一種新型無線電能傳輸磁路耦合機構的制作方法

本發明涉及無線電能傳輸技術領域，特別涉及一種新型無線電能傳輸磁路耦合機構。

背景技術：

無線電能傳輸技術是一種借助于空間無形軟介質(如磁場、電場、激光、微波等)，實現完全電氣隔離條件下電能由源設備傳遞至受電設備的全新電能接入模式。該技術從根本上杜絕了傳統“插座+接線器”供電模式帶來的器件磨損、接觸不良、接觸火花等問題，是一種潔凈、安全、靈活的新型供電模式，被美國《技術評論》雜志評選為未來十大科研方向之一。

其中，無線電能傳輸磁路耦合機構作為無線電能傳輸技術與傳統有線電能傳輸形式本質區別的關鍵，其性能的好壞也表征了無線電傳輸系統的優劣，所以對無線電能傳輸磁路耦合機構的研究就變得十分重要。衡量無線電能傳輸磁路耦合機構性能最關鍵的指標就是耦合系數k，它可以考量一個磁路機構的耦合程度，實際中一般在0.01-0.5之間，k值越大表明磁路機構耦合越緊密，磁路耦合機構效率越高。由于無線電能傳輸磁路耦合機構的原邊能量發射墊與副邊能量拾取墊之間為實現非接觸而存在較大空氣間隙，所以副邊能量拾取墊與原邊能量發射墊很難正對，其相對位置難免發生一些偏移，所以具有更寬的偏移容忍范圍的磁路耦合機構才更具實用性。原邊能量發射墊與副邊能量拾取墊可能存在的偏移位置有很多，所以為研究方便一般選取與副邊能量拾取墊共面的兩個互相垂直的水平方向以及繞其中心軸旋轉這三個偏移方向來研究磁路耦合機構的抗偏移特性，通過上述三個偏移方向的疊加即可實現磁路耦合機構任意偏移情況。特別地，更大的耦合系數k就能夠提供更寬的偏移容忍范圍。

關于無線電能傳輸磁路耦合機構的研究很多，但在相關技術中奧克蘭大學提出的dd型磁路耦合機構由于其本身良好特性而被廣泛應用。dd型磁路耦合機構是由“磁管”型磁路耦合機構發展而來，但與后者相較，前者在空氣中僅提供單側磁通路徑，而另一側的磁通路徑經過搭配的鐵氧體條形成閉合路徑，所以在相同間隙情況下具有較大耦合系數。同時，dd型磁路耦合機構在垂直其鐵氧體條方向具有較好的偏移容忍度，而在平行其鐵氧體條方向以及繞機構中心旋轉偏移容忍度較差

技術實現要素：

發明目的：本發明的目的在于提出一種新型無線電能傳輸磁路耦合機構，該機構不但具有更高的耦合系數，而且能夠同時在兩個相互垂直的水平方向以及繞機構中心軸旋轉等三個方向上提供更寬的偏移容忍范圍。

技術方案：為實現上述技術效果，本發明提出以下技術方案：

一種新型無線電能傳輸磁路耦合機構，其特征在于，包括：原邊能量發射墊和副邊能量拾取墊，原邊能量發射墊和副邊能量拾取墊相對設置且相互平行；原邊能量發射墊和副邊能量拾取墊均為雙層結構，其中一層為由利茲線繞制而成的線圈層，另一層為磁芯層；線圈層和磁芯層均為中心對稱結構；其中，線圈層由兩個完全相同矩形線圈正交疊放組成，磁芯層為由8根長度相等的鐵氧體條組成的九宮格形狀的網格層；原邊能量發射墊和副邊能量拾取墊的線圈層相對，且原邊能量發射墊和副邊能量拾取墊相對的一面互為鏡像對稱。

進一步的，所述鐵氧體條的長度與矩形線圈的長相等。

進一步的，所述磁芯層中間的4根鐵氧體條中，任意兩根相互平行的鐵氧體條的位置滿足以下條件：

w＝0.2a

式中，w表示兩根相互平行的鐵氧體條的外邊距；a表示矩形線圈的長。

進一步的，所述矩形線圈的寬度與長度之比為0.7。

有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優勢：

本發明所述的新型無線電能傳輸磁路耦合機構是一種性能優良的磁路耦合結構，與相關技術相比，其具有更高的耦合系數，而且能夠同時在兩個相互垂直的水平方向以及繞機構中心軸旋轉等三個方向上提供更寬的偏移容忍范圍，為無線電能傳輸系統磁路耦合機構選取提供了更多樣化的磁路耦合機構選擇。

