CN110011427B - 一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈 - Google Patents
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Abstract
一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，绕制传输线圈采用的传输线其横截面为层状结构：由实心铜质导体、第一绝缘层、铜质导电层、高电导率材料导电层、第二绝缘层复合而成；实心铜质导体构成复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的激励线圈或负载线圈，铜质导电层与高电导率材料导电层共同构成复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的发射线圈或接收线圈，由此，使得激励线圈与发射线圈或负载线圈与接收线圈复合为一体。本发明能够在四线圈磁耦合谐振式无线电能传输***中降低发射线圈、接收线圈在高频条件下由于集肤效应引起的内阻，提高线圈品质因数，实现电能高效率传输，为微型及小型化器件使用四线圈磁耦合谐振式无线电能传输技术提供便捷。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈。
背景技术
随着经济社会的发展，电能在人们生活中扮演的角色越来越重要。传统的电能传输往往借助于庞大的输电网络，由于输电线路基本直接暴露在露天环境下，一方面带来了事故频发以及维护困难等一系列难题，同时也造成建设成本大、人力物力投入高等问题。随着科技的进步，越来越多的用电装置，比如植入式、水下装置等等工作环境特殊的设备对于无线电能传输的需求愈加迫切，基于巨大的商用前景，人们一直致力于无线电能传输的研究。目前，使用最广泛、最具有应用价值的中距离、大功率、高效率无线输电技术是磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）技术。
磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）***主要包括能量发送端和接收端两大模块，核心组成部分是发射线圈、接收线圈与谐振电容。为了实现高效率的能量无线传输，通常接收端与发射端参数相同。当***进行电能传送时，特定频率的高频交流电使发射线圈与谐振电容构成的LC回路谐振，在中等距离条件下会引起接收端LC回路的谐振，从而将电能源源不断高效地传送到接收端。由于谐振电容一般具有很高的品质因数，其高频损耗可以忽略不计，因此在LC谐振回路中影响***整体传输效率的主要因素是发射线圈和接收线圈的性能。
目前，普遍使用的磁耦合谐振式无线电能传输线圈基本由铜质漆包线绕成。***工作时，发射线圈和接收线圈之间通过高频交流电进行电磁耦合。由于铜导线在高频条件下存在集肤效应，使线圈导体有效导电面积大大减小，且高频电阻随频率增加而急剧上升。这不仅增大了线圈内阻，也降低了线圈品质因数，造成***整体传输效率下降；同时线圈中铜质导体集肤深度以外的部分在高频条件下电流密度极低，导电作用也微乎其微，在一定程度上造成了资源的浪费。
同时，磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）***一般均采用四线圈结构，即发送端的激励线圈、发射线圈以及接收端的接收线圈、负载线圈。激励线圈与高频电源相连，发射线圈与谐振电容相连构成LC谐振回路；接收线圈与谐振电容相连构成LC谐振回路，负载线圈与整流电路、负载电路相连。激励线圈与发射线圈之间构成松耦合变压器，通过电磁感应原理进行能量传递；接收线圈与负载线圈之间也构成松耦合变压器并通过电磁感应原理进行能量传递。发射线圈与接收线圈之间通过磁耦合谐振原理进行能量无线传输，这种方式下利用电磁隔离手段有效解决了高频电源、整流电路以及负载电路寄生参数对发射端、接收端LC谐振电路调谐的影响。但是，基于移动终端、植入式设备等小型化器件的应用场景，四线圈结构相较于双线圈结构的磁耦合感应式无线电能传输（MCI-WPT）***由于额外增加了两个线圈，从而对设备空间占用太大，严重限制了磁耦合谐振式无线电力传输技术的使用范围。
发明内容
