一种用于多负载的无线充电磁耦合结构及其电路的制作方法

本发明涉及一种用于多负载的无线充电磁耦合结构及其电路。

背景技术：

无线电能传输技术具有便捷、无机械损耗、无电火花等特性，在多种特殊环境如人体内部、矿井、高电压环境、水下、电动汽车等领域具有良好应用前景，近些年得到学术界和企业界的广泛关注。

目前无线电能传输技术的磁耦合结构主要采用平面螺旋形线圈，传统的磁耦合结构中，通常采用单一的发射侧线圈和接收侧线圈。单一的发射线圈发射的磁场是固定的，而单一的接收线圈又只能接收某一特定方向的磁场，若发射线圈所发射的磁场方向与接收线圈所能接收的磁场方向不一致时，那么接收线圈只能接收部分的磁场能量，这也就造成了磁耦合结构的耦合系数的降低。目前主要有如下几种磁耦合结构设计方案：

①两耦合线圈正对方案及其衍生

典型的有宁波微鹅电子科技有限公司的专利《一种高品质因数的发射线圈结构》（申请号：201520036919.6）以及《一种电能接收结构及无线电能接收模块》（申请号：201521018507.6）；但在该技术方案中，正对发射侧线圈和接收侧线圈的相对位置是相对固定的，必须保证在垂直方向两者没有错位，两线圈所在平面必须平行，若存在一定角度，则耦合系数下降很快，所在，这样限制了无线充电装置使用的便捷性。

②多个线圈层叠排列作为发射侧线圈方案

典型的有深圳市中远航科技有限公司的专利《一种无线充电设备》（申请号201310156410.0），如图4所示，以及香港城市大学的专利“用于改善平面感应充电平台性能”（申请号200680030162.3）；但在该技术方案中，阵列发射线圈能够实现平面一定自由度的无线充电，但是其发射线圈绕组路径长，导线电阻大，绕组损耗较大，且成本提高。

③品字形分布线圈发射，十字型正交线圈接收方案

典型的有福州大学的专利《一种无线电能传输磁耦合结构及其电路》（申请号201210463307.6）；但在该技术方案中，对于发射线圈，绕组路径长，且有较多直角，导线电阻大，使得整体的绕组损耗增大。对于接收线圈，z轴方向接收绕组耦合性能差，且成本提高。

④磁场跟踪伺服结构

典型的有重庆大学的戴欣等的专利《一种磁场跟踪伺服机构控制系统及其控制方法》（申请号：201010572170.9）；但在该技术方案中，需要额外提供磁场跟踪伺服系统，且存在机械寿命的问题，往往用在某些特定的场合中。

⑤平面磁谐振器以及具有环形谐振器线圈的平面磁谐振器

典型的有美国无线电力公司（witricity）的专利《交通工具中的无线电力传输》（申请号：201480027153.3）；但在该技术方案中，对于接收线圈一，绕组匝长比较长，绕组损耗大且成本较高，对于接收线圈二，虽然绕组匝长降低，而且增加了接收z轴方向磁场的环形绕组，但是如果想要降低x,y轴方向接收绕组匝长，就要减小引导磁芯最外围截面积，会导致磁阻过大，收束x,y方向传递过来的磁场的能力明显不足，x,y方向的耦合系数不高，这是一对矛盾。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于多负载的无线充电磁耦合结构及其电路，能够实现接收线圈在发射线圈范围内有效均匀地接收磁场能量，具有更高的耦合系数和更高的电能传输效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于多负载的无线充电磁耦合结构，其特征在于：包括发射线圈及与所述发射线圈耦合的若干接收线圈，所述接收线圈为田字形正交线圈或双王结构正交线圈；

所述发射线圈由若干相互平行的导线族组成，同一导线族内电流方向一致，任意相邻导线族内电流方向相反；

所述田字形正交线圈包括相互垂直的第一磁芯和第二磁芯，所述第一磁芯和第二磁芯的端部分别设置有与之垂直的第三磁芯，第一磁芯上设置有第一绕组，第二磁芯上设置有第二绕组，四个第三磁芯的外侧包设有第三绕组，第一绕组、第二绕组、第三绕组两两垂直；

所述双王结构正交线圈包括相互垂直的第一磁芯和第二磁芯，所述第一磁芯和第二磁芯的端部分别设置有与之垂直的第三磁芯，第一磁芯上设置有第一绕组，第二磁芯上设置有第二绕组；第一磁芯其中一端的第三磁芯外侧设置有第四磁芯，该第三磁芯两侧沿着第一磁芯方向上设置有第三绕组；第二磁芯其中一端的第三磁芯外侧设置有第四磁芯，该第三磁芯两侧沿着第二磁芯方向上设置有第四绕组。

