一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法，线圈由不同规格的各段导线组成，在磁场强度大的位置，绕组采用相对细的导线；在磁场强度小的位置，绕组采用相对粗的导线。本发明能够有效地减小高频绕组损耗，从而提高无线充电系统的传输效率。
【专利说明】
一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法
技术领域
[0001]本发明涉及无线电能传输领域，特别是一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法。
【背景技术】
[0002]无线电能传输技术改变了传统通过导线连接传输电能的方式，除了能够提高人们用电的便利性外，在一些特殊的场合具有必要性，如人体内电子装置、高电压隔离、防爆等很多需要非接触供电场合。目前无线充电技术得到学术界和企业界的广泛关注，但无线电能传输技术普遍存在传输效率较低的问题，而磁耦合线圈是高频损耗是关键因素之一。
[0003]磁耦合式无线电能传输的基本原理是通过高频逆变电路向发射侧电感线圈通入一个高频电流激励，该高频电流产生的磁场经过空间親合到接收侧的电感线圈，从而把能量传送到接收侧，实现电能的无线传输。整个无线电能传输系统主要由高频逆变电路，发射侧和接收侧磁耦合结构，阻抗匹配电路，整流电路和的控制电路等组成，基本的一种磁谐振耦合式电路如说明书附图1所示。对于无线电能传输系统，其中发射侧和接收侧磁耦合结构是关键之一。
[0004]磁耦合结构种类繁多，仅从绕组的形状上可大体分为3种，平面螺旋线圈、8字形线圈和螺线管线圈，其立体图和断面图分别如说明书附图2、图3、图4所示。其中201、301和401表示绕组，202、302和402表示磁芯。
[0005]对于平面螺旋形线圈结构来说，采用一根导体均匀或不均匀沿半径布置绕制而成，根据应用要求可以在绕组一侧加上磁芯或不加磁芯。图5是10匝导线均匀绕制的平面螺旋形线圈的磁力线分布，其中501是磁芯，502是绕组，绕组上的电流同方向。相应的导体电流密度分布云图如图6所示。在图上可以看出，磁力线的分布虽然很复杂，但基本上在螺旋形线圈圆环内侧和外侧的磁场强度大，且沿着半径方向的磁场强度分布是不均匀。根据电磁感应原理，高频磁场就会在线圈导体上产生涡流损耗，而且导体涡流损耗与导体所在位置的磁场强度有很大正相关关系，各匝导体的电流密度分布如图6所示。图6显示磁场强度大的地方导体的电流密度大。针对其他的平面螺旋形线圈，如长方形、六边形等结构也具有该特征。
[0006]针对8字形线圈结构，8字形线圈通常也称为DD形线圈，其特征在于两个绕组产生的磁通大小相等方向相反。图7是8字形线圈产生的磁力线分布，其中701是磁芯，702和703是绕组，绕组702和703的电流方向相反。从图7可以看出磁力线沿y轴对称分布，在绕组702和703的端部，磁力线密集，磁场强度大，且沿X方向分布是不均匀。各匝导体的电流密度云图如图8所示，在磁场强度大的地方导体的电流密度大，绕组损耗也大。
[0007]针对扁螺线管形线圈，应用在无线充电中的螺线管形线圈一般是带有磁芯的，并呈扁平状，主要用于提高耦合系数。图9是螺线管形线圈的磁力线分布，其中901是磁芯，902和903是绕组，绕组902和903的电流方向相反。从图9可知，磁力线沿y轴对称分布，磁力线集中在绕组902和903的两端，绕组902和903的端部磁场强度最大，而中间部分较小，在x方向分布不均匀。从绕组的电流密度云图(如图10)可以看出，绕组902和903的端部电流密度最大。
[0008]上述的磁耦合线圈中全是采用同一规格的导体绕制。这样便于制造，但是绕组涡流损耗较大。为了降低绕组涡流损耗，目前常用的方法是选择规格较高的Litz线绕制。
[0009]根据电磁场理论，导体的涡流损耗与导体所载电流以及所在位置的磁场强度有关。在导线规格一定的情况下，磁场越大的地方，导体涡流损耗越大;励磁频率越高，涡流损耗越大；同时还与导体的规格(包括圆导体直径，Litz线股径和股数)有很大关系，而且针对一定的频率，一定的磁场强度，存在涡流损耗最低的绕组规格。由于上述各种线圈结构在不同位置上产生的磁场强度不同，因此具有最低涡流损耗的线圈导体规格是不同的。但是现有技术的各种线圈均采用同一个规格导体绕制，这就导致各个位置的导体无法获得最低的涡流损耗，导致线圈总的涡流损耗较大。
【发明内容】
[0010]有鉴于此，本发明的目的是提出一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法，可以有效地减小高频绕组损耗，从而提高无线充电系统的传输效率。
[0011]本发明采用以下方案实现:线圈由不同规格的各段导线组成，在磁场强度大的位置，绕组采用相对细的导线;在磁场强度小的位置，绕组采用相对粗的导线。
