一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法
【專利摘要】本發明涉及一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法，線圈由不同規格的各段導線組成，在磁場強度大的位置，繞組采用相對細的導線；在磁場強度小的位置，繞組采用相對粗的導線。本發明能夠有效地減小高頻繞組損耗，從而提高無線充電系統的傳輸效率。
【專利說明】
一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法
技術領域
[0001]本發明涉及無線電能傳輸領域，特別是一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法。
【背景技術】
[0002]無線電能傳輸技術改變了傳統通過導線連接傳輸電能的方式，除了能夠提高人們用電的便利性外，在一些特殊的場合具有必要性，如人體內電子裝置、高電壓隔離、防爆等很多需要非接觸供電場合。目前無線充電技術得到學術界和企業界的廣泛關注，但無線電能傳輸技術普遍存在傳輸效率較低的問題，而磁耦合線圈是高頻損耗是關鍵因素之一。
[0003]磁耦合式無線電能傳輸的基本原理是通過高頻逆變電路向發射側電感線圈通入一個高頻電流激勵，該高頻電流產生的磁場經過空間親合到接收側的電感線圈，從而把能量傳送到接收側，實現電能的無線傳輸。整個無線電能傳輸系統主要由高頻逆變電路，發射側和接收側磁耦合結構，阻抗匹配電路，整流電路和的控制電路等組成，基本的一種磁諧振耦合式電路如說明書附圖1所示。對于無線電能傳輸系統，其中發射側和接收側磁耦合結構是關鍵之一。
[0004]磁耦合結構種類繁多，僅從繞組的形狀上可大體分為3種，平面螺旋線圈、8字形線圈和螺線管線圈，其立體圖和斷面圖分別如說明書附圖2、圖3、圖4所示。其中201、301和401表示繞組，202、302和402表示磁芯。
[0005]對于平面螺旋形線圈結構來說，采用一根導體均勻或不均勻沿半徑布置繞制而成，根據應用要求可以在繞組一側加上磁芯或不加磁芯。圖5是10匝導線均勻繞制的平面螺旋形線圈的磁力線分布，其中501是磁芯，502是繞組，繞組上的電流同方向。相應的導體電流密度分布云圖如圖6所示。在圖上可以看出，磁力線的分布雖然很復雜，但基本上在螺旋形線圈圓環內側和外側的磁場強度大，且沿著半徑方向的磁場強度分布是不均勻。根據電磁感應原理，高頻磁場就會在線圈導體上產生渦流損耗，而且導體渦流損耗與導體所在位置的磁場強度有很大正相關關系，各匝導體的電流密度分布如圖6所示。圖6顯示磁場強度大的地方導體的電流密度大。針對其他的平面螺旋形線圈，如長方形、六邊形等結構也具有該特征。
[0006]針對8字形線圈結構，8字形線圈通常也稱為DD形線圈，其特征在于兩個繞組產生的磁通大小相等方向相反。圖7是8字形線圈產生的磁力線分布，其中701是磁芯，702和703是繞組，繞組702和703的電流方向相反。從圖7可以看出磁力線沿y軸對稱分布，在繞組702和703的端部，磁力線密集，磁場強度大，且沿X方向分布是不均勻。各匝導體的電流密度云圖如圖8所示，在磁場強度大的地方導體的電流密度大，繞組損耗也大。
[0007]針對扁螺線管形線圈，應用在無線充電中的螺線管形線圈一般是帶有磁芯的，并呈扁平狀，主要用于提高耦合系數。圖9是螺線管形線圈的磁力線分布，其中901是磁芯，902和903是繞組，繞組902和903的電流方向相反。從圖9可知，磁力線沿y軸對稱分布，磁力線集中在繞組902和903的兩端，繞組902和903的端部磁場強度最大，而中間部分較小，在x方向分布不均勻。從繞組的電流密度云圖(如圖10)可以看出，繞組902和903的端部電流密度最大。
[0008]上述的磁耦合線圈中全是采用同一規格的導體繞制。這樣便于制造，但是繞組渦流損耗較大。為了降低繞組渦流損耗，目前常用的方法是選擇規格較高的Litz線繞制。
[0009]根據電磁場理論，導體的渦流損耗與導體所載電流以及所在位置的磁場強度有關。在導線規格一定的情況下，磁場越大的地方，導體渦流損耗越大;勵磁頻率越高，渦流損耗越大；同時還與導體的規格(包括圓導體直徑，Litz線股徑和股數)有很大關系，而且針對一定的頻率，一定的磁場強度，存在渦流損耗最低的繞組規格。由于上述各種線圈結構在不同位置上產生的磁場強度不同，因此具有最低渦流損耗的線圈導體規格是不同的。但是現有技術的各種線圈均采用同一個規格導體繞制，這就導致各個位置的導體無法獲得最低的渦流損耗，導致線圈總的渦流損耗較大。
【發明內容】
[0010]有鑒于此，本發明的目的是提出一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法，可以有效地減小高頻繞組損耗，從而提高無線充電系統的傳輸效率。
[0011]本發明采用以下方案實現:線圈由不同規格的各段導線組成，在磁場強度大的位置，繞組采用相對細的導線;在磁場強度小的位置，繞組采用相對粗的導線。
