本发明涉及一种适用于磁场耦合式无线充电系统中的多线圈激励结构，属于变压器或电能变换领域。
背景技术：
：：无线充电技术(wirelesspowertransfer,wpt)指供电设备与电子接收设备之间不存在物理上的连接，通过磁场耦合、微波、电场耦合等形式来传输电能。传统的接触式充电方式由于存在摩擦、磨损和裸露导线，很容易产生接触火花，影响供电的安全性和可靠性，缩短电气设备的使用寿命。与其相比，无线充电技术具有安全、方便、无火花、无磨损及免维护等优点，因而在交通运输、医疗器械、便携通信、航空航天、水下探测等领域均已得到了应用。与电场耦合wpt和微波wpt相比，磁场耦合wpt具有中距离传输、低电磁辐射的特点，因而适用于构建无线充电平台。对于目前的磁场耦合式非接触充电平台，chun-hunghu,ching-muchen,ying-shingshiao,tung-tungchanandtsair-rongchen,“developmentofauniversalcontactlesschargerforhandhelddevices,”ieeeisie,2008,pp.99-104所研究的单螺旋线圈磁场强度从中心到边缘非线性减小，当拾取线圈放置在区域边缘时，磁场耦合能力弱，需要很大的激励电流才能提供足够的电能。为了能够产生均匀磁场，解除对拾取线圈位置的限制，xunliu,s.y.hui.optimaldesignofahydridwindingstructureforplanarcontactlessbatterychargingplatform.ieeetransactionsonpowerelectronics,2008,23(1):455-463将一个集中线圈和一个平面螺旋线圈同轴放置，集中线圈产生的磁场强度从边缘到中心逐渐减小，与单螺旋线圈恰好相反，将两种线圈的特性相结合从而获得均匀磁场。s.y.hui,wing.w.c.ho.anewgenerationofuniversalcontactlessbatterychargingplatformforportableconsumerelectronicequipment.ieeetransationsonpowerelectronics,2005,20(3):620-627提出了三层pcb线圈阵列结构，将线圈多层交错重叠放置，利用不同位置多个线圈的此消彼长来获得分布均匀的磁场。但这种结构将会减弱最大磁场，而且用铜量也会大大增加。单个平面线圈构成的无线能量传输区域，能量传输的距离和方向都受到很大的限制。huangjuntao,chenqianhong.designandrealizationofafourcoilexcitedwirelesspowertransmissionregionviamagneticresonances.ieeeappliedpowerelectronicsconferenceandexposition(apec),2014:1323-1328.提出了由四个平面螺旋线圈构成的空间无线供电区域。虽然在空间四个线圈激励充电区域内磁场分布更加均匀，但是因为四个线圈通入同相激励电流，供电区域中磁场强弱的分布存在固定规律，所以仍然会有感应盲区存在。上述基于同相激励条件下多线圈wpt系统，充电区域内总会存在某一位置，使得穿过拾取线圈的磁通量为零，所以不可避免地会存在感应盲区的问题。为解决这一问题，m.budhia,granta.covic,johnt.boys.magneticdesignofathree-phaseinductivepowertransfersystemforroadwaypoweredelectricvehicle.ieeevehiclepowerandpropulsionconference(vppc),2010.