CN111200318A - 无线电能传输装置 - Google Patents

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王珂
吴建新
高涛
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Abstract

本发明涉及一种无线电能传输装置，包括相互耦合的发射线圈和接收线圈，其中，所述的发射线圈为疏绕式结构，且所述的发射线圈中相邻线匝之间间隙不小于1mm，用于提高所述的发射线圈和接收线圈之间的耦合系数。采用该种结构的无线电能传输装置，可以有效地提高发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，从而提高整个无线电能传输***的传输效率，该装置结构简单，易于实现，具有较好的适用性。

Description

无线电能传输装置
技术领域
本发明涉及电能传输领域，尤其涉及无线电能传输技术领域，具体是指一种无线电能传输装置。
背景技术
随着科技的发展，无线电能传输技术越来越广泛的被得到了应用，而耦合线圈的耦合能力对于无线电能传输具有着重要的影响，耦合线圈的设计成为提高无线电能传输效率的一个关键点。现有技术中会采用双线圈串并联的方式来提高线圈耦合能力，这种双线圈式的线圈结构如图1所示，在这种双线圈式的线圈结构中，两个线圈之间会产生磁场造成抵消，产生屏蔽，最终导致发射线圈和接收线圈之间的互感降低，因此，这种双线圈式的线圈结构对于线圈耦合能力的改善效果十分有限。
在现有技术中无线电能传输***中，用来传输能力的耦合线圈，通常被设计为密绕式的圆形或者圆角矩形结构，线圈与隔磁片尺寸比例如图2或图3所示，图2中的是圆形的密绕式线圈结构的实物图，图3中的是圆角矩形的密绕式线圈结构的实物图，这种密绕式线圈中相邻线匝之间几乎不存在的间隙，相邻的线匝之间呈贴合状态。而发射端线圈与接收端线圈的选择一般根据***设计确定的感值从现有的线圈中挑选，所挑选的现有线圈往往是可以满足***基本功能性能需求，但并非是性能最好的线圈，也就是说发射线圈和接收线圈之间的耦合系数较差。
发明内容
本发明的目的是克服至少一个上述现有技术的缺点，提供了一种结构简单、制作方便、适应性强、发射线圈和接收线圈之间具有较好的耦合系数的无线电能传输装置。
为了实现上述目的或者其他目的，本发明的无线电能传输装置如下：
该无线电能传输装置，包括相互耦合的发射线圈和接收线圈，其主要特点是，所述的发射线圈为疏绕式结构，且所述的发射线圈中相邻线匝之间间隙不小于1mm，用于提高所述的发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，所述的接收线圈的尺寸不大于发射线圈的尺寸。
较佳的，所述的发射线圈与所述的接收线圈的尺寸比例为4：1。
较佳的，所述的发射线圈的节距的大小与该发射线圈的圈数成等比例关系。
更佳的，所述的发射线圈的节距的大小大于所述的发射线圈的半径的大小。
较佳的，所述的发射线圈的圈数在6～10圈之间。
较佳的，所述的发射线圈中相邻线匝之间的间隙由外向内逐渐减小，所述的发射线圈为外疏内密的结构。
更佳的，所述的发射线圈的圈数为6圈。
进一步的，所述的发射线圈中最外层的相邻线匝之间的间隙的取值在11mm至15mm之间，每层的间隙向内依次减少1.5mm至2.5mm。
更进一步的，所述的发射线圈中最外层的相邻线匝之间的间隙为13mm，每层的间隙向内依次减小2mm，最内层的相邻线匝之间的间隙为3mm。
采用本发明的无线电能传输装置，将发射线圈设为疏绕式结构，且所述的发射线圈中相邻线匝之间间隙不小于1mm，可以有效地提高发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，从而提高整个无线电能传输***的传输效率。该装置结构简单，易于实现，具有较好的适用性。
附图说明
图1为现有技术中的双线圈串并联结构的耦合线圈的结构示意图。
图2为现有技术中的圆形的密绕式线圈结构的实物图。
图3为现有技术中的圆角矩形的密绕式线圈结构的实物图。
图4为现有技术中的圆角矩形的密绕式线圈结构的示意图。
图5为本发明一实施例中的发射线圈的结构示意图。
图6为采用现有技术中的密绕式结构的发射线圈的磁场强度示意图。
图7为采用现有技术中的双线圈式的发射线圈的磁场强度示意图。
图8为采用本发明一实施例中的无线电能传输装置的磁场强度示意图。
图9为采用现有技术中的密绕式结构的发射线圈的磁力线示意图。
图10为采用现有技术中的双线圈式的发射线圈的磁力线示意图。
图11为采用本发明一实施例中的无线电能传输装置的磁力线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