进一步的，所述发射线圈为多层并联或层间串联。

进一步的，所述发射线圈的转角处为直角、钝角或圆角。

进一步的，所述发射线圈的底侧设置有磁芯或磁贴。

进一步的，所述田字形正交线圈中，第三磁芯与第一磁芯、第二磁芯处于同一平面或第三磁芯低于第一磁芯、第二磁芯设置。

进一步的，所述田字形正交线圈中，所述第三绕组为矩形绕组或圆形绕组。

进一步的，所述双王结构正交线圈中，第四磁芯的长度大于或等于第三磁芯。

一种用于多负载的无线充电磁耦合结构的电路，其特征在于：包括如上所述的无线充电磁耦合结构，电网、功率因数校正电路、逆变电路、原边补偿网络依次连接，原边补偿网络的输出端与所述无线充电磁耦合结构的发射线圈连接；所述无线充电磁耦合结构的每一接收线圈分别与一副边补偿网络连接，每一副边补偿网络分别与一整流滤波电路连接，每一整流滤波电路分别与一负载连接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明包括电流回流式发射线圈和优化的三维正交接收线圈，能够实现接收端在发射线圈范围内有效均匀地接收磁场能量，具有更高的耦合系数和更高的电能传输效率，在接收侧与发射侧磁结构发生相对位置的偏移或一定的提离（发射侧与接收侧磁结构之间的距离）时，也能保证有足够的耦合系数，在发射侧与接收侧磁结构相对位置不固定的场合具有明显的优势。低电磁干扰、结构相对简单、易于实现，各种功率场合的无线电能传输都适用，故可以用于传输大功率电能。

附图说明

图1a是本发明一实施例的发射线圈电流流向示意图。

图1b是本发明一实施例的发射线圈pcb绕组横截面示意图。

图1c是本发明一实施例的发射线圈铜线绕组横截面示意图。

图1d是本发明一实施例的发射线圈litz线绕组横截面示意图。

图2是现有平面螺旋型线圈的磁场分布图。

图3是本发明的发射线圈的磁场分布图。

图4a是本发明一实施例转角为直角的发射线圈。

图4b是本发明一实施例转角为钝角的发射线圈。

图4c是本发明一实施例转角为圆角的发射线圈。

图5是本发明一实施例的多层并联的发射线圈。

图6是本发明一实施例的层间串联的发射线圈。

图7a是本发明一实施例的双层pcb折回绕法的多匝发射线圈顶层。

图7b是本发明一实施例的双层pcb折回绕法的多匝发射线圈底层。

图7c是本发明一实施例的双层pcb折回绕法的多匝发射线圈。

图8a是本发明实施例一的田字形正交线圈。

图8b是本发明实施例二的田字形正交线圈。

图8c是本发明实施例三的田字形正交线圈。

图9a是本发明位置1的结构示意图。

图9b是图9a的对应磁路图。

图9c是本发明位置2的结构示意图。

图9d是图9c的对应磁路图。

图9e是图9a逆时针转动45°的位置示意图。

图9f是图9a逆时针转动90°的位置示意图。

图10是本发明一实施例的双王结构正交线圈。

图11a是本发明一实施例的发射线圈拼接图。

图11b是本发明另一实施例的发射线圈拼接图。

图12是本发明一实施例的多负载电路。

图13是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种无线充电磁耦合线圈，其特征在于：包括一发射线圈及与所述发射线圈耦合的若干接收线圈，所述接收线圈为田字形正交线圈或双王结构正交线圈；

于本实施例中，所述发射线圈为电流回流式平面矩形线圈，由若干相互平行的导线段（或导线族）组成，任意相邻导线段（或导线族）电流方向相反，各导线族内电流方向相同；如图1a所示为该发射线圈的电流流向示意图，1101表示导体中的电流垂直纸面流入，1102表示导体中的电流垂直纸面流出，使其形成的电流流动分布形成相邻导线之间呈相反的电流流动方向，发射线圈构成一个磁场发射平面，其辐射出来的磁场能够控制在一定范围内,图1b中的1301、1302表示相邻的两个导线族，采用pcb绕组,图1c中的1303、1304表示相邻的两个导线族,采用铜线绕组，图1d中的1305、1306表示相邻的两个导线族，采用litz线绕组。

于本实施例中，所述发射线圈底侧有磁芯或磁贴等高磁导率材料，增加磁芯能够提高磁场耦合，降低磁场泄露。为了进一步降低磁场泄露，磁芯下侧可以增加金属片。

所述发射线圈可以但不限于为金属导线，可以但不限于铜线包括镀锡铜线、镀银铜线或者litz线等。

请对比图2和图3，图中，1201和1211表示磁力线，1202和1212表示绕组（即上文提到的导线段（或导线族）），1203和1213表示磁芯，可以看出本实施例的发射线圈的磁场泄露相对较小，磁场主要集中在发射线圈平台表面一定范围内，本实施例的发射线圈结构具有磁场泄漏较小的优点。

于上述实施例中，所述发射线圈的转角处可以但不限于直角、钝角、圆角等，请分别参照图4a、图4b和图4c，其中，1402，1412、1422为绕组，1401、1411、1421为电流输入端，1403、1413、1423为电流输出端。与另一实施例中，为了增加绕组导电横截面积，减小绕组损耗，发射线圈可以采用多层并联的设置方式，即所述发射线圈也可以是多层线圈，且转角处可以但不限于直角、钝角、圆角等，以圆角的多层线圈为例，请参照图5，其电流路径具体如下：顶层电流路径：电流经端子1601流入，流经pcb顶层绕组1602，最后经1603端子流出;通孔1601、1604、1607正对，通孔1603、1606、1609正对；中层电流路径:电流经端子1601流入，进入与顶层通孔1601正对的中层通孔1604，流经pcb中层绕组1605，从中层通孔1606，进入与中层通孔1606正对的顶层通孔1603，最后经端子1603流出;底层电流路径：电流经端子1601流入，途经中层通孔1604，进入与顶层通孔1601正对的底层通孔1607，流经pcb底层绕组1608，从底层通孔1609，途经中层通孔1606，进入与底层通孔1609正对的顶层通孔1603，最后经端子1603流出。

于另一实施例中，为了提高原边发射磁场强度，发射线圈还可以采用层间串联的设置方式，请参照图6，依旧以圆角的为例，其电流路径具体如下：电流经端子1701流入，流经pcb顶层绕组1702，从顶层通孔1703，进入与顶层通孔1703正对的底层通孔1704，再流经pcb底层绕组1705，最后经1706端子流出。

于另一实施例中，发射线圈可以采用双层折回绕法（含pcb顶层和pcb底层），以增加发射线圈匝数，从而提高原边发射磁场强度依旧以圆角的为例，请参照图7a,7b,7c，其电流路径具体如下：电流经端子1801流入，流经pcb顶层绕组1802，从顶层通孔1803，进入与顶层通孔1803正对的底层通孔1804，流经pcb底层绕组1805，从底层通孔1806，进入与底层通孔1806正对的顶层通孔1807，流经pcb顶层绕组1808，从顶层通孔1809，进入与顶层通孔1809正对的底层通孔1810，流经pcb底层绕组1811，从底层通孔1812，进入与底层通孔1812正对的顶层通孔1813，流经pcb顶层绕组1814，从顶层通孔1815，进入与顶层通孔1815正对的底层通孔1816，流经pcb底层绕组1817，最后经端子1818流出。

请参照图8a，所述田字形正交线圈包括相互垂直的第一磁芯2004和第二磁芯2005，所述第一磁芯2004和第二磁芯2005的端部分别设置有与之垂直的第三磁芯2006、2007、2008和2009，第一磁芯2004上设置有第一绕组2002，第二磁芯上2005设置有第二绕组2001，四个第三磁芯2006、2007、2008和2009的外侧包设有第三绕组2003，第一绕组2002、第二绕组2001、第三绕组2003两两垂直，于本实施例中，第三磁芯2006、2007、2008和2009低于第一磁芯和第二磁芯且三者之间相互接触；第一磁芯和第二磁芯的长度约为相邻导线族中点的距离的1倍，相互平行的第三磁芯距离约为相邻导线族中点的距离的1倍，三个正交绕组间没有耦合，分别感应三个正交方向的磁场分量，这种接收侧正交线圈结构不仅能够充分感应各个方向的磁场分量，而且各个方向耦合系数的相加会使总体耦合系数较为平坦均匀，能保持在一定的范围内，提高总体耦合性能。第三磁芯增大引导磁场能量的磁芯最外围截面积，尽可能降低磁阻，收束发射线圈传递过来的磁场。

如图8b所示为另一实施例的田字形正交线圈，与图8a所示实施例相比，不同之处在于，第三磁芯2016、2017、2018和2019与第一磁芯2014和第二磁芯2015处于同一平面内，图8a和图8b所示实施例中，第三绕组为矩形。

如图8c所示为另一实施例的田字形正交线圈，与图8b所示实施例相比，不同之处在于，第三绕组2023为圆形，相应的第三磁芯2024为与之相配合的圆弧形。

前面三种结构都是田字形结构，如果与前面提到的电流回流式平面矩形发射线圈相配合，接收线圈在与电流流向相垂直的方向上做水平移动时，即图9a和图9c所示的x方向，磁场强度分布呈现峰谷值，在图9a所示位置，刚好出于一进一出两部分导线中间，有一部分磁场互相抵消，呈现谷值；在图9c所示位置则呈现峰值。如果在一个方向上只有一组线圈，那么绕组1感应到的电压v1必然随x方向的水平位移呈现峰谷值，这时候就需要在该方向再各引入绕组2，并相应地对端部进行第二次扩展，形成如图10所示的双王结构正交线圈。

请参照图10，所述双王结构正交线圈包括相互垂直的第一磁芯2035和第二磁芯2036，所述第一磁芯2035和第二磁芯2035的端部分别设置有与之垂直的第三磁芯2037、2038、2039和2040，第一磁芯2035上设置有第一绕组2033，第二磁芯2036上设置有第二绕组2031；第一磁芯2035其中一端的第三磁芯2039外侧设置有第四磁芯2042，第三磁芯2039和第四磁芯2042通过第一磁芯2035的延伸部连接在一起，该第三磁芯2039两侧沿着第一磁芯2035方向上设置有第三绕组2034；第二磁芯2036其中一端的第三磁芯2038外侧设置有第四磁芯2041，第三磁芯2038和第四磁芯2041通过第二磁芯2036的延伸部连接在一起，该第三磁芯2038两侧沿着第二磁芯2036方向上设置有第四绕组2032；第一磁芯和第二磁芯的长度约为相邻导线族中点的距离的1.5倍,相互平行的第三磁芯距离约为相邻导线族中点的距离的1倍，第四磁芯和同一端部的第三磁芯距离约为相邻导线族中点的距离的0.5倍。

位置1示意图如图9a所示，对应磁路如图9b所示，位置2示意图如图9c所示，对应磁路如图9d所示，图中，2101、2111、2121、2131表示发射线圈，图中一匝发射线圈实际表征多匝，2102、2112、2122、2132表示接收线圈，空心箭头2103、2113、2123、2133表示电流方向，首尾相接的箭头2114、2134表示磁力线走向，处于位置2时，x方向其中一个绕组感应的电压v1处于于谷值时，x方向另一绕组感应的电压v2处于峰值，将x方向两个绕组感应的电压v2进行叠加，x方向上感应出来的总电压的峰谷特性将减弱很多，趋于平坦，新型接收线圈可在发射线圈平台上任意位置平移旋转且保持接收能量维持稳定。

所述接收线圈可在xy平面自由旋转，都可以接收到磁场，以双王结构正交线圈为例，如图9e和图9f所示，图9e表示相对于图9a所示的位置1，在xy平面逆时针旋转45度，图9f表示相对于图9a所示的位置1，在xy平面逆时针旋转90度。

于本实施例中，所述双王结构正交线圈中，第四磁芯的长度大于或等于第三磁芯，并可通过改变改变第三磁芯和第四磁芯的尺寸如图10中的a、c、e改变感应电压的大小，通过同一方向上两个绕组的匝数使得总感应电压趋于平稳，两组绕组尽量交链更多的磁力线。

该发射线圈可任意拼接、扩展以扩大发射平面，同时能够保持磁场均匀，可以采用串联拼接或并联拼接。图11a所示串联拼接方法可以向左右两边无限拼接、扩展，图11b所示并联拼接方法也可以向左右两边无限拼接、扩展。

本实施例的整体结构示意图如图13所示。其中，2201为发射线圈，2202、2203、2204为接收线圈。

请参照图12，本实施例还提供一种用于多负载的无线充电磁耦合结构的电路，其特征在于：包括无线充电磁耦合结构，电网、功率因数校正电路、逆变电路、原边补偿网络依次连接，原边补偿网络的输出端与所述无线充电磁耦合结构的发射线圈连接；所述无线充电磁耦合结构的每一接收线圈分别与一副边补偿网络连接，每一副边补偿网络分别与一整流滤波电路连接，每一整流滤波电路分别与一负载连接，负载可以为下一级dc/dc拓扑如手机电池充电拓扑，或者直接为电阻性负载或led负载。

该用于多负载的无线充电磁耦合结构的多电路的优点如下：

1、实现了多负载无线电能传输，在各种功率场合均适用，具有更高的耦合系数和更高的电能传输效率；

2、在接收侧与发射侧磁结构发生相对位置的偏移或一定的提离（发射侧与接收侧磁结构之间的距离）时，也能保证有足够的耦合系数，在发射侧与接收侧磁结构相对位置不固定的场合具有明显的优势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。