附圖說明

圖1是實施例1的結構示意圖；

圖2是實施例1中原邊能量發射墊的繞線方式以及關鍵參數示意圖；

圖3是現有技術中的磁路耦合機構模型圖；

圖4是dd型和實施例1所述十字型路耦合機構在同等條件下對氣隙距離容忍特性的對比圖；

圖5是dd型和實施例1所述十字型路耦合機構在同等條件下對中心旋轉角度容忍特性的對比圖；

圖6是dd型和實施例1所述十字型路耦合機構在同等條件下對水平偏移距離容忍特性的對比圖；

圖7是五種不同方案下的實施例1所述十字型磁路耦合機構鐵氧體磁芯層結構示意圖；

圖8是在200mm氣息距離并且n＝10匝條件下，當a不同而q＝0.5時，實施例1所述十字型磁路耦合機構耦合系數k與c的關系曲線對比圖；

圖9是在200mm氣息距離并且n＝10匝條件下，當q不同而a＝600mm時，實施例1所述十字型磁路耦合機構耦合系數k與c的關系曲線對比圖；

圖10是實施例2中鐵氧體磁芯層結構及參數示意圖；

圖11是實施例2所述十字型路耦合機構在n＝10匝、氣息距離為200mm條件下，當a取不同值時，耦合系數k與q的關系曲線圖；

圖12是實施例2所述十字型路耦合機構在n＝10匝、a＝600mm條件下，當氣息距離取不同值時，耦合系數k與q的關系曲線圖；

圖13是實施例2所述十字型路耦合機構在a＝600mm、氣息距離為200mm條件下，q以0.01為步長從0.5到1變化以及矩形線圈匝數以10為步長從10匝到30匝變化而形成的30種情況的k隨c變化曲線；

圖14是采用圖15所示最優鐵氧鐵磁芯層結構并且在a＝600mm、airgap＝200mm前提下，矩形線圈匝數n分別為10匝、20匝、30匝三種情況下k隨q變化曲線；

圖15是實施例3的結構圖。

圖中：101、第一線圈層，102、第一磁芯層，201、第二線圈層，203、第二磁芯層。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

實施例1：如圖1所示為本發明實施例1的結構圖，包括：原邊能量發射墊和副邊能量拾取墊；其中，原邊能量發射墊包括第一線圈層101和第一磁芯層102，第一線圈層101放置在第一磁芯層102上方；副邊能量拾取墊包括第二線圈層201和第二磁芯層202，第二線圈層202放置在第二磁芯層202下方。

第一線圈101與第二線圈201均由兩個完全相同矩形線圈正交疊放組成。矩形線圈均由利茲線繞制而成。

第一磁芯層102和第二磁芯層202均由8個鐵氧體條縱橫交叉排列組成，第一磁芯層102和第二磁芯層202整體呈中心對稱。

第一/二磁芯層102/202的外邊長與第一/二線圈101/201的長相等。

實施例1中的新型無線電能傳輸磁路耦合機構的原邊能量發射墊與副邊能量拾取墊的結構相同，繞線方式也相同。以原邊能量發射墊為例，其繞線方式及關鍵參數如圖2所示：由第一線圈101與第一磁芯層102組成，整體結構呈中心對稱。第一線圈101又由兩個完全相同的矩形線圈正交疊放組成，所以也稱本發明磁路耦合機構為十字型磁路耦合機構，其繞制方式如圖2中箭頭所示。為方便進一步說明磁路耦合機構的優化構成，將鐵氧體磁芯層的邊長以及矩形線圈的長定義為a，定義矩形線圈的寬為b，匝數為n，磁芯層鐵氧體條采用寬為30mm，厚度為20mm的錳鋅鐵氧體條材料，中間鐵氧體條的外邊距定義為w，同時，定義b與a的比值為q，以及w與a的比值為c。

