CN109347215A - 一种用于大功率远距无线传能的ui型电磁线圈结构及传能方法 - Google Patents
一种用于大功率远距无线传能的ui型电磁线圈结构及传能方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109347215A CN109347215A CN201811479577.XA CN201811479577A CN109347215A CN 109347215 A CN109347215 A CN 109347215A CN 201811479577 A CN201811479577 A CN 201811479577A CN 109347215 A CN109347215 A CN 109347215A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- transmitting
- receiving
- magnetic core
- coil
- energy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 86
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 23
- 230000005288 electromagnetic effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 2
- 230000005405 multipole Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
- H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
- H01F27/24—Magnetic cores
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
- H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
- H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
- H01F27/346—Preventing or reducing leakage fields
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
- H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
- H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
- H01F38/14—Inductive couplings
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
本发明涉及一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈结构及传能方法，属于无线传能技术领域。本发明的技术方案是：发射磁芯（1）为U型，发射线圈（2）有两个，分别设置在发射磁芯（1）的两端，发射磁芯（1）与发射线圈（2）组成发射端；接收磁芯（3）为I型，接收线圈（4）绕制在接收磁芯（3）的中部，接收磁芯（3）与接收线圈（4）组成接收端；电源、磁耦合谐振装置、发射端、接收端、接收侧谐振电路、整流装置和负载依次连接。本发明的有益效果是：在≥1m传输距离实现kW级的无线电能高效传输，同时解决原有电磁线圈结构磁场能量太分散、对周围器件电磁影响较大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈结构及传能方法，属于无线传能技术领域。
背景技术
无线能量传输方式有多种方式，电磁感应耦合式、磁谐振耦合式、微波辐射式、光电转换式是目前应用最广的方式。
电磁感应耦合式无线能量传输技术传输功率可达到上百kW，但最大传输距离不超过10mm；微波辐射式无线能量传输技术可以实现大功率远距无线能量传输，但传输效率无法突破10%的瓶颈；光电转换技术可实现超过10m的MW级能量传输，同样其传输效率低于10%，尤其在有障碍物或能见度低的情况下无法进行传输；磁谐振耦合式无线能量传输在30cm以下时，传输效率可达到90%以上，但是传输距离超过30cm后，传输效率急剧下降，如果保证距离增大时的能量传输效率是磁谐振耦合式技术的难点所在。
美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）分别于2011年和2013年提出了无铁氧体和有铁氧体的磁耦合元件，实现了单体 2.5 kW 和单体 3 kW 的能量传输。
美国密歇根大学-迪尔伯恩校区（University of Michigan Dearborn）分别在2014 年和 2015 年设计并制作了单体功率 8 kW 和 5.6 kW 的平板式磁耦合元件，直流到直流传输效率均超过 95%，该实验装置能够实现的功率与频率的乘积值为目前最大。
2017年6月，斯坦福大学Ginzton实验室的Sid Assawaworrarit教授团队，利用非线性奇偶时间对称电路，实现1m范围内的能量稳定传输，接收线圈在1m距离范围内移动过程中，接收侧LED灯亮度基本保持不变。
发明内容
本发明目的是提供一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈结构及传能方法，采用具有UI型磁芯的电磁线圈结构和屏蔽结构，能够将磁场能量集中在发射线圈和接收线圈范围，在≥1m传输距离实现kW级的无线电能高效传输，同时解决原有电磁线圈结构磁场能量太分散、对周围器件电磁影响较大的问题，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈结构，包含电源、磁耦合谐振装置、发射磁芯、发射线圈、接收磁芯、接收线圈、接收侧谐振电路、整流装置和负载，所述发射磁芯为U型，发射线圈有两个，分别设置在发射磁芯的两端，发射磁芯与发射线圈组成发射端；接收磁芯为I型，接收线圈绕制在接收磁芯的中部，接收磁芯与接收线圈组成接收端；电源、磁耦合谐振装置、发射端、接收端、接收侧谐振电路、整流装置和负载依次连接。
所述发射端和接收端为多极结构。
所述发射端和接收端为多相结构。
一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈传能方法，包含以下步骤：①磁耦合谐振装置将电网的AC（交流）输入整流成DC（直流），再将DC逆变为高频AC；②通过LC（电感电容）谐振，在发射线圈周围产生高频变化的强磁场，接收线圈处于这个强磁场中，发射线圈磁通量的高频变化在接收线圈侧，产生一定强度的高频感应AC电动势；③此高频感应AC电动势经过接收侧谐振电路进行增强，然后通过接收侧整流装置，变换成DC给负载充电。
本发明的有益效果是：采用具有UI型磁芯的电磁线圈结构和屏蔽结构，能够将磁场能量集中在发射线圈和接收线圈范围，在≥1m传输距离实现kW级的无线电能高效传输，同时解决原有电磁线圈结构磁场能量太分散、对周围器件电磁影响较大的问题。