本发明提供一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，能够在无线电能传输***中降低发射、接收线圈高频条件下的由于集肤效应引起的内阻，提高线圈品质因数，实现电能高效率传输。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，绕制所述传输线圈采用的传输线其横截面为层状结构：由内向外依次由实心铜质导体、第一绝缘层、铜质导电层、高电导率材料导电层、第二绝缘层复合而成；所述实心铜质导体构成所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的激励线圈或负载线圈，所述铜质导电层与高电导率材料导电层共同构成所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的发射线圈或接收线圈，由此，使得激励线圈与发射线圈或负载线圈与接收线圈复合为一体。
本发明能够有效解决：（1）现有的磁耦合谐振式无线电能传输线圈在高频条件下由于集肤效应造成导体有效导电面积大大减小、内阻增高、线圈品质因数下降并且***整体传输效率受频率影响较大等问题；（2）在保证线圈整体性能不受影响的前提下，如何最大限度节约制造线圈所需的铜资源；（3）四线圈结构由于在发射线圈和接收线圈之外，增加了激励线圈和负载线圈，从而对设备空间占用较大，严重制约了磁耦合谐振式无线电力传输技术的使用范围，且不利于设备集成；（4）传统的四线圈磁耦合谐振式无线电能传输***中，发射线圈与激励线圈或接收线圈与负载线圈由于采用分开绕制的方式，导致两两之间存在一定的气隙，增大了漏磁，降低了相互之间的互感及耦合系数，增大了能量传递过程中的损耗等突出问题。
具体如下：
1、本发明中绕制所述复合型线圈所采用的层状结构传输线中，薄的铜质导电层与高电导率材料导电层，在高频条件下依靠高电导率材料石墨烯或银与铜共同进行导电，构造出高效率的发射线圈或接收线圈。由于室温下石墨烯电导率比铜高40%，同时石墨烯作为导体时其允许携带的电流密度比铜高6个数量级，它在室温下具有比已知现有的所有金属更好的导电性，同时银的导电性也远远优于铜，凭借石墨烯及银的优异导电性能使所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈在高频条件下能够降低集肤效应获得更小的内阻，从而取得更高的品质因数，同等传输条件下可以大大降低自身损耗并提升磁耦合谐振式无线电能传输***的传输效率。
所述铜质导电层为特定厚度的薄壁型中空结构，其厚度依据实际所需频段下集肤深度进行选择；所述高电导率材料导电层可以进一步补偿和优化铜质导电层的导电作用，可以保证上述发射、接收线圈与传统实心结构线圈在传输性能相同的前提下，极大节约制造线圈所需铜资源。以100KHz工作频率为例，本发明可节约铜资源64%左右，并且工作频率越高集肤深度越小从而节约效果越好。
如前所述，基于高频条件下导体的集肤效应，将传统的发射线圈或接收线圈改进为特定厚度的薄壁型中空结构，进而将激励线圈或负载线圈设计在中空结构内部，充分利用空间，在不增加线径大小的基础上将发射线圈与激励线圈或接收线圈与负载线圈复合为一体。同等线径下，使所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈构成的四线圈磁耦合谐振式无线电能传输***，比传统四线圈结构节约了近一半的设备空间。在相同设备空间条件下，可使得线圈匝数远远多于传统线圈，可获得更高的电感密度。同等传输条件下，可大大增强发射、接收线圈之间的耦合作用，提高***传输效率，并为微型及小型化器件使用四线圈磁耦合谐振式无线电能传输技术提供了便捷，极大拓展了磁耦合谐振式无线电能传输技术的使用领域。
绕制所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈采用的是多层复合结构的传输线，从而将发射线圈与激励线圈或接收线圈与负载线圈复合为一体，相较于传统四线圈分开绕制的磁耦合谐振式无线电能传输***，能够最大程度上减少发射线圈与激励线圈或接收线圈与负载线圈之间的气隙，使它们相互之间的互感或者耦合系数可以实现最大化，将传输过程中的能量损失降至最低。
附图说明
图1是本发明采用的横截面为圆形的传输线结构示意图；
图2是本发明采用的横截面为矩形的传输线结构示意图；
图3是本发明的传输线圈为螺线管式线圈的结构示意图；
图4是本发明的传输线圈为平面螺旋式线圈的结构示意图；
图5是本发明的传输线圈为等间距平面矩形线圈的结构示意图；