该无线电能传输装置，包括相互耦合的发射线圈和接收线圈，其中，所述的发射线圈为疏绕式结构，且所述的发射线圈中相邻线匝之间间隙不小于1mm，用于提高所述的发射线圈和接收线圈之间的耦合系数。所述的接收线圈的尺寸不大于发射线圈的尺寸，在该实施例中，所述的发射线圈与所述的接收线圈的尺寸比例为4：1。
所述的发射线圈的节距的大小与该发射线圈的圈数成等比例关系，圈数随着节距的增加而增加。
在该实施例中，所述的发射线圈的节距的大小大于所述的发射线圈的半径的大小，
一般而言，在较大的无线电能传输装置中，可将发射线圈的圈数设定在6～10圈之间，在该实施例中，所述的发射线圈的圈数为6圈。
所述的发射线圈中相邻线匝之间的间隙由外向内逐渐减小，所述的发射线圈为外疏内密的结构；在该实施例中，所述的发射线圈中最外层的相邻线匝之间的间隙为13mm，每层的间隙向内依次减小2mm，最内层的相邻线匝之间的间隙为3mm，在其他实施例中，当发射线圈的圈数不同时，线匝之间的距离也可随之进行调整。(在其他实施例中的线匝间隙的具体取值可在一定范围内波动)。
采用现有技术中的发射线圈，对于接收线圈的摆放有着较高的要求，必须对齐摆正才可以进行有效的充电。而采用本实施例中的无线电能传输装置，由于发射线圈大于接收线圈，且发射线圈除了在***设有利兹线外，在内圈也有利兹线分布，可以使得进行无线电能传输时，除了在保证发射线圈阻抗不变的情况下提高发射线圈和接收线圈之间的耦合系数外，还可以降低充电时对于接收线圈的放置位置的要求，接收线圈放置在发射线圈上的任意位置时，均可以进行有效的充电。
上述实施例中的无线电能传输装置，在不对现有技术中的接收线圈进行改变的情况下，将发射线圈制作成疏绕式结构，通过这样的结构，提高发射线圈与接收线圈之间的耦合系数，从而提高包括本发明中的无线电能传输装置的无线电能传输***的效率，解决了空心线圈本身的漏感现象以及远距离传输时线圈之间的耦合能力迅速下降等问题。
申请人通过大量的实验发现：在无线电能传输***中，用来传输能量的耦合的发射线圈和接收线圈，除了两种线圈的内外径尺寸、工作频率、导磁介质等会影响发射线圈和接收线圈之间的耦合能力外，线圈疏密缠绕的设计也是影响两个线圈的耦合能力的重要影响因素之一。
在不对接收线圈作特殊处理的情况下，不改变制作发射线圈所用的利磁线的长度，分别将发射线圈制作为如图4所示的这种密绕式线圈结构和如图5所示的本发明一实施例中的疏绕式线圈结构。图4中的密绕式结构的发射线圈的节距最大为0.1mm，这种密绕式结构的发射线圈的半径的大小远大于其节距的大小。而图5中的疏绕式结构的发射线圈所用到的利磁线的长度与图4中的密绕式结构的发射线圈的长度相同，但疏绕式结构的发射线圈的节距的大小却大于其半径，且节距按一定的比例依次向内减小。这种疏绕式结构可以有效提高发射线圈和接收线圈之间的耦合系数。
下面结合仿真实验数据证明本发明的无线电能传输装置的有效性。
在仿真过程中，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解。其实有限元分析法就是将电磁场的一些复杂的问题转化为偏微分方程的边值问题，对求解区域进行剖分为有限个单元，这些单元统称为“有限元”，然后对每个有限元建立矩阵方程和给予边值条件，最后将每个有限元的结果联合在一起得到的几何体的方法，具体包括以下步骤：
(1)首先进行条件变分，如下式(1)所示：
Figure BDA0001871165170000041
其中，W表示能量，Az表示矢量磁场，Az0代表单元格，μ表示磁导率，Hz为磁场强度，Jz表示电流密度，S1与S2分别表示第一类边界和第二类边界。
(2)然后进行单元格剖分，单元格剖分使用线性插值函数式(2)表示出每个剖分的单元格内任意一点的磁位：
Figure BDA0001871165170000042
其中，a、b、c为常量，ai、bi、ci、aj、bj、cj、am、bm、cm分别用于表示不同节点的磁位坐标，在式(2)中：
Figure BDA0001871165170000043
Figure BDA0001871165170000044
其中，Xj、Xm、Xi、yi、ym、yj分别表示不同节点的单位矢量的坐标值；Azi、Azj、Azm、(xi,yi)、(xj,yj)、(xm,ym)分别对应节点i、j、m处的磁位矢量与坐标。
Figure BDA0001871165170000051
其中，Ni、Nj、Nm分别为不同节点位置的磁位矢量。
其中，
Az＝Ni(x,y)Azi+Nj(x,y)Azj+Nm(x,y)Azm (6)；
其中，任意一点的磁位的两个磁密值Bx分量可以通过下式得到：
Figure BDA0001871165170000052
(3)接着根据上面的公式进行单元格分析，即对得到所划分的每个单元格进行分析，分别得到三个磁位节点的能量Pi、Pj、Pm的表达式：
Figure BDA0001871165170000053
(4)最后进行单元格综合处理，对所有单元格的求解结果进行合并处理，得到求解***的总能量表达式：
Figure BDA0001871165170000054
选取***能量值为0的特殊时刻进行求解，可得耦合系数k、矢量磁场Az以及总能量p三者的关系如下：
[k]{Az}＝{p} (10)
根据上述公式，可仿真得到磁场强度示意图以及磁力线示意图，其中，图6为采用现有技术中的密绕式结构的发射线圈的磁场强度示意图，图7为采用现有技术中的双线圈式的发射线圈的磁场强度示意图，图8为采用本发明中的无线电能传输装置的磁场强度示意图。图9为采用现有技术中的密绕式结构的发射线圈的磁力线示意图，图10为采用现有技术中的双线圈式的发射线圈的磁力线示意图，图11为采用本发明中的无线电能传输装置的磁力线示意图。从图6、7可以看出在发射线圈和接收线圈之间距离相同的情况下，采用密绕式结构的发射线圈和双线圈式的发射线圈时，发射线圈和接收线圈之间的电场仅仅在两个线圈周围的磁场强度大一些，在发射线圈与接收线圈中间的位置，磁场强度非常弱，甚至没有，这说明了采用密绕式结构的发射线圈或者采用双线圈式的发射线圈时，发射线圈和接收线圈之间的耦合能力很弱。从图8可以看出，在发射线圈和接收线圈之间距离保持不变的情况下，采用本发明的无线电能传输装置时，发射线圈和接收线圈之间的磁场分布均匀，且二者之间的磁场强度明显比采用密绕式发射线圈或双线圈式发射线圈时的磁场强度要强，发射线圈和接收线圈之间的耦合能力较强。
从图9至图11中的磁力线示意图也能看出相同的结论，图11中的磁力线明显强于采用密绕式结构的发射线圈或双线圈式的发射线圈中的磁力线，这也证明了在接收线圈的大小保持不变的情况下，采用本发明的无线电能传输装置中的疏绕式结构的发射线圈时，发射线圈和接收线圈之间的耦合能力强于现有技术中的采用密绕式线圈或双线圈式线圈时两线圈之间的耦合能力。
从下表可以更直观的看出本技术方案和现有技术的之间耦合系数的区别：
Figure BDA0001871165170000061
采用本发明的无线电能传输装置，将发射线圈设为疏绕式结构，可以有效地提高发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，从而提高整个无线电能传输***的传输效率。该装置结构简单，易于实现，具有较好的适用性。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种无线电能传输装置，包括相互耦合的发射线圈和接收线圈，其特征在于，所述的发射线圈为疏绕式结构，且所述的发射线圈中相邻线匝之间间隙不小于1mm，用于提高所述的发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，所述的接收线圈的尺寸不大于发射线圈的尺寸。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述的发射线圈与所述的接收线圈的尺寸比例为4：1。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述的发射线圈的节距的大小与该发射线圈的圈数成等比例关系。
4.根据权利要求3所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述的发射线圈的节距的大小大于所述的发射线圈的半径的大小。
5.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述的发射线圈的圈数在6～10圈之间。
6.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述的发射线圈中相邻线匝之间的间隙由外向内逐渐减小，所述的发射线圈为外疏内密的结构。
7.根据权利要求7所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述的发射线圈的圈数为6圈。
8.根据权利要求8所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述的发射线圈中最外层的相邻线匝之间的间隙的取值在11mm至15mm之间，每层的间隙向内依次减少1.5mm至2.5mm。
9.根据权利要求8所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述的发射线圈中最外层的相邻线匝之间的间隙为13mm，每层的间隙向内依次减少2mm，最内层的相邻线匝之间的间隙为3mm。
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