圖3所示為現有技術中較為常見且性能優良的磁路耦合機構，一般稱為dd型磁路耦合機構，為對比實施例1中十字型磁路耦合機構與dd型磁路耦合機構的性能，制作與圖3所示dd型磁路耦合機構相同尺寸(600*600mm)、相同利茲線線長(65.6m)、相同矩形線圈匝數(10匝)條件下的十字型磁路耦合機構如圖1所示。圖3中，dd型磁路耦合機構使用5760cm³體積的鐵氧體材料，在200mm的空氣間隙下耦合系數為0.21，而十字型磁路耦合機構僅使用5184cm³體積的鐵氧體材料，其耦合系數就在200mm的空氣間隙下達到了0.2439。

圖4至圖6為十字型磁路耦合機構與dd型磁路耦合機構在上述條件下對發生偏移情況容忍度的進一步對比圖，其中，圖4、圖5和圖6分別是兩種磁路耦合機構耦合系數對氣隙距離、中心旋轉角度以及水平偏移距離三個容忍特性的對比圖。

圖4中的曲線(1)和曲線(2)分別是十字型磁路耦合機構和dd型磁路耦合機構的耦合系數k與氣息距離之間的關系曲線，明顯可以看出在100mm到250mm氣息范圍內十字型磁路耦合機構比dd型磁路耦合機構更有優勢。

圖5中曲線(3)、曲線(4)分別是十字型磁路耦合機構和dd型磁路耦合機構在200mm氣息間距下的耦合系數k與中心旋轉偏移角度的關系曲線，由圖可知，dd型磁路耦合機構耦合系數k隨著中心旋轉角度的增大，起伏很大，尤其在0°和180°時k值取到極大值點而在90°與270°時趨近為0，這對整個無線電能傳輸系統的穩定工作帶來了極大的困擾，相較而言，十字型磁路耦合機構在發生中心旋轉偏移時，其耦合系數基本不變且其穩定值大于dd型磁路耦合機構的耦合系數。

圖6中曲線(5)表示十字型磁路耦合機構沿十字或y方向水平偏移下的耦合系數曲線，由于十字型磁路耦合機構呈中心對稱，所以在十字或y方向水平偏移容忍特性相同，圖6中僅有一條曲線(5)表示，而對于dd型磁路耦合機構，其在十字與y方向水平偏移容忍特性不同，所以分別由曲線(6)、(7)表示，從圖中可以得到，dd型磁路耦合機構在十字方向上的偏移容忍特性要比其早在y方向上差，并且在十字方向偏移220mm時出現盲點(k為0的點)，十字型磁路耦合機構沿十字或y方向的水平偏移容忍特性要優于dd型磁路耦合機構在十字方向上的偏移容忍特性，而在y方向偏移0-135mm距離時，十字型磁路耦合機構耦合系數大于dd型磁路耦合機構，當在y方向偏移距離大于135mm后，dd型磁路耦合機構耦合系數要大于十字型磁路耦合機構。

綜上所述，本發明所述的十字型磁路耦合機構是一種性能優良的磁路耦合結構，與相關技術相比，其具有更高的耦合系數，而且能夠同時在兩個相互垂直的水平方向以及繞機構中心軸旋轉等三個方向上提供更寬的偏移容忍范圍，為無線電能傳輸系統磁路耦合機構選取提供了更多樣化的磁路耦合機構選擇。

上文所述的十字型磁路耦合機構只是便于說明的原始模型，而不是最優化的結果，下面結合圖2所示參數，運用控制變量法對十字型磁路耦合機構做進一步優化分析。

首先對十字型磁路耦合機構的鐵氧體磁芯層進行優化設計，圖7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)為五種不同方案的鐵氧體磁芯層，在僅替換鐵氧體磁芯層而其他條件不變情況下的耦合系數與鐵氧體體積對比結果如表1所示：

表1

從表1中可以得到，隨著氣息距離的增大，耦合系數會越來越小但并不是使用鐵氧體材料越多，效果越好，圖7(a)-(e)中的鐵氧體材料使用量依次遞減，方案(e)中鐵氧體磁芯層的鐵氧體材料使用量最少為2592cm³，僅為鐵氧體材料使用量最多的方案(a)的9/25，但是除在100mm氣息下，方案(e)的耦合系數略小于方案(a)，其余情況下方案(e)的耦合系數都高于其他方案。綜上所述，選擇方案(e)作為本發明十字型磁路耦合機構鐵氧體磁芯層結構，下面對該方案下的具體結構參數進行優化。