研究三相激励条件下的单向和双向两种行波磁场，通过磁场的运动来消除感应盲区。然而该结构产生的行波磁场在运动路径上无法闭合，线圈两端的磁场分布规律与中间相比有较大差异，即存在边缘效应，同样会使得磁场分布不均匀。如何构建一个磁场分布均匀、无感应盲区的区域，成为磁场耦合式非接触充电平台设计的难点。技术实现要素：发明目的：为了克服上述现有磁场耦合式充电平台磁场分布不均匀、存在感应盲区的缺陷，提供一种行波磁场运动路径闭合、无感应盲区的多线圈激励磁场耦合式无线充电平台。技术方案：多线圈激励磁场耦合式无线充电平台，包括第一部分线圈和第二部分线圈；第一部分线圈由若干个形状一致的平面螺旋线圈组成，或由若干个形状一致的集中线圈组成，所述平面螺旋线圈或集中线圈形成阵列排布，各线圈的几何中心连线形成正多边形，且第一部分线圈整体的几何中心与所述正多边形的中心相重合，第一部分线圈的各线圈所通入的交流激励之间存在相位差；所述第二部分线圈包括一个螺旋线圈或集中线圈，并位于所述第一部分线圈的上层或下层的几何中心，所述第二部分线圈与所述第一部分线圈中各个线圈均有部分重叠。进一步的，所述第二部分线圈覆盖所述第一部分线圈中各线圈的几何中心连线形成的正多边形。进一步的，所述第一部分线圈中至少有一个线圈不共面，所述第二部分线圈与所述第一部分线圈中各个线圈重叠位置均保持相对平行。进一步的，所述第一部分线圈中线圈之间存在部分面积重叠。进一步的，所述第一部分线圈的平面螺旋线圈或集中线圈以及第二部分线圈的螺旋线圈或集中线圈的形状为正多边形或圆形。进一步的，所述第一部分线圈的各线圈分别单独提供交流激励，或将其中部分线圈串联后由一个交流激励供电。进一步的，所述交流激励是电压激励或电流激励。进一步的，所述平面螺旋线圈或集中线圈为单根实心导线、铜管、litz线或者pcb绕组。多线圈激励磁场耦合式无线充电平台，包括第一部分线圈和第二部分线圈；第一部分线圈由若干个形状一致的分布式绕组构成，所述分布式绕组采用波绕组的形式或叠绕组的形式，每段分布式绕组的单元形状为三角形、矩形或圆弧形；第一部分线圈中，各分布式绕组以同一中心轴线叠放，并依次绕所述中心轴线转过相同角度，各分布式绕组的各单元的几何中心连线形成正多边形，各分布式绕组所通入的交流激励之间存在相位差；所述第二部分线圈包括一个螺旋线圈或集中线圈，并位于所述第一部分线圈的上层、下层或与第一部分同一平面的几何中心。有益效果：本发明与现有磁场耦合式无线充电平台结构相比的主要技术特点是，第一部分各线圈的空间位置与激励相位不同，因而可以在充电区域内产生行波磁场。第一部分各线圈形成行波磁场的运动路径闭合，缓解了行波磁场边缘效应的影响，第二部分线圈处于充电区域的中心位置，解决了在中心区域由于磁场相互抵消而产生的感应盲区的问题。整个充电区域内磁场分布均匀且无感应盲区，适用于大多数非接触式电能传输场合。附图说明图1(a)和1(b)是本发明中的一种3个矩形平面螺旋线圈绕制形式的第一部分线圈结构示意图与整体结构图；图2(a)和2(b)是本发明中的一种4个矩形平面螺旋线圈绕制形式的第一部分线圈结构示意图与整体结构图；图3(a)和3(b)是本发明中的一种4个矩形集中线圈绕制形式的第一部分线圈结构示意图与整体结构图；图4(a)和4(b)是本发明中的一种4个正五边形平面螺旋线圈绕制形式的第一部分线圈结构示意图与整体结构图；图5(a)和5(b)是本发明中的一种4个圆形平面螺旋线圈绕制形式的第一部分线圈结构示意图与整体结构图；图6(a)和6(b)是本发明中的一种6个三角形平面螺旋线圈绕制形式的第一部分线圈结构示意图与整体结构图；图7(a)和7(b)是本发明中的一种4个矩形平面螺旋线圈绕制形式的不共面第一部分线圈结构示意图与整体结构图；图8是本发明的一种4个矩形平面螺旋线圈绕制的重叠式第一部分线圈结构示意图；图9是本发明中的第一部