附图说明
图1 是本发明具有UI磁芯的无线传能铁芯、线圈结构示意图；
图2是本发明UI磁芯电磁结构1m距离磁场图；
图3是本发明UI磁芯电磁结构1m距离磁芯磁场分布云图（1/4模型）；
图中：发射磁芯1、发射线圈2、接收磁芯3、接收线圈4。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明技术方案作进一步详细的说明。
一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈结构，包含电源、磁耦合谐振装置、发射磁芯1、发射线圈2、接收磁芯3、接收线圈4、接收侧谐振电路、整流装置和负载，所述发射磁芯1为U型，发射线圈2有两个，分别设置在发射磁芯1的两端，发射磁芯1与发射线圈2组成发射端；接收磁芯3为I型，接收线圈4绕制在接收磁芯3的中部，接收磁芯3与接收线圈4组成接收端；电源、磁耦合谐振装置、发射端、接收端、接收侧谐振电路、整流装置和负载依次连接。
所述发射端和接收端为多极结构。
所述发射端和接收端为多相结构。
一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈传能方法，包含以下步骤：①磁耦合谐振装置将电网的AC（交流）输入整流成DC（直流），再将DC逆变为高频AC；②通过LC（电感电容）谐振，在发射线圈周围产生高频变化的强磁场，接收线圈处于这个强磁场中，发射线圈磁通量的高频变化在接收线圈侧，产生一定强度的高频感应AC电动势；③此高频感应AC电动势经过接收侧谐振电路进行增强，然后通过接收侧整流装置，变换成DC给负载充电。
U型发射磁芯1使磁场分布集中在发射线圈2处，减少空间漏磁损耗；I型接收磁芯3使发射线圈2产生的高频磁场更多地在接收线圈4附近分布，从而提升能量传输效率。
在实际应用中，优化发射、接收磁路和线圈结构，选用合适的铁磁材料构建磁路，实现磁场能量在发射线圈和接收线圈的磁极附近更多地集中；同时避免磁芯对漏磁的吸引，最大限度地减少线圈漏磁，提高耦合系数。一是提高接收侧的空载电压，获取更多的磁场能量；二是提高接收侧的短路电流，提高接收侧的带载能力，在同等条件下获得更远的传输距离和更高的传输效率。在功率和距离指标确定的情况下，发射与接收线圈的转换效率是决定最终转换效率的关键。磁芯的存在同时解决了空芯线圈结构磁场能量太分散、对周围器件电磁影响较大的问题。
发射线圈用来发射高频磁场，而接收线圈用来接收高频磁场能量，两者组合构成一体。本发明对单线圈、双D型、DDQ型、双极BP、DLDD型线圈结构进行分析和优化，确定了线圈材质选择、线圈直径设计、线圈匝数设计、线圈结构形式的设计、线圈固定方式的设计、线圈与磁屏蔽的连接与融合以及与用电设备的一体化等内容，最大限度地减小漏磁，提高发射距离，满足无线电能传输的需要。发射和接收可以做成多极结构，即多极发射、多极接收；还可以做成多相结构，即多相发射、多相接收，大幅提高能量密度，减小体积。
本发明所述的试验模型在1m距离实现了小功率无线传能，点亮了接收端的弧光灯负载，谐振频率为82.5kHz。通过进一步优化发射线圈的形状、匝数、位置；接收线圈的宽度、长度、匝数；发射磁芯位置等参数，配合磁路优化，可以进一步提升能量无线传输功率和效率。应用于电动汽车、列车充电，军用传感网络、无人机以及水下无线传能需求。
Claims (4)
1.一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈结构，其特征在于：包含电源、磁耦合谐振装置、发射磁芯（1）、发射线圈（2）、接收磁芯（3）、接收线圈（4）、接收侧谐振电路、整流装置和负载，所述发射磁芯（1）为U型，发射线圈（2）有两个，分别设置在发射磁芯（1）的两端，发射磁芯（1）与发射线圈（2）组成发射端；接收磁芯（3）为I型，接收线圈（4）绕制在接收磁芯（3）的中部，接收磁芯（3）与接收线圈（4）组成接收端；电源、磁耦合谐振装置、发射端、接收端、接收侧谐振电路、整流装置和负载依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈结构，其特征在于：所述发射端和接收端为多极结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈结构，其特征在于：所述发射端和接收端为多相结构。
4.一种用于大功率远距无线传能的UI型电磁线圈传能方法，其特征在于包含以下步骤：①磁耦合谐振装置将电网的AC输入整流成DC，再将DC逆变为高频AC；②通过LC谐振，在发射线圈周围产生高频变化的强磁场，接收线圈处于这个强磁场中，发射线圈磁通量的高频变化在接收线圈侧，产生一定强度的高频感应AC电动势；③此高频感应AC电动势经过接收侧谐振电路进行增强，然后通过接收侧整流装置，变换成DC给负载充电。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811479577.XA CN109347215A (zh) | 2018-12-05 | 2018-12-05 | 一种用于大功率远距无线传能的ui型电磁线圈结构及传能方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811479577.XA CN109347215A (zh) | 2018-12-05 | 2018-12-05 | 一种用于大功率远距无线传能的ui型电磁线圈结构及传能方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109347215A true CN109347215A (zh) | 2019-02-15 |
Family
ID=65319818
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811479577.XA Pending CN109347215A (zh) | 2018-12-05 | 2018-12-05 | 一种用于大功率远距无线传能的ui型电磁线圈结构及传能方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109347215A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110517862A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-11-29 | 浙江省东阳市东磁诚基电子有限公司 | 一种无线充电发射端多线圈结构 |
| CN112977102A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-06-18 | 国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院 | 一种电动汽车动态谐振式磁耦合无线充电*** |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100244580A1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-09-30 | Fujitsu Limited | Wireless power supply apparatus |