[0012]進一步地，所述導線包括漆包線、Litz線、銅箔、PCB繞組。
[0013]進一步地，所述導線為漆包線時，在磁場強度大的位置采用相對細的導線，在磁場強度小的位置采用相對粗的導線。
[0014]進一步地，所述導線為Litz線時，當Litz線的股數固定時，在磁場強度大的位置采用股徑細的Litz線;在磁場強度小的位置采用股徑粗的Litz線。
[0015]進一步地，所述導線為Litz線時，當Litz線的股徑固定時，在磁場強度大的位置采用股數少的Litz線;磁場強度小的位置采用股數多的Litz線。
[0016]進一步地，所述導線采用銅箔時，在磁場強度大的位置采用薄的導線;在磁場強度小的位置采用厚的導線。
[0017]進一步地，所述導線為PCB繞組時，在磁場強度大的位置PCB繞組的導線寬度窄；在磁場強度小的位置PCB繞組的導線寬度大。
[0018]由于導體的渦流損耗與導體所在位置的磁場強度有關，針對一定的頻率，一定的磁場強度，存在具有最低渦流損耗的導體規格。根據電磁場理論，在一定頻率下，在磁場強度越大的位置，對于圓導體線(線徑)，具有最低渦流損耗的導體直徑越小；而對于Litz線(股徑和股數)，對給定的股徑，具有最低渦流損耗的股數越少。而具有最低渦流損耗的具體線規可以根據頻率和磁場強度通過電磁場理論計算得出。據此，本發明的設計能夠獲得最小渦流損耗。
[0019]與現有技術相比，本發明有以下有益效果:本發明可以比等線規線圈優化設計方案更進一步降低線圈繞組損耗。雖然采用變線規線圈方案增加了繞線的工藝復雜度，但對于諧振式無線充電線圈，為了保證絕緣，一般本來就需要將線圈分段，并將諧振電容分散到各段線圈中，因此變線規線圈方案實際上也不會增加繞制工藝復雜度。
【附圖說明】
[0020]圖1為現有的一種磁諧振耦合式電路。
[0021 ]圖2為現有平面螺旋線圈的立體圖和斷面圖。
[0022]圖3為現有8字形線圈的立體圖和斷面圖。
[0023]圖4為現有螺線管線圈的立體圖和斷面圖。
[0024]圖5為現有的10匝導線均勻繞制的平面螺旋形線圈的磁力線分布圖。
[0025]圖6為現有的10匝導線均勻繞制的平面螺旋形線圈的導體電流密度分布云圖。
[0026]圖7為現有的8字形線圈產生的磁力線分布圖。
[0027]圖8為現有的8字形線圈各匝導體的電流密度云圖。
[0028]圖9是現有的螺線管形線圈的磁力線分布圖。
[0029]圖10為現有的螺線管形線圈的電流密度云圖。
[0030]圖11為本發明實施例中平面螺旋形線圈不同位置磁場強度的大致分布圖和對應的變線規繞組結構示意圖。
[0031]圖12為本發明實施例中變股數Litz線環形線圈示意圖。
[0032]圖13為本發明實施例中固定股數Litz線環形線圈示意圖。
[0033]圖14為本發明實施例中漆包線繞制的8字形線圈不同位置磁場強度的大致分布圖和對應的變線規結構示意圖。
[0034]圖15為本發明實施例中漆包線繞制的螺線管線圈不同位置磁場強度的大致分布圖和對應的變線規結構示意圖。
[0035 ]圖16為本發明實施例中PCB繞組繞制的線圈俯視圖。
[0036]圖17為本發明實施例中PCB繞組繞制的線圈斷面圖。
[0037]圖18為本發明實施例中銅箔繞制的線圈俯視圖。
[0038]圖19為本發明實施例中銅箔繞制的線圈斷面圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
[0040]本實施例提供了一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法，具體為:用不同規格的多段導線繞制線圈，在磁場強度大的位置，采用細的導線作為繞組;在磁場強度小的位置，采用粗的導線作為繞組。
[0041]在本實施例中，所述導線包括漆包線、Litz線、銅箔、PCB繞組。當所述導線為漆包線時，在磁場強度大的位置采用細的導線，磁場強度小的位置采用粗的導線。當所述導線為Litz線時，當Litz線的股數固定時，在磁場強度大的位置采用股徑細的Litz線;在磁場強度小的位置采用股徑粗的Litz線。當所述導線為Litz線時，當Litz線的股徑固定時，在磁場強度大的位置采用股數少的Litz線;磁場強度小的位置采用股數多的Litz線。當所述導線為銅箔時，在磁場強度大的位置采用薄的導線;在磁場強度小的位置采用厚的導線。當所述導線為PCB繞組時，在磁場強度大的位置PCB繞組的導線寬度窄；在磁場強度小的位置PCB繞組的導線寬度較大。
[0042]具體的，本實施例以平面螺旋形線圈為例，不同位置磁場強度的大致分布圖和對應的變線規繞組結構如圖11所示。圖11中，1101是磁芯，1102是繞組，1104是線1103上的磁場強度。由于在螺旋形線圈的內徑側和外徑側，磁場強度較大，因此選用較細的導線，而在中間某個位置，磁場強度很小，可以采用較粗的導線，即沿半徑各匝線圈圓導線的直徑隨著所在半徑位置磁場強度的增大而減小。
[0043]在本實施例中，當線圈采用Litz線繞制時，在固定股徑時，磁場強度大的位置，股數較少;磁場強度小的位置，股數較多。仍以環形線圈為例，變線規結構如圖12所示。在圖12中，其中1201是磁芯，1202是繞組。
[0044]在本實施例中，當固定股數時，在磁場強度大的位置，采用股徑較小的Litz線;在磁場強度小的位置，采用采用股徑較大的Litz線。以環形線圈為例，固定Litz線股數為4，變線規結構如圖13所示。圖13中，其中1301是磁芯，1302是繞組。
[0045]在本實施例中，8字形線圈結構具有和環形線圈相似的特性:當采用漆包線繞制時，磁場強度大的位置采用較細的導線，磁場強度小的位置采用較粗的導線。當采用Litz線繞制，固定股數時，磁場強度大的位置采用股經較細的Litz線，磁場強度小的位置采用股經較粗的Litz線。采用Litz線繞制，固定股徑時，磁場強度大的位置采用股數較少的Litz線，磁場強度小的位置采用股數較多的Litz線。以漆包線繞制的8字形線圈為例。不同位置磁場強度的大致分布圖和對應的變線規結構如圖14所示。圖14中，1401是磁芯，1402是繞組，曲線1404是線1403上的磁場強度分布。
[0046]在本實施例中，螺線管線圈結構具有和環形線圈相似的特性:在磁場強度大的位置采用較細的漆包線，在磁場強度小的位置采用較粗的漆包線。當采用Litz線繞制時，固定股數時，磁場強度大的位置采用股數較少的Litz線，磁場強度小的位置采用股數較多的Litz線。以漆包線繞制的螺線管線圈為例。不同位置磁場強度的大致分布圖和對應的變線規結構如圖15所示。圖15中，1501是磁芯，1502是繞組，曲線1504是線1503上的磁場強度分布。
[0047]在本實施例中，在小功率的無線電能傳輸中，PCB繞組也是常用的結構之一，針對環形PCB繞組，磁場分布仍然滿足內、外側強，中間弱的特點。因此，環形PCB繞組的內側和外側線寬較窄，中間部分線寬較寬。其俯視圖如圖16所示，斷面圖如圖17所示。
[0048]在本實施例中，在大電流場合，有時采用銅箔繞制，在繞組的內側和外側采用較薄的導線，中間部分可采用較厚的導線。俯視圖如圖18所示，斷面圖如圖19所示。
[0049]特別的，由于本實施例提出的是導體變線規方案，因此一個線圈需要由不同規格的導線分段連接繞制，這會給繞組制造帶來困難。但對于諧振式無線電能傳輸來說，考慮到諧振電路電感線圈各匝耐壓和諧振電容的耐壓，往往本來就需要將整個線圈分成多段(多圈)，而在每段(每圈)線圈間串入各個電容。這樣采用變線規的方案就不會帶來額外的線圈制造復雜性。
[0050]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
【主權項】
1.一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法，其特征在于:線圈由不同規格的各段導線組成，在磁場強度大的位置，繞組采用相對細的導線;在磁場強度小的位置，繞組采用相對粗的導線。2.根據權利要求1所述的一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法，其特征在于:所述導線包括漆包線、Litz線、銅箔、PCB繞組。3.根據權利要求2所述的一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法，其特征在于:所述導線為漆包線時，在磁場強度大的位置采用相對細的導線，在磁場強度小的位置采用相對粗的導線。4.根據權利要求2所述的一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法，其特征在于:所述導線為Litz線時，當Litz線的股數固定時，在磁場強度大的位置采用股徑細的Litz線；在磁場強度小的位置采用股徑粗的Litz線。5.根據權利要求2所述的一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法，其特征在于:所述導線為Litz線時，當Litz線的股徑固定時，在磁場強度大的位置采用股數少的Litz線；磁場強度小的位置采用股數多的Litz線。6.根據權利要求2所述的一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法，其特征在于:所述導線采用銅箔時，在磁場強度大的位置采用薄的導線;在磁場強度小的位置采用厚的導線。7.根據權利要求2所述的一種變線規無線電能傳輸磁耦合線圈設計方法，其特征在于:所述導線為PCB繞組時，在磁場強度大的位置PCB繞組的導線寬度窄；在磁場強度小的位置PCB繞組的導線寬度大。
【文檔編號】H01F27/28GK105957701SQ201610535268
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月8日
【發明人】陳慶彬, 鄭心城, 陳為
【申請人】福州大學