CN115313676B - 一种用于动态无线充电的磁耦合机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于动态无线充电的磁耦合机构，包括：发射端和接收端。发射端为连续分段式铺设的长方形螺线管线圈，铺设在道路下方，通入高频交流电后可以产生耦合磁场用于电能传输；接收端上下交叠三层，第一层为接收线圈1，第二层为接收线圈2，第三层为磁芯；所述接收端用于接收发射端传输的电能，其磁芯层位于最上层。整套装置可以在接收端移动至发射线圈线圈交界时降低总的耦合互感波动，保持接收端功率稳定，满足移动式无线充电或者偏移充电下的场景需求。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于动态无线充电的磁耦合机构。
背景技术
目前，电能设备的能量补给多为有线式充电，该充电方式存在与充电桩有线连接灵活性差、充电接口频繁插拔安全性差以及线路老化易触电等问题。无线电能传输技术作为一种新兴起的电能补给技术为电能源技术的发展增加了新的推进力，该技术采用非接触式供电，具有灵活、安全等优点。动态无线充电技术在静态无线充电的基础上，通过将发射线圈铺设在道路下，在接收设备移动过程中进行实时能量补给，从根本上解决了设备装载电池供能所带来的续航里程短和电池成本高两大难题，具有广阔的应用前景。
动态无线充电***根据单个发射线圈供电距离的长短主要分为短分段式和长导轨式，其中短分段式发射线圈尺寸与接收线圈相近，通过在路面连续铺设对设备进行实时供能。目前，短分段式动态无线充电技术尚存在较多的技术瓶颈问题需要解决，特别是在磁耦合机构设计及其优化等诸多理论与技术研究方面仍具有较多函待解决的问题。
磁耦合机构是实现设备无线供电的关键环节，对其结构设计是必要的。目前，短分段式动态无线充电***在移动过程中设备的电能拾取机构相对发射线圈不可避免地产生了偏移，发射线圈跟随设备位置进行实时切换，这都会造成接收端功率波动问题。***的功率波动干扰了用电设备的正常工作，尤其是功率波动较大时会给***器件带来较大的元件应力，威胁***安全。所以设计出能在具有较强抗偏移性能的动态磁耦合机构，当接收端运行至发射线圈交界处时依然能够耦合到较为稳定的互感，是呈待解决的问题。
现有技术1(CN114123535A)“特高压输电线路上在线监测设备用无线电能传输耦合机构”机构主体包括：发射端和接收端；发射端包括串联连接的第一线圈和第二线圈和发射端磁芯，接收端包括接收线圈和接收端磁芯；该发明通过优化发射端的内部结构，提升磁通密度分布的均匀性，从而使得无线电能传输耦合机构的磁芯利用率显著提高，更加适合于远距离大电流的无线电能传输。现有技术文件1的不足之处在于：线圈的抗偏移性能较差，若线圈相对位置发生微小偏移，则***的传输功率和传能效率会急剧下降，故该磁耦合机构只适用于发射与接收线圈相对位置保持固定不变的静态无线充电场景。本发明针对接收线圈在偏移条件下产生互感跌落，进一步导致***传输功率和传输效率发生波动的问题，通过对接收线圈进行分布式改进，使得在接收端发生偏移的条件下依然可以维持耦合互感，实现接收端的功率稳定，适用于接收端持续运动下的动态无线充电场合。
现有技术2(CN112653255A)“一种无线充电耦合机构及无线充电装置”包括发射线圈模块、接收线圈模块和隔离铁氧体；所述发射线圈模块包括多个发射线圈和第一铁氧体衬底，多个发射线圈、隔离铁氧体均设于第一铁氧体衬底上，隔离铁氧体用于将多个发射线圈分隔开；接收线圈模块设于隔离铁氧体上。现有技术文件2的不足之处在于：虽然发射线圈采用多个子线圈以及隔离铁氧体使得磁场不均匀区域减少从而在接收端线圈存在一定偏移的情况下仍然可以获得稳定的耦合互感，但该结构要求接收端线圈面积小于发射线圈的面积，若大于发射线圈面积在发生偏移的条件下仍不能获得稳定的耦合互感。其次，该结构在同样耦合面积下需要缠绕更多线圈以及铺设更多铁氧体，不利于降低成本。本发明接收端线圈面积与发射线圈相同，耦合面积更大，单位线圈的耦合互感值更大。发射线圈采用螺旋绕制，在单位面积下产生同样磁场强度所需的导线材料更少，节省了建设成本。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种发明目的：针对上述现有技术，提出一种用于动态无线充电的磁耦合机构，实现电能设备在移动状态下的接收端功率波动稳定。
