基波?諧波雙通路并行感應無線電能傳輸系統的磁路耦合機構的制作方法

本發明涉及一種基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統的磁路耦合機構，屬于無線電能傳輸技術。

背景技術：

無線電能傳輸技術(wirelesspowertransfer，簡稱wpt)最早誕生于十九世紀的美國，其是一種借助空間無形軟介質(如磁場、電場、激光、微波等)，實現電能由源設備傳遞至受電設備的全新電能接入模式。該技術實現共受電設備之間電氣隔離，因此從根本上杜絕了傳統有線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。

基于電磁感應耦合原理的無線電能傳輸(inductivecoupledpowertransfer，簡稱icpt)技術以其功率傳輸容量大、效率高等特點，得到廣泛的關注與研究，現有的icpt技術都是以高頻逆變器輸出方波中的基波分量進行能量傳輸，但其會存在一些如輸出電壓調節范圍不夠寬、調壓精度及系統效率不夠高等問題。因此基于諧波的高頻特性與能量特性、一種基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統被提出，通過在逆變器輸出之后建立基波能量通路與諧波能量通路，對逆變方波中的基波及諧波分量進行提取、利用，通過諧波能量通路的加入，不僅提高了整個系統的調壓范圍，而且利用諧波傳輸能量可以提高系統傳輸效率。該系統與常規基波通路單獨工作方式相比，還可以解決傳統移相控制方式中移相角不能過小的技術難題，使系統輸出電壓可以從零開始調節，增大系統電壓調節精度。

無線電能傳輸系統中磁路耦合機構性能的好壞直接表征了無線電能傳輸系統的優劣，因此無線電能傳輸系統中磁路機構的研究設計就變得尤為重要，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，k值越大表明磁路機構耦合越緊密，磁路耦合機構效率也就越高。

但在基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統中，存在一個亟待解決的問題，就是基波能量通路的磁路耦合機構與諧波能量通路的磁路耦合磁路機構之間不能存在耦合關系或耦合關系很小，可以忽略不計，否則其會使整個系統無法正常運行。因此為使系統可以正常穩定工作，其原副邊磁路耦合機構的設計不僅要具有較高的k值，而且使基波能量通路的磁路耦合機構與諧波能量通路的磁路耦合機構之間的影響很小，以至于其可以忽略不計。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統的磁路耦合機構，該機構不但具有較高的耦合系數，而且可以消除基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統中基波能量通路磁路耦合機構與諧波能量通路磁路機構之間的影響，從而使整個系統可以正常穩定工作。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基波-諧波雙通路并行感應無線電能傳輸系統的磁路耦合機構，包括原邊能量發射部分和副邊能量拾取部分，原邊能量發射部分和副邊能量拾取部分相對設置且相互平行；原邊能量發射部分和副邊能量拾取部分均為三層結構，具體為磁芯層、基波線圈層和諧波線圈層，基波線圈層和諧波線圈層均由利茲線繞制而成，磁芯層是由結構尺寸相同的一組鐵氧體條組成的網格結構，基波線圈層和諧波線圈層均是由兩個間隔設置的結構尺寸相同的矩形線圈組成，基波線圈層和諧波線圈層正交疊放。

優選的，所述磁芯層的鐵氧體條縱橫交叉排列，形成中心對稱結構，網格均勻分布，磁芯層、基波線圈層和諧波線圈層中心對齊放置，且三者的外輪廓邊平行。

優選的，所述原邊能量發射部分和副邊能量拾取部分的結構尺寸相同，基波線圈層和諧波線圈層的結構尺寸相同。

優選的，所述磁芯層、基波線圈層和諧波線圈層滿足以下尺寸要求：

b＝l-d×n×2

其中：b為鐵氧體條的長度，l為單個矩形線圈的外輪廓長度，d為繞制矩形線圈的利茲線的直徑，n為單個矩形線圈的線圈匝數。

優選的，構成基波線圈層或諧波線圈層的兩個矩形線圈的間距滿足以下尺寸要求：

其中：a為兩個矩形線圈的外輪廓間距，w為單個矩形線圈的外輪廓寬度。

有益效果：本發明提供的基波-諧波雙通路并行感應無線電能傳輸系統的磁路耦合機構，不但具有較高的耦合系數，而且可以消除基波-諧波雙通路無線電能傳輸系統基波能量通路與諧波能量通路磁路機構之間的影響，從而可以使基波-諧波雙通路無線電能傳輸系統正常穩定工作。