[0012]进一步地，所述导线包括漆包线、Litz线、铜箔、PCB绕组。
[0013]进一步地，所述导线为漆包线时，在磁场强度大的位置采用相对细的导线，在磁场强度小的位置采用相对粗的导线。
[0014]进一步地，所述导线为Litz线时，当Litz线的股数固定时，在磁场强度大的位置采用股径细的Litz线;在磁场强度小的位置采用股径粗的Litz线。
[0015]进一步地，所述导线为Litz线时，当Litz线的股径固定时，在磁场强度大的位置采用股数少的Litz线;磁场强度小的位置采用股数多的Litz线。
[0016]进一步地，所述导线采用铜箔时，在磁场强度大的位置采用薄的导线;在磁场强度小的位置采用厚的导线。
[0017]进一步地，所述导线为PCB绕组时，在磁场强度大的位置PCB绕组的导线宽度窄；在磁场强度小的位置PCB绕组的导线宽度大。
[0018]由于导体的涡流损耗与导体所在位置的磁场强度有关，针对一定的频率，一定的磁场强度，存在具有最低涡流损耗的导体规格。根据电磁场理论，在一定频率下，在磁场强度越大的位置，对于圆导体线(线径)，具有最低涡流损耗的导体直径越小；而对于Litz线(股径和股数)，对给定的股径，具有最低涡流损耗的股数越少。而具有最低涡流损耗的具体线规可以根据频率和磁场强度通过电磁场理论计算得出。据此，本发明的设计能够获得最小涡流损耗。
[0019]与现有技术相比，本发明有以下有益效果:本发明可以比等线规线圈优化设计方案更进一步降低线圈绕组损耗。虽然采用变线规线圈方案增加了绕线的工艺复杂度，但对于谐振式无线充电线圈，为了保证绝缘，一般本来就需要将线圈分段，并将谐振电容分散到各段线圈中，因此变线规线圈方案实际上也不会增加绕制工艺复杂度。
【附图说明】
[0020]图1为现有的一种磁谐振耦合式电路。
[0021 ]图2为现有平面螺旋线圈的立体图和断面图。
[0022]图3为现有8字形线圈的立体图和断面图。
[0023]图4为现有螺线管线圈的立体图和断面图。
[0024]图5为现有的10匝导线均匀绕制的平面螺旋形线圈的磁力线分布图。
[0025]图6为现有的10匝导线均匀绕制的平面螺旋形线圈的导体电流密度分布云图。
[0026]图7为现有的8字形线圈产生的磁力线分布图。
[0027]图8为现有的8字形线圈各匝导体的电流密度云图。
[0028]图9是现有的螺线管形线圈的磁力线分布图。
[0029]图10为现有的螺线管形线圈的电流密度云图。
[0030]图11为本发明实施例中平面螺旋形线圈不同位置磁场强度的大致分布图和对应的变线规绕组结构示意图。
[0031]图12为本发明实施例中变股数Litz线环形线圈示意图。
[0032]图13为本发明实施例中固定股数Litz线环形线圈示意图。
[0033]图14为本发明实施例中漆包线绕制的8字形线圈不同位置磁场强度的大致分布图和对应的变线规结构示意图。
[0034]图15为本发明实施例中漆包线绕制的螺线管线圈不同位置磁场强度的大致分布图和对应的变线规结构示意图。
[0035 ]图16为本发明实施例中PCB绕组绕制的线圈俯视图。
[0036]图17为本发明实施例中PCB绕组绕制的线圈断面图。
[0037]图18为本发明实施例中铜箔绕制的线圈俯视图。
[0038]图19为本发明实施例中铜箔绕制的线圈断面图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0040]本实施例提供了一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法，具体为:用不同规格的多段导线绕制线圈，在磁场强度大的位置，采用细的导线作为绕组;在磁场强度小的位置，采用粗的导线作为绕组。
[0041]在本实施例中，所述导线包括漆包线、Litz线、铜箔、PCB绕组。当所述导线为漆包线时，在磁场强度大的位置采用细的导线，磁场强度小的位置采用粗的导线。当所述导线为Litz线时，当Litz线的股数固定时，在磁场强度大的位置采用股径细的Litz线;在磁场强度小的位置采用股径粗的Litz线。当所述导线为Litz线时，当Litz线的股径固定时，在磁场强度大的位置采用股数少的Litz线;磁场强度小的位置采用股数多的Litz线。当所述导线为铜箔时，在磁场强度大的位置采用薄的导线;在磁场强度小的位置采用厚的导线。当所述导线为PCB绕组时，在磁场强度大的位置PCB绕组的导线宽度窄；在磁场强度小的位置PCB绕组的导线宽度较大。
[0042]具体的，本实施例以平面螺旋形线圈为例，不同位置磁场强度的大致分布图和对应的变线规绕组结构如图11所示。图11中，1101是磁芯，1102是绕组，1104是线1103上的磁场强度。由于在螺旋形线圈的内径侧和外径侧，磁场强度较大，因此选用较细的导线，而在中间某个位置，磁场强度很小，可以采用较粗的导线，即沿半径各匝线圈圆导线的直径随着所在半径位置磁场强度的增大而减小。
