二维十字交叉型共振式无线供电区域结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构，属于变压器或电能变换领域。本发明的两个原边绕组并联供电；区域结构对称，采用两个原边绕组分别绕在两个相差180°的十字交叉的直角垂直面上的方式，在两个原边绕组没有物理接触的情况下，根据磁场唯一性定理，介质和电流方向决定唯一磁场，实现了在不破坏绕阻连接的同时两个原边绕组正交，从而原边绕组在区域内实现对称。两个原边绕组正交避免了两板不穿插垂直区域因为结构不对称而引起的垂直激励线圈内部区域和垂直激励线圈外部区域的磁场强弱差异问题，实现了十字交叉结构的四个区域磁场多方向且分布均匀。适用于大多数非接触式电能传输场合。
【专利说明】二维十字交叉型共振式无线供电区域结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种适用于共振式无线供电中的磁场多方向分布较均匀的十字交叉型区域结构，属于变压器或电能变换领域。
【背景技术】
[0002]无线供电技术(Wireless Power Transfer, WPT)就是电源和电子接收设备之间没有任何物理上的连接，将电能无接触的传递给负载。WPT系统使用原副边分离的变压器，有效地克服了传统的接触式充电方式存在的安全隐患和实用性问题。根据电能传输原理，可将WPT技术分为三种:微波式WPT、电磁感应式WPT、电磁共振式WPT。共振式WPT是在共振条件下利用线圈进行能量传输。与电磁感应式WPT相比，电磁共振式WPT对线圈相对位置的敏感度减小，且能够实现较远距离的无线能量传输。与微波式WPT相比，电磁共振式WPT工作频率相对较低，低电磁辐射，可满足电磁兼容的要求。
[0003]构建一个无线供电区域，在医用、商用，家用等方面都有实际的应用前景。电磁共振式凭借中距离传输、低电磁辐射的特点，适用于构建无线供电区域。
[0004]目前的共振式非接触供电区域，Solja i M, Kurs A, Karalis A, et al,“Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]，，，Sciencexpress, 2007, 112 (6): 1-10所研究的单线圈激励的供电区域结构,磁场方向单一，不能保证接收线圈在多个方向都能够接收到足够的能量；为了解决磁场方向单一的问题，Toshio Ishizaki, Satoshi Nojiri, Tetsuya Ishida, Ikuo Awai, Ikuo Awai, “3-DFree-Access WPT system for charging movable terminals”， IEEE, 2012:219-222 提出了两个垂直不穿插线圈激励的供电区域结构，在单个激励线圈的垂直方向增加一个激励线圈，区域磁场实现多方向，但是因为区域结构的不对称，磁场分布不均匀，垂直激励线圈内部区域磁场强度大，垂直激励线圈外部区域磁场强度小；K.0’ Brien, G.Scheible,H.Gueldner, “Design of large air-gap transformers for wireless power supplies”，IEEE, 2003:1557-1562 ABB公司所研究的四边形供电区域，四个激励线圈区域结构实现了磁场的多方向，但是内部区域磁场强度大，外部区域磁场强度小，磁场分布不均匀。在为多个移动终端供电等这种需要磁场多方向且分布较均匀的场合并不适用。如何构建一个磁场多方向且分布均匀的区域，成为共振式非接触供电区域的一个值得考虑的问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了克服现有供电区域磁场分布不均匀，存在明显磁场强弱区域的问题，设计的一种实现在空间上磁场由中心点向外发散的多方向且分布较均匀的的共振式无线供电区域结构。
[0006]一种二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构，包括支撑板组成的区域结构和原边绕组，其特征在于:所述的区域结构由四块支撑板组成，四块支撑板相交于同一轴线处形成十字交叉结构，相邻支撑板彼此垂直；设四块支撑板沿顺时针依次记作板一、板二、板三、板四，所述轴线称作共轴线；上述板一和板二上均匀绕有第一螺旋型原边绕组，板三和板四上均匀绕有第二螺旋型原边绕组；上述第一螺旋型原边绕组在板一上的绕线布局和第二螺旋型原边绕组在板四上的绕线布局相同；上述第一螺旋型原边绕组在板二上的绕线布局和第二螺旋型原边绕组在板三上的绕线布局相同；上述板一上的第一螺旋型原边绕组和板三上的第二螺旋型原边绕组在共轴线处的电流方向完全一致；上述板二上的第一螺旋型原边绕组和板四上的第二螺旋型原边绕组在共轴线处的电流方向完全一致；上述第一螺旋型原边绕组和第二螺旋型原边绕组物理上互不接触，并联供电。
[0007]本发明与现有共振式非接触供电区域结构相比的主要技术特点是，两个原边绕组并联供电；区域结构对称，采用两个原边绕组分别绕在两个相差180°的十字交叉的直角垂直面上的方式，在两个原边绕组没有物理接触的情况下，根据磁场唯一性定理，介质和电流方向决定唯一磁场，实现了在不破坏绕阻连接的同时两个原边绕组正交，从而原边绕组在区域内实现对称。两个原边绕组正交避免了两板不穿插垂直区域因为结构不对称而引起的垂直激励线圈内部区域和垂直激励线圈外部区域的磁场强弱差异问题，实现了十字交叉结构的四个区域磁场多方向且分布均匀。适用于大多数非接触式电能传输场合。
[0008]所述的第一螺旋型原边绕组和第二螺旋型原边绕组的几何形状为多边形或圆形。其中所述的多边形可以为矩形或六边形。
[0009]所述的支撑板的平面几何形状为多边形或扇形。其中所述的多边形可以为矩形或六边形。
[0010]所述的支撑板可以为柔性板或硬性板。用柔性板折叠而成或亚克力等硬性板接插件、胶合组合。