附圖說明

圖1為基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統主電路拓撲結構示意圖；

圖2為實施例1的結構示意圖；

圖3為實施例1中原邊能量發射部分的繞線方式以及關鍵參數示意圖；

圖4為實施例1中各基波線圈與諧波線圈之間的耦合系數；

圖5為實施例1中所述的磁路耦合機構的兩種鐵氧體磁芯層結構示意圖；

圖6為實施例2所述的磁路耦合機構耦合系數k與線圈長度l的關系曲線圖；

圖7為實施例2所述的磁路耦合機構耦合系數k與線圈寬度w的關系曲線圖；

圖8為實施例2所述的磁路耦合機構耦合系數k與線圈之間的偏移距離a的關系曲線圖；

圖9為實施例2所述的磁路耦合機構耦合系數k與磁芯厚度h的關系曲線圖；

圖10為實施例2所述的磁路耦合機構耦合系數k與磁芯長度b的關系曲線圖；

圖11為實施例2所述的磁路耦合機構耦合系數k與c的關系曲線圖。

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所示為基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統主電路拓撲，如圖2所示為實施例1的結構圖，包括：原邊能量發射部分和副邊能量拾取部分：其中，原邊能量發射部分包括原邊磁芯層101、原邊基波能量發射線圈102和原邊諧波能量發射線圈103，原邊諧波能量發射線圈103放置在原邊基波能量發射線圈102的上方；副邊能量拾取部分包括副邊磁芯層201、副邊諧波能量發射線圈202和副邊基波能量發射線圈203，副邊諧波能量發射線圈202放置在副邊基波能量發射線圈203的上方。

原副邊線圈中的線圈的纏繞方式如圖3(a)所示，原邊基波線圈與原邊諧波線圈均是由兩個矩形線圈組成且兩個矩形線圈之間有一定的偏移距離，原邊基波線圈與原邊諧波線圈正交疊放，副邊基波線圈與副邊諧波線圈也均是由兩個矩形線圈組成且兩個矩形線圈之間有一定的偏移距離，副邊基波線圈與副邊諧波線圈正交疊放，原副邊線圈均是由利茲線繞制而成。

原邊磁芯層101和副邊磁芯層201均是由鐵氧體條縱橫交叉均勻排列組成，原邊磁芯層101和副邊磁芯層201整體呈中心對稱。組成原邊磁芯層101和副邊磁芯層201的鐵氧體條的長度分別與原邊線圈和副邊線圈的內輪廓長度相等。

實施例1中的基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統磁路耦合機構的原邊能量發射部分與副邊能量拾取部分的結構相同，繞線方式也相同。以原邊能量發射部分為例，其繞線方式及關鍵參數如圖3所示：由原邊磁芯101與原邊基波能量發射線圈102、原邊諧波能量發射線圈103組成，整體結構呈中心對稱。原邊基波能量發射線圈102與原邊諧波能量發射線圈103正交疊放。

圖4反映的是實施例1中原副邊線圈之間的耦合系數，共有6個耦合系數值，通過圖3的各項數據可以看出在實施例1中的基波-諧波雙通路并行感應耦合無線電能傳輸系統磁路耦合機構中，基波能量通路與諧波能量通路的磁路耦合機構的k值均是0.314，基波能量通路與諧波能量通路磁路機構之間交叉耦合系數很小，分別是0.002和0.006，可以忽略不計。因此本發明的磁路機構可以消除基波-諧波雙通路并行感應無線電能傳輸系統中基波能量通路與諧波能量通路磁路機構之間的影響。