| CN102684321A (zh) * | 2012-05-08 | 2012-09-19 | 西安交通大学 | 高液压腔室内外非接触式电能传输***及其传输方法 |
| CN104485759A (zh) * | 2014-12-29 | 2015-04-01 | 哈尔滨工业大学 | 基于nfc的多头灶电磁炉无线供电***及其工作模式控制方法 |
| CN205610356U (zh) * | 2016-02-01 | 2016-09-28 | 北京动力京工科技有限公司 | Ac/ac注入型感应耦合式无线能量传输装置 |
| CN107534310A (zh) * | 2015-04-23 | 2018-01-02 | 庞巴迪无接触运行有限责任公司 | 电路布置结构和运行用于感应电力传输的***的电路布置结构的方法 |
| CN107749675A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-03-02 | 武汉慧驰科技有限公司 | 基于磁谐振耦合的无线电能传输*** |
-
2018
- 2018-12-05 CN CN201811479577.XA patent/CN109347215A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100244580A1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-09-30 | Fujitsu Limited | Wireless power supply apparatus |
| CN102684321A (zh) * | 2012-05-08 | 2012-09-19 | 西安交通大学 | 高液压腔室内外非接触式电能传输***及其传输方法 |
| CN104485759A (zh) * | 2014-12-29 | 2015-04-01 | 哈尔滨工业大学 | 基于nfc的多头灶电磁炉无线供电***及其工作模式控制方法 |
| CN107534310A (zh) * | 2015-04-23 | 2018-01-02 | 庞巴迪无接触运行有限责任公司 | 电路布置结构和运行用于感应电力传输的***的电路布置结构的方法 |
| CN205610356U (zh) * | 2016-02-01 | 2016-09-28 | 北京动力京工科技有限公司 | Ac/ac注入型感应耦合式无线能量传输装置 |
| CN107749675A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-03-02 | 武汉慧驰科技有限公司 | 基于磁谐振耦合的无线电能传输*** |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110517862A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-11-29 | 浙江省东阳市东磁诚基电子有限公司 | 一种无线充电发射端多线圈结构 |
| CN112977102A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-06-18 | 国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院 | 一种电动汽车动态谐振式磁耦合无线充电*** |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108461264B (zh) | 一种偏移容错范围大的无线电能传输松散磁耦合变压器装置及其电路 | |
| CN103259343B (zh) | 利用高频方波中基波能量的磁耦合谐振无线供电装置 | |
| CN103915907B (zh) | 主从自耦合磁共振无线电能传输装置及其操作方法 | |
| CN104993614A (zh) | ***中继线圈的不对称的无线输电***及方法 | |
| CN103545940A (zh) | 非对称在线式无线供电耦合器 | |
| CN204721105U (zh) | ***中继线圈的不对称的无线输电*** | |
| CN201430652Y (zh) | 一种电视机的电源装置及电视机 | |
| CN105720582A (zh) | 一种特定谐波消除无线电能传输***及其设计方法 | |
| CN103928991B (zh) | 基于pcb谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置 | |
| CN203261132U (zh) | 一种利用基波磁耦合谐振的无线供电装置 | |
| CN109347215A (zh) | 一种用于大功率远距无线传能的ui型电磁线圈结构及传能方法 | |
| Zamani et al. | A review of inductive power transfer for electric vehicles | |
| CN204992793U (zh) | 一种用于无线电能传输的装置 | |
| CN108075575A (zh) | 无线传输地铁供电***及其充电方法 | |
| CN206452186U (zh) | 一种可提高无线电能传输效率的*** | |
| CN203562845U (zh) | 非对称在线式无线供电耦合器 | |
| CN202749884U (zh) | 一种多电源输入的无线充电器 | |
| CN109190288A (zh) | 基于谐振式无线电能传输的谐振器仿真***及仿真方法 | |
| CN109755006A (zh) | 一种基于pt对称原理的并联-并联型无铁芯变压器 | |
| CN114123548A (zh) | 立体式发射和接收的无线充电*** | |
| Zhao et al. | Design and optimizations of asymmetric solenoid type magnetic coupler in wireless charging system for electric vehicles | |
| Jiang et al. | Optimization of coils for magnetically coupled resonant wireless power transfer system based on maximum output power | |
| CN109921523B (zh) | 基于ss拓扑的磁谐振无线能量传输*** | |
| CN108270296A (zh) | 一种高压大功率电力电子器件的无线能量传输供能*** | |
| CN203801099U (zh) | 电源电路和微波炉 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190215 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |