CN112927908A - 非接触供电***车载感应耦合线圈组件及耦合机构 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种非接触供电***车载感应耦合线圈组件，属于感应线圈领域；其包括第一安装板和第二安装板；其中，第二安装板的内表面掏空形成第二安装空间，用于安装感应耦合线圈；第一安装板和第二安装板相对配合安装，形成线圈组件外壳。所述外壳上设有通孔，以允许感应耦合线圈穿出线圈组件内部。

Description

非接触供电***车载感应耦合线圈组件及耦合机构
技术领域
本申请涉及一种非接触供电***车载感应耦合线圈组件，属于感应线圈领域。
背景技术
非接触供电采用电磁感应谐振耦合技术，通过建立的交变电磁场从供电设备向感应耦合的负载设备传递电能，目前已经在各行业有普及和深入研究应用，诸如无线充电、感应加热等设备。现代有轨电车作为一种新型、高效节能的大运量城市公共交通设施，已在国内外很多城市得到了快速发展，其供电型式主要分为全线接触网供电、全线部分接触网供电和全线无接触网供电几种类型，而有轨电车非接触供电***作为一种新型的供电制式也开始受到多个国家的重视和研究；因此，设计出一种合理的车载感应耦合线圈组件是当务之急。
中国实用新型专利CN201219202Y，公开了一种非接触式充电装置，至少包含有：一便携充电器以及一套体，该便携充电器设有电源储存单元、主动线圈以及遮蔽件，该主动线圈与电源储存单元相连接，该遮蔽件设于主动线圈上，其遮蔽件并设有一开口得以使主动线圈暴露，而该套体设有复数片体，而各片体并围设成一容置空间以供容设被充物，且其中一片体内并设有感应线圈，该感应线圈并与该被充物内的电源供应单元连接，其中该感应线圈受到主动线圈的电磁感应而产生感应电流，并将该感应电流传送至电源供应单元，并对其充电，使便携充电器与被充物之间不需接触就可达到充电的效果。
中国实用新型专利CN206617985U公开了一种感应线圈安装结构，所述感应线圈安装结构包括：安装板；多个悬臂，所述多个悬臂设置在所述安装板上；限位筋，所述限位筋设置在所述安装板上，所述多个悬臂与所述限位筋排列为环形；感应线圈，所述感应线圈设置在所述多个悬臂与所述安装板之间以由所述安装板和所述多个悬臂限制所述感应线圈在第一方向上的自由度，且呈环形分布的所述多个悬臂与所述限位筋限制所述感应线圈在垂直于所述第一方向的第二方向上的自由度，其中所述第一方向为所述感应线圈的高度方向。根据本实用新型实施例的感应线圈安装结构，不仅能够牢固固定感应线圈，而且便于感应线圈快速拆装。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触供电***车载感应耦合线圈组件(以下可简称为线圈组件)，可用于有轨电车。该线圈组件结构紧凑、布局合理且安全可靠。
本申请的第一种实施方式提供了一种非接触供电***车载感应耦合线圈组件，其包括第一安装板和第二安装板；其中，
第二安装板的内表面掏空形成第二安装空间，用于安装感应耦合线圈；
第一安装板和第二安装板相对配合安装，形成线圈组件外壳。
所述外壳上设有通孔，以允许感应耦合线圈穿出线圈组件内部。
可选地，第一安装板的内表面掏空形成散热空间，散热空间中设有第一筋板；第一安装板的外表面掏空形成第一安装空间，用于安装磁芯。
可选地，通孔设置在第一安装板上，数量为感应耦合线圈数量的两倍。
可选地，第一安装板和第二安装板均采用FR4环氧板加工而成。
可选地，第二安装空间中设有限位柱和第二筋板；其中，第二筋板将第二安装空间分割为多个用于安装感应耦合线圈的子空间；限位柱在感应耦合线圈的内侧对其进行限位。第二筋板和/或限位柱能够对安装在对应子空间中的感应耦合线圈进行安装定位。
可选地，每个子空间中堆叠安装多层绕制的感应耦合线圈，相邻子空间中的感应耦合线圈之间上下交叉式连接，且相邻子空间的相邻线圈群之间电流流向相同。
可选地，子空间为偶数个，每个子空间中堆叠安装上下两层绕制的感应耦合线圈，相邻子空间中的感应耦合线圈之间上下交叉式连接，从而形成两个感应电源通道。
可选地，所述外壳上设置有散热进风孔和散热出风孔，以对感应耦合线圈进行散热。
可选地，散热进风孔设置在第二安装板的侧面，散热出风孔设置在第二安装板表面，位于感应耦合线圈形成的内部空隙处；散热空间与感应耦合线圈相邻。
本申请的第二种方式提供了一种非接触供电***电磁耦合机构，其包括前文任意技术方案所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件以及供电感应线圈。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请至少一种实施方式提供的线圈组件，既能够通过对内部线圈尺寸和磁芯布局定制化调整配置满足高效的电磁感应耦合系数，又能够通过分层的安装结构设计提供便捷的组装和维护条件，还能够通过整体的结构设计满足有轨电车较恶劣冲击振动工况下的强度要求。
本申请至少一种实施方式针对线圈的尺寸、绕制方式和自感参数需具备可调节的需求，便捷组装和维护的需求，提出一种较优的结构设计方案，结构紧凑、布局合理且安全可靠，具备批量生产条件，更好的节省人力、降低投资成本，并能保证有轨电车非接触供电***的安全长久稳定运行。
通过本申请至少一种实施方式提供的线圈组件设计的有轨电车，具备较高的感应耦合系数、能量传输效率和结构强度，能够实现有轨电车非接触供电***的高效能量传输和稳定运行。
附图说明
图1是第一安装板外表面示意图；
图2是第一安装板内表面示意图；
图3是线圈组件示意图；
图4是第二安装板及相关部件结构示意图；
图中编号：1第一安装板，101第一安装板的内表面，102散热空间，103第一筋板，104第一安装板的外表面，105第一安装空间，106通孔；2第二安装板，201第二安装板的内表面，202第二安装空间，203限位柱，204第二筋板；3感应耦合线圈，4磁芯，5散热进风孔，6散热出风孔。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本申请的技术方案进行详实的阐述，然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于图3和图4所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请的第一种实施方式提供了一种非接触供电***车载感应耦合线圈组件(以下可简称为线圈组件)，其可以用于有轨电车的非接触式供电。
所述线圈组件与地面供电感应线圈共同构成非接触供电***电磁耦合机构(以下可简称为耦合机构)；其中，地面供电感应线圈提供电源，线圈组件通过电磁感应在线圈中形成电流。常规地，由于地面供电感应线圈的尺寸和形状已经固定，所表现的地面供电感应线圈的自感和谐振耦合频率参数已经固定，因此需要线圈组件的感应耦合线圈3的谐振耦合频率参数尽量与地面供电感应线圈保持一致，从而才能使得耦合机构获得较高效的感应耦合系数，从而才能保证较高的能量传输效率(谐振耦合频率参数直接决定于自感参数)。考虑到所述线圈组件批量生产组装过程中不可避免存在的允许误差，可以配置使得所述感应耦合线圈3的自感参数具备可调节功能。
具体地，所述线圈组件包括：第一安装板1和第二安装板2，其中：
如图2所示，第一安装板1的内表面101掏空形成散热空间102，散热空间102中设有第一筋板103；从而一方面可以引导散热风实现较高散热效率，另一方面可以在减重前提下增加第一安装板1的承载强度(因为第一安装板1外表面还可铺设磁芯，承载较重，且第一安装板1设计有单独提升后维护下层线圈的需求)。
如图1和图3所示，第一安装板1的外表面104掏空形成第一安装空间105，第一安装空间105中设有磁芯4。所述磁芯4采用片式铁氧体材料，紧密粘贴固定于第一安装板1的外表面104，既能增加磁导通率，又能约束磁场减少磁场流经有轨电车车底金属部件所产生的涡流损耗，同时磁芯4的不同布局、堆叠方式亦能影响感应耦合线圈3的自感参数，从而影响所述耦合机构的感应耦合系数和能量传输效率。
可选地，所述磁芯4可通过牢固粘贴方式(诸如强力结构胶)铺放于第一安装空间105，布局和堆叠方式可根据感应耦合线圈3的自感参数需求进行定制配置，同时在磁芯4发热较高部位可采取多层堆叠方式降低单位体积下磁芯损耗从而降低所述磁芯4整体热点温度。
所述第一安装板1可采用高强度的FR4环氧板加工而成。通过内外表面均掏空，可以整体减重。
如图4所示，第二安装板2的内表面201掏空形成第二安装空间202，第二安装空间202中设有盘旋绕制的感应耦合线圈3。所述第二安装板2也可采用高强度的FR4环氧板加工而成。
第一安装板的内表面101和第二安装板的内表面201相对配合安装，例如采用螺栓连接起来，形成线圈组件的外壳，如图3所示。
第二安装空间202中还设有限位柱203和第二筋板204，第二筋板204将第二安装空间202分割为多个用于安装感应耦合线圈3的子空间，限位柱204在感应耦合线圈3的内侧对其进行限位；其中，对应的第二筋板204和/或对应的限位柱203能够对安装在其中的感应耦合线圈3进行安装定位，以防止松动。二者为感应耦合线圈3提供尺寸限界约束，其位置可根据实际需求进行加工调整，同时限位柱203和第二筋板204间距离保留感应耦合线圈3可调整的裕量。例如感应耦合线圈3在绕制后，可抵靠限位柱203，或抵靠第二筋板204，或同时抵靠二者。
每个子空间中上下堆叠安装多层绕制的感应耦合线圈，相邻子空间中的感应耦合线圈之间上下交叉式连接，且相邻子空间的相邻线圈群之间电流流向相同。考虑到如果上下堆叠的感应耦合线圈层数太多，会减弱各层的感应效果，常规地设置如图4所示的上下两层感应耦合线圈。
因此，优选地每个子空间中堆叠安装2个绕制的感应耦合线圈3，相邻子空间中的感应耦合线圈3之间交叉式连接，且中间的两个相邻的线圈群之间电流流向相同。
子空间为偶数个，每个子空间中堆叠安装上下两层绕制的感应耦合线圈，相邻子空间中的感应耦合线圈之间上下交叉式连接，从而形成两个感应电源通道。其中，相邻子空间中的相邻线圈群之间的电流方向相同。
以图4所示的双通道交叉式绕制方式为例进行说明。图中具有位于第一子空间2021上部的第一感应耦合线圈301，其具有端点B和端点D；位于第一子空间2021下部的第二感应耦合线圈302，其具有端点A和端点C；位于第二子空间2022上部的第三感应耦合线圈303，其具有端点E和端点G；以及位于第二子空间2022下部的第四感应耦合线圈304，其具有端点F和端点H。以第一感应耦合线圈301和第四感应耦合线圈304连接为例，当将端点D看做第一感应耦合线圈的初始端，则端点B为其末端，则第一感应耦合线圈301为顺时针方向设置，此时，位于中间位置的第一感应耦合线圈301的5个线圈群电流方向均为从右上方到左下方，如图4中箭头方向所示；那么位于中间位置的第二感应耦合线圈302的5个线圈群电流方向，位于中间位置的第三感应耦合线圈303的5个线圈群电流方向，以及位于中间位置的第四感应耦合线圈304的5个线圈群电流方向均与位于中间位置的第一感应耦合线圈301的5个线圈群电流方向相同；从而可以判断，第二感应耦合线圈302的电流方向为顺时针，第三感应耦合线圈303的电流方向为逆时针，第四感应耦合线圈304的电流方向为顺时针。由于第一感应耦合线圈301与第四感应耦合线圈304交叉相连，那么端点B与端点H相连，从而形成最终的端点D为初始端，端点F为终端。由于第二感应耦合线圈302与第三感应耦合线圈303交叉相连，那么端点C与端点E相连，从而形成最终的端点A为初始端，端点G为终端。
通过上述设置可以得到两组电源通道，即第一感应耦合线圈301和第四感应耦合线圈304组成的第一电源通道，以及第二感应耦合线圈302和第三感应耦合线圈303组成的第二电源通道。双通道交叉布局可保证每个通道与地面供电感应线圈之间气隙一致，从而保证感应耦合系数一致性。
所述线圈组件的外壳上还设有通孔106，该通孔106允许感应耦合线圈3穿出线圈组件内部；如图1-3所示，通孔设置在第一安装板1上，各线圈通过其对应的端点穿出线圈组件内部。
所述线圈组件的外壳上还设有散热进风孔5和散热出风孔6，以对感应耦合线圈3进行散热。可选地，如图4所示，散热进风孔5设置在第二安装板2的侧面，散热出风孔6设置在第二安装板2表面，位于感应耦合线圈3形成的内部空隙处；第一安装板1和第二安装板相对安装后，第一安装板1的散热空间102与感应耦合线圈3相邻；从而，当风从侧面的散热进风孔5进入后，对感应耦合线圈进行散热，由于感应耦合线圈的阻挡，其会向上进入散热空间102中，然后更全面地对整个感应耦合线圈散热，最后通过感应耦合线圈中间的内部空隙处的散热出风孔6排出线圈组件内部。通过上述结构可引导散热风实现所述感应耦合线圈3散热功能，可以满足封闭在内部的感应耦合线圈的散热需求，极大地保证了组件整体的内部热量扩散和安全性。
所述第一安装板1、第二安装板2、感应耦合线圈3和磁芯4共同封装为一整体，形成所述线圈组件。所述线圈组件结构紧凑、布局合理且安全可靠，能够承受有轨电车运行过程中较恶劣冲击振动工况下的强度需求。
本申请的第二种实施方式提供了一种非接触供电***电磁耦合机构，该耦合机构包括前文任意技术方案所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件，以及供电感应线圈。对于有轨电车而言，该供电感应线圈一般设置在地面，通过二者之间的电磁感应作用，为线圈组件提供电源。
所述的实施方式仅仅是对本申请的优选实施方式进行描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种非接触供电***车载感应耦合线圈组件，其特征在于，包括第一安装板和第二安装板；其中，
第二安装板的内表面掏空形成第二安装空间，用于安装感应耦合线圈；
第一安装板和第二安装板相对配合安装，形成线圈组件外壳。
所述外壳上设有通孔，以允许感应耦合线圈穿出线圈组件内部。
2.根据权利要求1所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件，其特征在于，第一安装板的内表面掏空形成散热空间，散热空间中设有第一筋板；第一安装板的外表面掏空形成第一安装空间，用于安装磁芯。
3.根据权利要求1或2所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件，其特征在于，第二安装空间中设有限位柱和第二筋板；其中，第二筋板将第二安装空间分割为多个用于安装感应耦合线圈的子空间；限位柱在感应耦合线圈的内侧对其进行限位。
4.根据权利要求3所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件，其特征在于，第二筋板和/或限位柱能够对安装在对应子空间中的感应耦合线圈进行安装定位。
5.根据权利要求3所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件，其特征在于，每个子空间中堆叠安装多层绕制的感应耦合线圈，相邻子空间中的感应耦合线圈之间上下交叉式连接，且相邻子空间的相邻线圈群之间电流流向相同。
6.根据权利要求3所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件，其特征在于，子空间为偶数个，每个子空间中堆叠安装上下两层绕制的感应耦合线圈，相邻子空间中的感应耦合线圈之间上下交叉式连接，从而形成两个感应电源通道。
7.根据权利要求1所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件，其特征在于，所述外壳上设置有散热进风孔和散热出风孔，以对感应耦合线圈进行散热；散热进风孔设置在第二安装板的侧面，散热出风孔设置在第二安装板表面，位于感应耦合线圈形成的内部空隙处；散热空间与感应耦合线圈相邻。
8.根据权利要求3所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件，其特征在于，通孔设置在第一安装板上，数量为感应耦合线圈数量的两倍。
9.根据权利要求3所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件，其特征在于，第一安装板和第二安装板均采用FR4环氧板加工而成。
10.一种非接触供电***电磁耦合机构，其包括权利要求1-9任一项所述的非接触供电***车载感应耦合线圈组件以及供电感应线圈。
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