[0043]在本实施例中，当线圈采用Litz线绕制时，在固定股径时，磁场强度大的位置，股数较少;磁场强度小的位置，股数较多。仍以环形线圈为例，变线规结构如图12所示。在图12中，其中1201是磁芯，1202是绕组。
[0044]在本实施例中，当固定股数时，在磁场强度大的位置，采用股径较小的Litz线;在磁场强度小的位置，采用采用股径较大的Litz线。以环形线圈为例，固定Litz线股数为4，变线规结构如图13所示。图13中，其中1301是磁芯，1302是绕组。
[0045]在本实施例中，8字形线圈结构具有和环形线圈相似的特性:当采用漆包线绕制时，磁场强度大的位置采用较细的导线，磁场强度小的位置采用较粗的导线。当采用Litz线绕制，固定股数时，磁场强度大的位置采用股经较细的Litz线，磁场强度小的位置采用股经较粗的Litz线。采用Litz线绕制，固定股径时，磁场强度大的位置采用股数较少的Litz线，磁场强度小的位置采用股数较多的Litz线。以漆包线绕制的8字形线圈为例。不同位置磁场强度的大致分布图和对应的变线规结构如图14所示。图14中，1401是磁芯，1402是绕组，曲线1404是线1403上的磁场强度分布。
[0046]在本实施例中，螺线管线圈结构具有和环形线圈相似的特性:在磁场强度大的位置采用较细的漆包线，在磁场强度小的位置采用较粗的漆包线。当采用Litz线绕制时，固定股数时，磁场强度大的位置采用股数较少的Litz线，磁场强度小的位置采用股数较多的Litz线。以漆包线绕制的螺线管线圈为例。不同位置磁场强度的大致分布图和对应的变线规结构如图15所示。图15中，1501是磁芯，1502是绕组，曲线1504是线1503上的磁场强度分布。
[0047]在本实施例中，在小功率的无线电能传输中，PCB绕组也是常用的结构之一，针对环形PCB绕组，磁场分布仍然满足内、外侧强，中间弱的特点。因此，环形PCB绕组的内侧和外侧线宽较窄，中间部分线宽较宽。其俯视图如图16所示，断面图如图17所示。
[0048]在本实施例中，在大电流场合，有时采用铜箔绕制，在绕组的内侧和外侧采用较薄的导线，中间部分可采用较厚的导线。俯视图如图18所示，断面图如图19所示。
[0049]特别的，由于本实施例提出的是导体变线规方案，因此一个线圈需要由不同规格的导线分段连接绕制，这会给绕组制造带来困难。但对于谐振式无线电能传输来说，考虑到谐振电路电感线圈各匝耐压和谐振电容的耐压，往往本来就需要将整个线圈分成多段(多圈)，而在每段(每圈)线圈间串入各个电容。这样采用变线规的方案就不会带来额外的线圈制造复杂性。
[0050]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。
【主权项】
1.一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法，其特征在于:线圈由不同规格的各段导线组成，在磁场强度大的位置，绕组采用相对细的导线;在磁场强度小的位置，绕组采用相对粗的导线。2.根据权利要求1所述的一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法，其特征在于:所述导线包括漆包线、Litz线、铜箔、PCB绕组。3.根据权利要求2所述的一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法，其特征在于:所述导线为漆包线时，在磁场强度大的位置采用相对细的导线，在磁场强度小的位置采用相对粗的导线。4.根据权利要求2所述的一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法，其特征在于:所述导线为Litz线时，当Litz线的股数固定时，在磁场强度大的位置采用股径细的Litz线；在磁场强度小的位置采用股径粗的Litz线。5.根据权利要求2所述的一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法，其特征在于:所述导线为Litz线时，当Litz线的股径固定时，在磁场强度大的位置采用股数少的Litz线；磁场强度小的位置采用股数多的Litz线。6.根据权利要求2所述的一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法，其特征在于:所述导线采用铜箔时，在磁场强度大的位置采用薄的导线;在磁场强度小的位置采用厚的导线。7.根据权利要求2所述的一种变线规无线电能传输磁耦合线圈设计方法，其特征在于:所述导线为PCB绕组时，在磁场强度大的位置PCB绕组的导线宽度窄；在磁场强度小的位置PCB绕组的导线宽度大。
【文档编号】H01F27/28GK105957701SQ201610535268
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】陈庆彬, 郑心城, 陈为
【申请人】福州大学