分4个矩形平面螺旋线圈绕制的对角线圈反向串联分别由一个激励供电的结构示意图；图10是本发明中的一种集中式线圈的x方向的磁势分布图；图11是本发明中的沿x轴正向前进的基波磁势示意图；图12是本发明中的沿y轴正向前进的基波磁势示意图；图13是本发明中的一种第一部分四线圈行波磁场仿真图；图14是本发明中的一种五线圈激励充电平台的磁场仿真图；图15是本发明中的一种五线圈激励充电平台第一部分线圈行波磁场分析图；图16的(a)和(b)分别是本发明中的矩形平面螺旋线圈行波磁场运动路径闭合与不闭合的仿真图；图17是本发明的矩形平面螺旋线圈第一部分线圈、第二部分线圈、检测线圈的检测路径图；图18(a)和18(b)是本发明中的一种分布式波绕组圆弧形单元的第一部分线圈结构示意图与整体结构图；图19(a)和19(b)是本发明中的一种分布式波绕组矩形单元的第一部分线圈结构示意图与整体结构图；图20(a)和20(b)是本发明中的一种分布式波绕组三角形单元的第一部分线圈结构示意图与整体结构图；图21(a)和21(b)是本发明中的一种分布式叠绕组圆弧形单元的第一部分线圈结构示意图与整体结构图。具体实施方式下面结合附图对本发明做更进一步的解释。多线圈激励磁场耦合式无线充电平台，包括第一部分线圈和第二部分线圈。第一部分线圈由若干个形状一致的平面螺旋线圈组成，或由若干个形状一致的集中线圈组成，平面螺旋线圈或集中线圈形成阵列排布，各线圈的几何中心连线形成正多边形，且第一部分线圈整体的几何中心与正多边形的中心相重合，第一部分线圈的各线圈所通入的交流激励之间存在相位差。第二部分线圈包括一个螺旋线圈或集中线圈，并位于第一部分线圈的上层或下层的几何中心，第二部分线圈与第一部分线圈中各个线圈均有部分重叠。参见附图1，第一部分有三个线圈，线圈形状为矩形，且为平面螺旋线圈；三个线圈成品字形排列并位于同一个平面内，且三个线圈紧密不重叠排列，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合三角形路径。第二部分有一个线圈，线圈形状为矩形平面螺旋线圈，该线圈位于第一部分线圈的上层或下层的几何中心，且该线圈覆盖了第一部分线圈中各线圈的几何中心连线形成的正多边形的范围。此时对于放置在充电区域中心位置不同尺寸的接收线圈，均可以耦合到足够的磁场，减小了接收线圈尺寸的影响。第一部分和第二部分的线圈形状还可以是三角形、矩形、圆形或其他正多边形，可以是集中线圈或平面螺旋线圈。参见附图2，第一部分有四个线圈，线圈形状为矩形，且为平面螺旋线圈；四个线圈位于同一个平面内，且四个线圈紧密不重叠排列，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合正四边形路径。第二部分有一个矩形平面螺旋线圈，该线圈位于第一部分线圈的上层或下层的几何中心，且该线圈覆盖了第一部分线圈中各线圈的几何中心连线形成的正多边形的范围。参见附图3，第一部分有四个线圈，线圈形状为矩形，且为集中线圈；四个线圈位于同一个平面内，且四个线圈紧密不重叠排列，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合正四边形路径。第二部分有一个矩形集中线圈，该线圈位于第一部分线圈的上层或下层的几何中心，且该线圈覆盖了第一部分线圈中各线圈的几何中心连线形成的正多边形的范围。参见附图4，第一部分有四个线圈，线圈形状为正五边形，且为螺旋线圈；四个线圈位于同一个平面内，且四个线圈紧密不重叠排列，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合正四边形路径。第二部分有一个线圈，线圈形状是正五边形，该线圈位于第一部分线圈的上层或下层的几何中心，与第一部分线圈中各个线圈均有部分重叠。