基波-諧波雙通路并行感應無線電能傳輸系統中基波能量通路與諧波能量通路磁路耦合機構的磁芯層的結構有兩種形式如圖5表示，圖5(a)所示的磁芯層鐵氧體結構，鐵氧體塊的尺寸為820×820×30mm，原副邊所用的鐵氧體的體積是40344cm³，耦合系數k是0.39843；圖5(b)所示的磁芯層鐵氧體結構，鐵氧體條尺寸為820×30×30mm，原副邊所用的鐵氧體的體積是29250cm³，耦合系數k是0.40088，圖5(b)的磁芯層鐵氧體結構所用的體積是圖5(a)所示的的磁芯層鐵氧體結構的72.5％，而且耦合系數也略大，所以選擇圖5(b)作為本發明的磁路耦合機構的鐵氧體磁芯層結構。

實施例2

為方便進一步說明磁路耦合機構的優化構成，我們設計原邊能量發射部分和副邊能量拾取部分的結構尺寸完全相同，基波線圈層和諧波線圈層的結構尺寸相同；磁芯層的鐵氧體條縱橫交叉排列，形成中心對稱結構，網格均勻分布，磁芯層、基波線圈層和諧波線圈層中心對齊放置，且三者的外輪廓邊平行。上文所述的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3所示參數，運用控制變量法對磁路耦合機構做進一步優化分析。

將鐵氧體條的長度定義為b，鐵氧體條的厚度定義為h，鐵氧體條的寬度定義為s，鄰近兩個鐵氧體條之間的間距定義為t，將線圈的長度定義為l，將線圈的寬度定義為w，兩個矩形線圈之間的距離定義為a，利茲線的直徑定義為d，線圈的匝數定義為n，鄰近兩個鐵氧體條之間的距離t與線圈的內輪廓的長度(l-d×n×2)之間的比值定義為c。圖5至圖10所示的曲線均是在原副邊氣息距離在200mm，d＝4mm，n＝10匝的條件下磁路耦合耦合系數k隨相關參數的關系曲線。

圖6表示的是不加磁芯的情況下，當線圈的寬度在400mm時，磁路耦合機構的耦合系數k與線圈的長度l的關系曲線，耦合系數k隨著l的增加而增加，但當l的值在600mm以上時，耦合系數的增加很很緩慢。

圖7表示的是不加磁芯的情況下，當線圈的長度在800mm時，磁路耦合機構的耦合系數k與線圈的寬度w的關系曲線，耦合系數k與w之間大約呈線性變化，對比圖5與圖6可以發現線圈的耦合系數對線圈寬度的變化較敏感。

圖8表示的是在不加磁芯的情況下，當線圈的寬度為400mm，長度為800mm時，磁路機構的耦合系數k與兩個矩形線圈之間的距離a的關系曲線，耦合系數k隨著a的增大先增大后減小，在a＝150mm時，耦合系數達到最大值。

圖9表示的是當線圈的寬度為400mm，長度為800mm時，磁路機構的耦合系數k與磁芯的厚度h的關系曲線，當磁芯的厚度h達到30mm時，耦合系數已達到最大值，磁芯的厚度h繼續增加，耦合系數也不會增加。

圖10表示的是當線圈的寬度為400mm，長度為800mm時，磁路機構的耦合系數k與磁芯的長度b關系曲線，當磁芯的長度b達到720mm時，耦合系數已達到最大值，磁芯的長度繼續增加，耦合系數反而會降低。

圖11表示的是當線圈的寬度為400mm，長度為800mm時，選定鐵氧體的長度b為720mm，厚度為30mm，原副邊鐵氧體總體積為13608cm³情況下，磁路耦合機構耦合系數與鐵氧體間距的關系曲線。耦合系數隨著c的增大而減小，在實際工程中應綜合考慮成本與耦合系數之間的關系，一般選擇c的值在0.1-0.2之間。

本發明中所述的“基波”是高頻逆變器產生的方波中的一次諧波分量，“諧波“是高頻逆變器產生的方波中三次諧波分量、五次諧波分量、七次諧波分量……中的一種，在本發明的實施例中利用的是高頻逆變器產生的方波中的基波分量與三次諧波分量來進行能量傳遞，在實際應用中可以根據需要來確定利用基波分量與某次諧波分量來進行能量傳遞。

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。