图6是本发明的传输线圈为变间距平面矩形线圈的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行阐述，以使本发明的优点及特征更容易被本领域的技术人员所理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，绕制所述传输线圈的传输线横截面结构是：由内向外依次为实心铜质导体1、第一绝缘层2、铜质导电层3、高电导率材料导电层4、第二绝缘层5；所述第一绝缘层2涂覆于实心铜质导体1外表面，所述铜质导电层3位于第一绝缘层2外表面，所述高电导材料率导电层4涂覆于铜质导电层3外表面，所述第二绝缘层5涂覆于高电导材料率导电层4外表面。由上述传输线绕制成螺线管式、平面螺旋式或平面矩形的复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈。
所述实心铜质导体1构成所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的激励线圈或负载线圈，所述铜质导电层3与高电导率材料导电层4共同构成所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的发射线圈或接收线圈，由此，使得激励线圈与发射线圈或负载线圈与接收线圈复合为一体。
本发明的工作过程：
当***发射端复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的内层激励线圈连接至***发射端高频逆变电源，外层发射线圈与谐振电容相连构成LC谐振回路，同时接收端复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的内层负载线圈连接至***接收端整流电路，外层接收线圈与谐振电容相连构成LC谐振回路。磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）***工作时，发射端的内层激励线圈与外层发射线圈之间通过电磁感应原理进行能量传递，所述发射线圈与接收线圈之间通过磁耦合谐振原理进行能量传递。同时，位于接收端所述复合型线圈的外层接收线圈将接收到的电能通过电磁感应原理传递给内层负载线圈。
磁耦合谐振式无线电能传输***工作时，线圈内部通过高频交流电，由于集肤效应的作用，电流将集中分布于线圈导体表面。所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的发射线圈或接收线圈的导电层由所述铜质导电层与高电导率材料导电层构成，所述铜质导电层为薄壁管状导电层，所述高电导率材料导电层作为铜质导电层导电作用的补偿与优化，而传统磁耦合谐振式无线电能传输线圈高频条件下仅仅依靠导体外层的铜作为导电媒质，因此借助于高电导率材料导电层优异的导电性能，所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的发射线圈或接收线圈能够实现内阻更小、自身损耗更低、品质因数更高的目的。
在四线圈磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）***中，由于激励线圈与负载线圈的品质因数对***传输效率的影响很低，采用上述复合结构后，相同线径大小情况下可以得到一个同轴高品质因数的发射线圈或接收线圈以及一个品质因数略低的激励线圈或负载线圈。由于发射线圈跟激励线圈或接收线圈跟负载线圈采用同轴结构，大大减少了它们之间的气隙，二者之间的互感或者耦合系数可以实现最大化，将传输过程中的能量损失最小化。而且，上述结构使得所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈占用的设备空间远低于传统磁耦合谐振式无线电能传输线圈。
下面通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1，本发明所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈为螺线管式线圈（如图3），绕制线圈所用传输线的横截面为多层状同心圆，如图1所示：包括实心铜质导体1、第一绝缘层2、铜质导电层3、由银制成的高电导率材料导电层4、第二绝缘层5。本实施例中设计的磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）***谐振频率为1MHz，则相应铜质导电层3薄壁厚度为0.065mm。所述实心铜质导体1为线径1.8mm的铜质导线，所述第一绝缘层2涂覆在实心铜质导体1外表面，所述铜质导电层3使用NCVM不导电电镀工艺镀于所述第一绝缘层2外表面，所述由银制成的高电导率材料导电层4采用电镀工艺镀于厚度为0.065mm铜质导电层3表面。所述第二绝缘层5涂覆在由银制成的高电导率材料导电层4外表面。所述第一绝缘层2、第二绝缘层5成分为聚氨酯。本实施例中所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈半径为5cm，相邻每匝之间距离为0.1mm，匝数为10匝，绕制所述传输线圈采用的传输线尺寸大小可根据实际需要选定。