[0011]所述的第一螺旋型原边绕组和第二螺旋型原边绕组所可以采用的导线为实心导线，或Litz线或者PCB绕组。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明中的一种矩形板组成的二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构的示意图；
图2是本发明中的一种圆形板组成的二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构的不意图；
图3是本发明中的一种六边形板组成的二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构的示意图；
图4是本发明中的一种矩形绕组绕制形式的结构示意图；
图5是本发明中的一种圆形绕组绕制形式的结构示意图(侧面)；
图6是本发明中的一种六边形绕组绕制形式的结构示意图(正面)；
图7是现有的一种矩形绕组绕制形式的两板不穿插垂直区域的结构示意图；
图8是本发明所述的一种二维十字交叉型区域(图8(1))和两板不穿插垂直区域的(图8(2))的磁场仿真对比图，其中(3)是磁场仿真图的线条颜色标准。
【具体实施方式】
[0013]附图非限制性公开了本发明的几个具体实施实例，结合附图对本发明作进一步描述如下。
[0014]参见附图1，其区域采用矩形板以二维十字交叉组合而成，可以用两块柔性板折叠呈90°，共直角边连接构成区域，也可以用四块刚性板通过接插件连接构成区域。
[0015]参见附图2，其区域采用圆形板以二维十字交叉组合而成。
[0016]参见附图3，其区域采用六边形板以二维十字交叉组合而成。
[0017]参见附图4，是原边绕组以矩形绕制形式绕在二维十字交叉的矩形板的示意图，图中①②③④分别表示板一、板二、板三、板四，实线描述第一原边绕组，虚线描述第二原边绕组，箭头表示电流方向，；
参见附图5，是原边绕组以圆形绕制形式绕在二维十字交叉的圆形板的侧面示意图；
参见附图6，是原边绕组以六边形绕制形式绕在二维十字交叉的六边形板的正面示意
图；
参见附图7，其区域采用两矩形板不穿插垂直组合而成；
下面以附图4中原边绕组以矩形绕制形式绕在十字交叉的矩形板区域为例，对比附图7中两板不穿插垂直区域，以两个区域的中心剖面建模，利用商用有限元仿真软件Ansoft2D，阐述其实现在空间上磁场由中心点向外发散的多方向且分布较均匀的的共振式无线供电区域结构的原理。
[0018]附图8是基于十字交叉型(图8(1))与两板垂直共振式非接触供电区域结构((图8(2))的磁场仿真结果。在同样的矩形板长宽、绕组长度、绕组线径、匝数和激励电流的条件下，两个原边绕组并联供电。区域结构对称，采用两个原边绕组分别绕在两个相差180°的十字交叉的直角垂直面上的方式，在两个原边绕组没有物理接触情况下，根据磁场唯一性定理，介质和电流方向决定唯一磁场，实现了在不破坏绕阻连接的同时两个原边绕组正交，从而原边绕组在区域内实现对称。两个原边绕组正交避免了两板不穿插垂直区域因为结构不对称而引起的垂直激励线圈内部区域和垂直激励线圈外部区域的磁场强弱差异问题，实现了十字交叉结构的四个区域磁场多方向且分布均匀。
[0019]综上所述，本发明中的二维十字交叉区域的板可用柔性板折叠、亚克力等刚性板通过接插件组合而成；二维十字交叉型区域可由矩形板，圆形板，或多边形板等构成；所述绕组的绕制形状可为矩形，圆形，或多边形等；所述绕组可以采用选用实心导线、Litz线或者PCB绕组。每个绕组的材料，线径，匝数、长度应尽量相等，以提高区域磁场强度的均匀分布。
【权利要求】
1.一种二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构，包括支撑板组成的区域结构和原边绕组，其特征在于: 所述的区域结构由四块支撑板组成，四块支撑板相交于同一轴线处形成十字交叉结构，相邻支撑板彼此垂直，设四块支撑板沿顺时针依次记作板一、板二、板三、板四，所述轴线称作共轴线； 上述板一和板二上均匀绕有第一螺旋型原边绕组，板三和板四上均匀绕有第二螺旋型原边绕组； 上述第一螺旋型原边绕组在板一上的绕线布局和第二螺旋型原边绕组在板四上的绕线布局相同；上述第一螺旋型原边绕组在板二上的绕线布局和第二螺旋型原边绕组在板三上的绕线布局相同； 上述板一上的第一螺旋型原边绕组和板三上的第二螺旋型原边绕组在共轴线处的电流方向完全一致；上述板二上的第一螺旋型原边绕组和板四上的第二螺旋型原边绕组在共轴线处的电流方向完全一致； 上述第一螺旋型原边绕组和第二螺旋型原边绕组物理上互不接触，并联供电。
2.根据权利要求1所述的二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构，其特征在于:所述的第一螺旋型原边绕组和第二螺旋型原边绕组的几何形状为多边形或圆形。
3.根据权利要求2所述的二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构，其特征在于:所述的多边形为矩形或六边形。
4.根据权利要求1所述的二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构，其特征在于:所述的支撑板的平面几何形状为多边形或扇形。
5.根据权利要求4所述的二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构，其特征在于:所述的多边形为矩形或六边形。
6.根据权利要求1所述的二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构，其特征在于:所述的支撑板为柔性板或硬性板。
7.根据权利要求1所述的二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构，其特征在于:所述的第一螺旋型原边绕组和第二螺旋型原边绕组所采用的导线为实心导线、Litz线或者PCB绕组。
【文档编号】H02J17/00GK103683531SQ201310612313
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】陈乾宏, 黄君涛, 陈文仙 申请人:南京航空航天大学