本发明采用如下的技术方案。
一种用于动态无线充电的磁耦合机构，包括：发射端和接收端，发射端包括长方形螺线管线圈，接收端包括：接收线圈1，接收线圈2和磁芯，其特征在于，
发射端的长方形螺线管线圈分段式铺设在道路下方，通入高频交流电后产生耦合磁场用于电能传输；
接收端的接收线圈1，接收线圈2和磁芯上下交叠三层，从下往上第一层为接收线圈1，第二层为接收线圈2，第三层为磁芯；
接收端用于接收发射端传输的电能。
优选地，
接收线圈1为正方形结构，线圈绕制方式为平面螺旋式，匝数为N；
接收线圈2为DD型线圈，线圈绕制方式为平面螺旋式，匝数为N。
磁芯为具有空间导磁效应的锰锌铁氧体。
磁芯的平面形状与接收线圈1相同。
接收线圈2包括两个长方形平面螺线线圈，两个长方形平面螺线线圈绕制方式反向，串联连接。
优选地，长方形平面螺线线圈的长宽比为1:2。
磁芯、接收线圈2和接收线圈1的外边缘尺寸相同，接收线圈2与接收线圈1采用并联连接，三层结构紧密贴合。
螺线管线圈，接收线圈1和接收线圈2的导线采用多股利兹线结构，导线外层包裹有聚酰亚胺绝缘皮。
优选地，发射端长方形螺线管线圈宽度与接收端线圈1宽度相等，设长方形螺线管线圈的长为l，宽为b，耦合机构的传输距离为z，则耦合机构的设计尺寸与传能距离满足下式：
式中，
b表示长方形螺线管线圈的宽，
l表示长方形螺线管线圈的长，
z表示耦合机构的传输距离。
优选地，发射端第i+1个长方形螺线管线圈绕制方式与第i个长方形螺线管线圈绕制方式反向，线圈参数相同，连接方式为并联，通入电流同相，在跨越相同空间周期距离l的磁感应强度B满足下式；
Bi+1(x+l)＝-Bi(x) (2)
式中，
B表示磁感应强度，
x表示接收线圈相对于发射线圈的平面偏移量，
i表示第i个长方形螺线管线圈，
Bi(x)表示第i个长方形螺线管线圈的磁感应强度。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
本发明提供一种用于动态无线充电的磁耦合机构，接收端线圈采用三层交叠结构，在设备运行在不同位置时根据磁场特性分别耦合，平稳接收端运行在发射线圈交界处时的互感波动，实现设备移动过程中动态无线充电***接收端的功率稳定。
附图说明
图1是本发明提供的一种用于动态无线充电的磁耦合机构的结构示意图；
图2是本发明的动态无线充电***在设备移动过程中的示意图；
图3是本发明的磁耦合机构发射端线圈绕制方式与电流流向意图；
图4是本发明的磁耦合机构接收线圈1和接收线圈2的绕制方式与电流流向意图示意图；
图5是本发明的磁耦合结构在运行状态下接收端各线圈的耦合互感与总的耦合互感曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
实施例1。
如图1所示，一种用于动态无线充电的磁耦合机构，包括：发射端和接收端。
发射端包括长方形螺线管线圈，接收端包括：接收线圈1，接收线圈2和磁芯，其特征在于，
发射端的长方形螺线管线圈分段式铺设在道路下方，通入高频交流电后产生耦合磁场用于电能传输；
接收端的接收线圈1，接收线圈2和磁芯上下交叠三层，从下往上第一层为接收线圈1，第二层为接收线圈2，第三层为磁芯；接收端用于接收发射端传输的电能。
本实施例优选地，接收线圈1为正方形结构，线圈绕制方式为平面螺旋式，匝数为N；接收线圈2为DD型线圈，线圈绕制方式为平面螺旋式，匝数为N。
磁芯为具有空间导磁效应的锰锌铁氧体，磁芯的平面形状与接收线圈1相同。
接收线圈2包括两个长方形平面螺线线圈，两个长方形平面螺线线圈绕制方式反相，串联连接；长方形平面螺线线圈的长宽比为1:2。
磁芯、接收线圈2和接收线圈1的外边缘尺寸相同，接收线圈2与接收线圈1采用并联连接，三层结构紧密贴合。
本实施例优选地，螺线管线圈，接收线圈1和接收线圈2的导线采用多股利兹线结构，导线外层包裹有聚酰亚胺绝缘皮。
如图2所示，发射端长方形螺线管线圈在路面的行进方向连续铺设，发射端长方形螺线管线圈宽度与接收端线圈1宽度相等，设长方形螺线管线圈的长长为l，宽为b，耦合机构的传输距离为z，则耦合机构的设计尺寸与传能距离满足：
式中，
b表示长方形螺线管线圈的宽，
l表示长方形螺线管线圈的长，
z表示耦合机构的传输距离。