实施例2，本发明所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈为平面螺旋式线圈（如图4），绕制线圈所用传输线的横截面为多层状同心圆，如图1所示：包括实心铜质导体1、第一绝缘层2、铜质导电层3、由银制成的高电导率材料导电层4、第二绝缘层5。本实施例中设计的磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）***谐振频率为1MHz，则相应铜质导电层薄壁厚度为0.065mm。所述实心铜质导体1为线径1.8mm的铜质导线，所述第一绝缘层2涂覆在实心铜质导体1外表面，所述铜质导电层3使用NCVM不导电电镀工艺镀于所述第一绝缘层2外表面，所述由银制成的高电导率材料导电层4采用电镀工艺镀于厚度为0.065mm铜质导电层3表面。所述第二绝缘层5涂覆在由银制成的高电导率材料导电层4外表面。所述第一绝缘层2、第二绝缘层5成分为聚氨酯。本实施例中所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈内半径为5cm，外半径为8cm，相邻每匝之间距离固定为1.33mm，匝数为10匝，绕制所述传输线圈采用的传输线尺寸大小可根据实际需要选定。
实施例3，本发明所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈为平面矩形式线圈（如图5），绕制线圈所用传输线的横截面为多层状同心矩形，如图2所示：包括实心铜质导体1、第一绝缘层2、铜质导电层3、由银制成的高电导率材料导电层4、第二绝缘层5。本实施例中设计的磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）***谐振频率为1MHz，则相应铜质导电层3薄壁厚度为0.065mm。所述实心铜质导体1为长1.8mm宽0.8mm的铜质导体，所述第一绝缘层2涂覆在实心铜质导体1外表面，所述铜质导电层3使用NCVM不导电电镀工艺镀于所述第一绝缘层2外表面，所述由银制成的高电导率材料导电层4采用电镀工艺镀于厚度为0.065mm铜质导电层3表面。所述第二绝缘层5涂覆在由银制成的高电导率材料导电层4外表面。所述第一绝缘层2、第二绝缘层5成分为聚氨酯。本实施例中所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈内半径为5cm，外半径为8cm，相邻每匝之间距离固定为1.11mm，匝数为10匝，绕制所述传输线圈采用的传输线尺寸大小可根据实际需要选定。
实施例4，本发明所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈为平面矩形式线圈（如图6），绕制线圈所用传输线的横截面为多层状同心矩形，如图2所：包括实心铜质导体1、第一绝缘层2、铜质导电层3、由石墨烯制成的高电导率材料导电层4、第二绝缘层5。本实施例中设计的磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）***谐振频率为1MHz，则相应铜质导电层薄壁厚度为0.065mm。所述实心铜质导体为长1.8mm宽0.8mm的铜质导体，所述第一绝缘层2涂覆在实心铜质导体1外表面，所述铜质导电层3使用NCVM不导电电镀工艺镀于所述第一绝缘层2外表面，所述由石墨烯制成的高电导率材料导电层4采用CVD工艺在厚度为0.065mm铜质导电层3外边面生长石墨烯。由石墨烯制成的高电导率材料导电层4为双层或多层石墨烯。所述第二绝缘层5涂覆在由石墨烯制成的高电导率材料导电层4外表面。所述第一绝缘层2、第二绝缘层5成分为聚氨酯。本实施例中所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈内半径为5cm，外半径为8cm，相邻每匝之间距离采用变间距方式，由内向外依次递增，匝数为10匝，绕制所述传输线圈采用的传输线尺寸大小可根据实际需要选定。
上述实施例中，
所述实心铜质导体1横截面为圆形或矩形，矩形导体可以应用于柔性印刷PCB线圈，方便线圈小型化设计。
所述第一绝缘层2和第二绝缘层5为聚醛、聚氨酯、聚酯亚胺、聚酰胺、聚酯亚胺中的任意一种构成，使实心铜质导体1与铜质导电层3产生良好的绝缘，提高和稳定线圈性能。