参见附图5，第一部分有四个线圈，线圈形状为圆形，且为螺旋线圈；四个线圈位于同一个平面内，且四个线圈紧密不重叠排列，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合正四边形路径。第二部分有一个圆形平面螺旋线圈，该线圈位于第一部分线圈的上层或下层的几何中心，与第一部分线圈中各个线圈均有部分重叠。参见附图6，第一部分有六个线圈，线圈形状为正三角形，且为平面螺旋线圈；六个线圈位于同一个平面内，且六个线圈紧密不重叠排列，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合正六边形路径。第二部分有一个正三角形平面螺旋线圈，该线圈位于第一部分线圈的上层或下层的几何中心，与第一部分线圈中各个线圈均有部分重叠。参见附图7，第一部分有四个线圈，线圈形状为矩形，且为平面螺旋线圈，其中两个线圈上下排布并位于同一个平面内，另两个线圈上下排布并位于另一个平面内，两个平面相交，四个线圈形成v型结构，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合的六边形路径，类似书页形状。第二部分有一个螺旋线圈，该螺旋线圈的形状与第一部分线圈的行波磁场的运动路径形状相同，并位于第一部分的中央与第一部分平行设置。采用不共面设置时，供电区域范围可以由平面扩展至空间。此时接收线圈在充电区域内在旋转一定的角度时也可以接收能量。参见附图8，第一部分有四个线圈，线圈形状为矩形，且为螺旋线圈；四个线圈位于同一个平面内，且四个线圈之间均有部分重叠排列，行波磁场的运动路径如图中虚线所示，为一闭合正四边形路径。第二部分线圈包括一个螺旋线圈或集中线圈，并位于第一部分线圈的上层或下层的几何中心。部分重叠相当于分布绕制的一部分，由于线圈之间存在重合，增加了线圈之间的耦合，使得磁场分布更加均匀，而且可以降低接收线圈的错位容忍度。参见附图9，第一部分有四个线圈，线圈形状为矩形，且为平面螺旋线圈；四个线圈位于同一个平面内，且四个线圈紧密不重叠排列，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合正四边形路径。第一部分的四个线圈对角线圈反向串联，分别由一个激励供电。第二部分线圈包括一个螺旋线圈或集中线圈，并位于第一部分线圈的上层或下层的几何中心。下面以附图2中四个矩形螺旋线圈为例，利用商用有限元仿真软件ansoft3d，阐述其产生运动路径闭合的行波磁场的原理。参见附图10，是线圈1在x坐标轴上的磁势分布图，图中线圈为集中线圈。参见附图11，是沿x轴正向前进的基波磁势。1、2线圈各自产生相应的脉振磁势，其基波分别为：式中f1是每个线圈脉振磁势基波的幅值，τ为极距，ω为激励的角频率，t为时间；利用三角函数积化和差关系将上述两个脉振磁势表达式化为：则1、2线圈在x轴向上产生的基波合成磁势就是上述式中右边四项的叠加。其中前两项为幅值相同、互差180°的正弦函数，它们和必为0。所以基波合成磁势为：当t＝0瞬时，f(x,0)＝f1sin(-πx/τ)；至t＝t1瞬间，f(x,t1)＝f1sin(ωt1-πx/τ)。将这两个瞬间的磁势波进行比较，可见磁势的幅值未变，沿空间按正弦规律分布，其波长都等于2τ，而f(x,t1)比f(x,0)向前推进了一个距离x。随着时间的推移，磁势波不断地沿着正方向移动，所以f(x,t)表示了一个幅值恒定不变、正弦分布的正向行波。参见附图12，是沿y轴正向前进的基波磁势。同理可得其表达式为：参见附图13，是第一部分线圈行波磁场仿真图。忽略边缘效应的情况下，t＝0、t＝t/4、t＝2t/4和t＝3t/4时刻的波形基本相同，只是相差了一个时间差，因而可以认为磁场在一个周期内从左向右前行，符合行波磁场的特点。参见附图14，是基于五线圈激励充电平台的第一部分线圈磁场仿真图。