式(1)保证分段式耦合机构单元线圈中部产生垂直且较为均匀的磁场。
发射线圈1的绕制方式如图3所示，发射端第i+1个长方形螺线管线圈绕制方式与第i个长方形螺线管线圈绕制方式反向，线圈参数相同，连接方式为并联，通入电流同相，在跨越相同空间周期距离l的磁感应强度B满足式(2)。
Bi+1(x+l)＝-Bi(x) (2)
式中，
B表示磁感应强度，
x表示接收线圈相对于发射线圈的平面偏移量，
i表示第i个长方形螺线管线圈，
Bi(x)表示第i个长方形螺线管线圈的磁感应强度。
式(2)说明相邻发射线圈产生的z轴方向的磁场反向，对于正方形的接收线圈1而言，相邻发射线圈与其耦合互感的符号相反。
发射线圈2的绕制方式如图4所示，其结构为DD结构，两个子线圈串联且绕向相反，为双极性线圈结构。
本发明的耦合机构耦合原理如下：
发射端单元线圈看作为单极性线圈，其上方产生的磁场主要为垂直方向单一的磁场，在上方时接收线圈2与其的互感几乎为0，主要接收端中的方形接收线圈1起耦合作用，在发射线圈上方时，接收端耦合机构的移动几乎不会造成两者互感的波动。磁耦合机构之间的互感值波动主要产生在接收端移动至发射端单元线圈之间的交接处。在接收端运行至发射线圈交界处时，接收端中接收线圈1接收到下一发射线圈反向的耦合磁场，磁通相互抵消，此时互感由峰值将为0；而接收线圈2中两个子线圈绕制方向相反，耦合磁场相反，耦合互感由0提升至峰值，接收线圈2的互感跌落与接收线圈1的互感提升相互抵消，总体互感保持不变。
设发射与接收线圈1和2的匝数N＝8，发射线圈长l＝1.5m，宽b＝0.4m，传能距离为z＝0.2m，接收线圈1和2的耦合互感以及接收端总的耦合互感如图5所示，可以看出接收端总体的互感保持恒定。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提供一种用于动态无线充电的磁耦合机构，接收端线圈采用三层交叠结构，在设备运行在不同位置时根据磁场特性分别耦合，平稳接收端运行在发射线圈交界处时的互感波动，实现设备移动过程中动态无线充电***接收端的功率稳定。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于动态无线充电的磁耦合机构，包括：发射端和接收端，发射端包括长方形螺线管线圈，接收端包括：接收线圈1，接收线圈2和磁芯，其特征在于，
发射端的长方形螺线管线圈分段式铺设在道路下方，通入高频交流电后产生耦合磁场用于电能传输；发射端第i+1个长方形螺线管线圈绕制方式与第i个长方形螺线管线圈绕制方式反向，线圈参数相同，连接方式为并联，通入电流同相；
接收端的接收线圈1，接收线圈2和磁芯上下交叠三层，从下往上第一层为接收线圈1，第二层为接收线圈2，第三层为磁芯；接收线圈1为正方形结构，线圈绕制方式为平面螺旋式，匝数为N；接收线圈2为DD型线圈，线圈绕制方式为平面螺旋式，匝数为N；磁芯的平面形状与接收线圈1相同；接收线圈2包括两个长方形平面螺线线圈，两个长方形平面螺线线圈绕制方式反向，串联连接；长方形平面螺线线圈的长宽比为1:2；磁芯、接收线圈2和接收线圈1的外边缘尺寸相同，接收线圈2与接收线圈1采用并联连接，三层结构紧密贴合；
接收端用于接收发射端传输的电能；
发射端长方形螺线管线圈宽度与接收端线圈宽度相等，则耦合机构的设计尺寸与传能距离满足下式：
式中，
b表示长方形螺线管线圈的宽，
l表示长方形螺线管线圈的长，
z表示耦合机构的传输距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于动态无线充电的磁耦合机构，其特征在于，
磁芯为具有空间导磁效应的锰锌铁氧体。
3.根据权利要求1所述的一种用于动态无线充电的磁耦合机构，其特征在于，
螺线管线圈，接收线圈1和接收线圈2的导线采用多股利兹线结构，导线外层包裹有聚酰亚胺绝缘皮。
4.根据权利要求1所述的一种用于动态无线充电的磁耦合机构，其特征在于，
发射端在跨越相同空间周期距离的磁感应强度满足下式；
式中，
B表示磁感应强度，
x表示接收线圈相对于发射线圈的平面偏移量，
i表示第i个长方形螺线管线圈，
表示第i个长方形螺线管线圈的磁感应强度。
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