所述高电导率材料导电层4为双层或多层石墨烯或银中的任意一种构成，可作为铜质导电层3的补偿与优化，进一步提高电导率。或者铜质导电层3与高电导率材料导电层4这两层结构，也可以全部由紫铜、银或者石墨烯中的任意一种构成，形成单一材料结构层。完全由高电导率材料构成传输性能更佳。
所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈绕制时所采用的传输线尺寸大小分别为：圆形横截面传输线直径1.9mm、矩形横截面传输线长为2mm宽为1mm；相邻绕组的匝间距为：螺线管式线圈固定为0.1mm、平面螺旋式固定为1.33mm，平面矩形线圈固定为1.11mm或由内向外依次递增，上述实施例中所有线圈匝数均为10匝。
所述铜质导电层为紫铜构成，紫铜为纯铜，电导率优于黄铜等其他铜合金材料，可以避免使用黄铜等材料造成发射、接收线圈性能降低等问题；铜质导电层横截面形状及第一绝缘层、高电导率材料导电层与第二绝缘层的截面形状均和实心铜质导体1的截面形状适配。
所述铜质导电层，其薄壁（或涂覆）厚度等于实际使用时所需频率下铜的集肤深度，既保证了高频条件下导体的有效导电面积，又可以最大限度节约制造线圈所需的铜资源；确定其厚度的依据如下：
集肤深度为导体外表面电流密度到电流密度降低至外表面电流密度1/e的点之间的距离，其中e为自然底数，用所需***工作频率下铜的集肤深度作为圆形空心铜质导线薄壁厚度，其表达式为：
其中，δ为集肤深度，ω为***工作时的角频率，μ为真空中的磁导率，σ为铜的电导率。
如上所述，我们完全按照了本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关领域的从业者可在本发明的技术思想许可范围内进行不同的变化和实施。
Claims (9)
1.一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，其特征是，绕制所述传输线圈采用的传输线其横截面为层状结构：由内向外依次由实心铜质导体（1）、第一绝缘层（2）、铜质导电层（3）、高电导率材料导电层（4）、第二绝缘层（5）复合而成；所述实心铜质导体（1）构成所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的激励线圈或负载线圈，所述铜质导电层（3）与高电导率材料导电层（4）共同构成所述复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈的发射线圈或接收线圈，由此，使得激励线圈与发射线圈或负载线圈与接收线圈复合为一体。
2.根据权利要求1所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，其特征是，所述实心铜质导体（1）横截面为圆形或矩形。
3.根据权利要求1所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，其特征是，所述第一绝缘层（2）和第二绝缘层（5）均由聚醛、聚氨酯、聚酯亚胺、聚酰胺、聚酯亚胺中的任意一种制成。
4.根据权利要求1所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，其特征是，所述铜质导电层（3）的厚度，等于磁耦合谐振式无线电能传输***使用频率下铜的集肤深度。
5.根据权利要求4所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，其特征是，所述铜质导电层（3）为紫铜构成。
6.根据权利要求1所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，其特征是，所述高电导率材料导电层（4）由双层或多层石墨烯或银构成。
7.根据权利要求1所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，其特征是，所述铜质导电层（3）与高电导率材料导电层（4）这两层结构，全部由紫铜、银或者石墨烯中的任意一种构成，形成单一材料结构层。
8.根据权利要求1所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，其特征是，所述传输线圈相邻绕组间距为固定或逐渐变窄或变宽。
9.根据权利要求1所述的一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈，其特征是，所述传输线圈为螺线管式线圈、平面螺旋式线圈或平面矩形线圈。
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