、逆变电路和发射线圈，整流滤波电路的作用是将电网中的工频交流电变为直流电，逆变电路的作用是将直流电变为频率可调的高频交流电，并通过发射线圈产生电磁场。无线接收端包括顺次串联的接收线圈、接收端整流滤波电路、DC/DC变换电路和负载端，其中接收线圈通过磁耦合将发射线圈电磁场中的能量耦合到接收端，经过整流滤波电路变为直流电，在经过DC-DC变换为负载端随需的稳定电压，为负载端供电。无线发射端还包括用来进行信息存储和处理的MCU，以及可接收通信信号的无线通信接收模块。无线接收端还包括可发射通信信号的无线通信发射模块和MCU,此外无线发射端和无线接收端上还包括给MCU和无线通信模块供电辅助供电模块。以上为无线电能传输系统的常见系统结构及工作原理，此处不再赘述。

对于两线圈间的能量传输效率，主要依靠的是线圈间的磁耦合程度，耦合程度越高，代表线圈间能量传输效率越高，而在线圈的形状，绕线材料和匝数等外界条件不变的情况下，线圈的耦合只与线圈间的互感有关。

互感是由一个线圈产生的磁力线穿过另一个线圈导致的，而磁力线是一种环形线(附件中有)，当两个线圈中每一个线圈所产生的磁通量对每一匝而言都相等。并且全部穿过另一个线圈的每一匝，这种情形叫无漏磁，将两个线圈密排并缠在一起就能做到这一点，而随着线圈间距离的增加，有越来越多磁力线会直接逸散到空间中，不经过另一个线圈，线圈间的漏磁会越来越严重，互感急剧下降。

在垂直距离不变的情况下，发射端线圈和接收端线圈之间的互感主要与本发明对发射端线圈1和接收端线圈2的尺寸进行了设计。具体参考图2，发射端线圈1和接收端线圈2均为环形多匝缠绕线圈，每匝线圈对应可为圆形或多边形等，例如可以为正多边形。每一匝缠绕线圈围城的区域均对应一个内切圆，以发射端线圈为例，最内匝发射端线圈对应的内切圆的半径为发射端线圈内径，最外匝发射端线圈对应的线圈半径为发射端线圈外径；接收端线圈内径R1和接收端线圈外径R2的定义与此相同，不再赘述。

作为一种具体的实施方式，发射端线圈和接收端线圈对应的每匝缠绕线圈均为圆形线圈。相应的，对于发射端线圈，最内匝缠绕线圈对应的圆形的半径为发射端线圈内径r1；最外匝缠绕线圈对应的圆形半径为发射端线圈外径r2。接收端线圈内径R1和接收端线圈外径R2的定义与发射端线圈相同，不再赘述。

该无线电能传输系统是一种高偏移自由度的无线电能传输系统，所述的高自由度是指：发射端线圈1和接收端线圈2之间可以有较大的偏移时，只要可以保证发射端线圈1位于接收端线圈2的面积之内，就能够保证较高的耦合能力以及系统效率。

与传统的无线电能传输系统相同的为，系统工作时，发射端线圈1与接收端线圈2相对；但不同的为，发射端线圈1与接收端线圈2线圈的尺寸不再相同，不再需要两个线圈的中心对齐，且在发射端线圈1和接收端线圈2垂直距离一定的情况下，发射端线圈1在接收端线圈2内径的范围内运动时，均可以保证二者有较好的互感效果。

为了更好的说明，以具体的发射端线圈1和接收端线圈2的尺寸进行实验，为例来说明本发明的工作效果。

具体参考图2，发射端线圈1和接收端线圈2均为圆形线圈。发射端线圈内径r1＝16.7mm，发射端线圈外径r2＝40mm，接收端线圈内径R1＝65.5mm，接收端线圈外径R2＝75mm，发射端线圈1和接收端线圈2之间的垂直距离H＝20mm。为了保证试验数据的可靠性，同组线圈在相同的环境下进行实验。实验过程中，保证两个线圈之间的垂直距离H＝20mm不变，在两个线圈平行的方向相对移动线圈，进行多节点互感M的数据测量。

具体参考图3至图5。

图3所示的状态为(记为参考点A)：两个线圈之间中心对齐(即相互对准)的状态，即两个线圈的中心相对位置为0，此时，发射端线圈外径r2与接收端线圈内径R1之间的间距为25.5mm，发射端线圈1发射的磁力线全部穿过接收端线圈2，二者耦合度最高，故互感最大，测量两个线圈之间的互感M约为17.4M/uh。

在图3所示的位置基础上，平行于发射端线圈1移动接收端线圈2(或平行于接收端线圈的方向2移动发射端线圈1)，在二者相对中心偏移5mm(记为参考点B)、10mm(记为参考点C)、15mm(记为参考点D)及20mm(记为参考点E)的情况下，均作为取样点，进行互感M的测量。

图4所示的状态为(记为参考点F)：以图3所示的位置为基准，发射端线圈1和接收端线圈2圆心相对位置移动25mm，即发射端线圈的外径与接收端线圈的内径相切的状态。

图5所示的状态为(记为参考点G)：以图3所示的位置为基准，发射端线圈1和接收端线圈2圆心相对位置移动35mm，即发射端线圈1已超出接收端线圈2内径的范围。

具体参考图6，图6中横坐标表示的为发射端线圈1和接收端线圈2中心之间的相对位移，纵坐标表示的为互感值，参考点A、B、C、D、E、F、G的互感值如图所示。可见，参考点A、B、C、D、E、F所示的位置，两个线圈的圆心间逐渐偏移至两线圈内切时，发射端线圈1一直处于接收端线圈2的范围内，发射端线圈1绝大部分磁力线还是穿过接收端线圈2，耦合程度几乎不受影响，这些点互感的而变化并不大，对应的传输效率也变化不大。而在参考点G(即二者相对平行移动距离超过25mm之后)，二者圆心间偏移超过内切时，发射端线圈1一部分磁力线不穿过接收端线圈2，出现漏磁，线圈互感M急剧下降，对应的传输效率也大幅降低。

依据图6所示的结果，定义在保证线圈传输效率几乎无损的条件下的水平偏移距离为自由度X，则

R1—r2＝自由度X

线圈设计在满足安装尺寸的前提下，将接收端的线圈内径的尺寸最大，发射端的线圈外径尺寸最小，保证自由度X的最大值，实现系统在线圈无法精确对准情况下，系统效率不受影响，具有很高的应用价值。

本专利中线圈形状以圆形为例，因为圆形可做到全方向的最大自由度偏移，如果线圈形状发生改变，此专利结论依然适用。

Claims (2)

1.无线电能传输系统，包括无线发射端和无线接收端，所述无线发射端包括发射端线圈；所述无线接收端包括接收端线圈；其特征在于：所述发射端线圈和接收端线圈均为多匝缠绕环形线圈；对于发射端线圈和接收端线圈，最内匝线圈对应的为内切圆半径为线圈内径，最外匝线圈对应的内切圆半径为线圈外径；发射端线圈的线圈外径小于接收端线圈的线圈内径。

2.如权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于：每匝缠绕线圈均为圆形。