前文所出現的十字型磁路耦合機構得鐵氧體磁芯層是由8個鐵氧體條平均縱橫交叉分布形成網格狀，但這并不是最優結構，下面結合前文定義的鐵氧體磁芯層的邊長以及矩形線圈的長a，矩形線圈的寬b，矩形線圈匝數n，中間鐵氧體條的外邊距定義為w，以及b與a的比值為q，w與a的比值為c等參數對方案(e)所示結構做進一步優化。

實施例2：通過大量實驗可以知道在未飽和前提下，鐵氧體條的寬度與厚度到達一定值后對十字型磁路耦合機構的耦合系數并不會有太大影響，所以為方便分析，本實施例使用較易獲得的寬為30mm，厚度為20mm的錳鋅鐵氧體條材料。中間兩個鐵氧體條的位置是優化的關鍵，圖8至圖9所示曲線均為在200mm氣息距離并且n＝10匝條件下十字型磁路耦合機構耦合系數k隨w與a的比值為c的關系曲線。

其中圖8表示僅當a不同而q＝0.5時k與c的關系曲線；而圖9為僅當q不同而a＝600mm時k與c的關系曲線。從圖8和9可得，在不同的a與q條件下，十字型磁路耦合機構的耦合系數k都在c＝0.2處取得最大值(max)，所以可以得到最優鐵氧體磁芯層結構如圖10所示，即當中間兩個鐵氧體條的外邊距w＝0.2a時為最優結構。

下面在采用如圖10所示優化后的鐵氧體磁芯層結構前提下，對十字型磁路耦合機構的形狀進一步優化，主要是對鐵氧體磁芯層的邊長以及矩形線圈的長a，矩形線圈的寬b，進行優化。為方便分析先假設n＝10匝、氣息距離為200mm條件下，當a取不同值時耦合系數k與q的關系曲線如圖11所示。由圖11中曲線可知，a值越大耦合系數k越高，而無論a取何值時，耦合系數k總在q＝0.7處取得最大值。圖12為n＝10匝、a＝600mm條件下，當氣息距離(airgap)去不同值時耦合系數k與q的關系曲線，由圖中可以看出，氣息距離越小耦合系數k越高，同樣的，無論氣息距離為多少，耦合系數k總在q＝0.7處取得最大值。綜上所述，矩形線圈的寬b與長a的比值q存在最優解，即在同一條件下，當q＝0.7時十字型磁路耦合機構的耦合系數k最大。

為了分析某一特性參數對十字型磁路耦合機構，前文諸多優化分析都是建立在矩形線圈匝數為10匝條件下，雖然這種做法有利于優化分析過程，但其特殊化的分析過程也會使其結論不具有普遍性，為使優化結果更具普遍性，現在改變矩形線圈匝數n條件下，驗證前文優化分析結果是否依然成立。

圖13所示為在a＝600mm、airgap＝200mm前提下，q以0.01為步長從0.5到1變化以及矩形線圈匝數以10為步長從10匝到30匝變化而形成的30種情況的k隨c變化曲線，從圖中可以得到，30條曲線同時在c＝0.2處取得最大值(max)點，因此可以驗證圖10所示鐵氧鐵磁芯層最優結構與矩形線圈匝數和比值q無關，其在十字型磁路耦合機構中具有普遍適用性。圖13為使用圖15所示最優鐵氧鐵磁芯層結構并且在a＝600mm、airgap＝200mm前提下，矩形線圈匝數n分別為10匝、20匝、30匝三種情況下k隨q變化曲線，由圖可知，3條曲線同時在q＝0.7取得最大值點，所以最優矩形線圈的寬b與長a的比值q為0.7，其與矩形線圈匝數n無關，具有普遍性。

由上述可得，十字型磁路耦合機構的原邊能量發射墊或副邊能量拾取墊優化結構示意圖如圖15所示，圖15即為實施例3的結構圖，其中q＝0.7，w＝0.2a。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系，除非另有明確的限定。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。