参见附图15，是第一部分的四个线圈产生闭合运动行波磁场的原理分析图。仿真时线圈1、2、3、4采用电流激励，分别为：i1＝10sin(2π·100k·t)、i2＝10sin(2π·100k·t+π/2)、i3＝10sin(2π·100k·t+π)、i4＝10sin(2π·100k·t+3π/2)，第二部分线圈激励与1线圈激励相同。在后处理中取距离充电平台高度1cm的平面为磁场强度观测平面。当t＝0，线圈1、3激励为0，线圈2、4激励分别达到正的最大值和负的最大值，此时线圈2、4处磁场强度最大，磁场方向由2指向4，中心区域磁场强度为0；当t＝t/4，线圈2、4激励为0，线圈1、3激励分别达到正的最大值和负的最大值，此时线圈1、3处磁场强度最大，磁场方向由1指向3，中心区域磁场强度达到最大；当t＝t/2，线圈1、3激励为0，线圈4、2激励分别达到正的最大值和负的最大值，此时线圈2、4处磁场强度最大，磁场方向由4指向2，中心区域磁场强度为0；另外半个周期内的工作情况类似，由此可见，磁场方向在一个周期内绕着充电区域的中心轴线旋转一周，从而形成在空间闭合运动的行波磁场。在同一时刻线圈1、3激励大小相同方向相反，所以产生的磁力线数量相同方向相反。同理，同一时刻线圈2、4产生的磁力线数量相同方向相反。当拾取线圈与线圈1、3的重叠面积相同，与线圈2、4的重叠面积也相同时，磁力线将完全抵消，出现磁场感应盲区。第二部分的线圈5起到了消除感应盲区的作用。参见附图16，是行波磁场运动路径闭合与不闭合的仿真对比图。当行波磁场运动路径闭合时，关于线圈轴线对称的a、b两点的磁感应强度分别为3.6mt与4.09mt，其中a点位于充电区域的边缘位置，可见，此时的端部效应影响不大。当行波磁场运动路径不闭合时，关于线圈轴线对称的a、b两点的磁感应强度分别为0.17mt与2.2mt，其中a点位于充电区域的边缘位置，与运动路径闭合时的情况相比，此时的边缘效应影响非常明显。所以本发明中通过使行波磁场运动路径闭合可以有效减小边缘效应带来的磁场分布不均匀的影响。参见附图17，是本发明中的矩形螺旋线圈第一部分实物示意图，单个螺旋线圈长11cm，宽8cm，整个充电平台的尺寸为22cm×16cm。第二部分线圈长7.5cm，宽7cm。检测线圈长6.5cm，宽6.5cm，沿着检测路径1和2每隔3.25cm作为一个检测位置(共20个检测位置)记录感应电压如下表所示。从上表中可以看出，当检测线圈在检测路径1上移动时，感应电压的最大值为1.53v，最小值为1.44v，最大值与最小值差为0.09v，占其平均值1.491v的6.0％；当检测线圈在检测路径2上移动时，感应电压的最大值为0.834v，最小值为0.812v，最大值与最小值差为0.022v，占其平均值0.8269v的2.6％。因此可以近似认为当检测线圈分别在检测路径1和检测路径2上移动时，任意位置感应电压不变，磁场均匀分布。当检测线圈位于充电区域的中心位置时，没有第二部分线圈时检测线圈的感应电压大小为0.25v，有第二部分线圈时检测线圈的感应电压大小为3.85v，所以，放置中心线圈后能够消除充电区域中的死区盲区。综上所述，本发明中的多线圈激励无线充电平台的线圈的绕制形状可为三角形、矩形、圆形或多边形等；绕组形式可为集中式、螺旋式和分布式；线圈材料可以选用单根实心导线、铜管、litz线或者pcb绕组。第一部分线圈的个数为大于等于3的整数。每个线圈的激励可为电压激励，也可为电流激励，且存在一定的相位差。每个线圈的材料、线径、匝数、长度应尽量相等，以使得充电区域内的磁场强度分布较为均匀。多线圈激励磁场耦合式无线充电平台，包括第一部分线圈和第二部分线圈。第一部分线圈由若干个形状一致的分布式绕组构成，分布式绕组采用波绕组的形式或叠绕组的形式，每段分布式绕组的单元形状为三角形、矩形或圆弧形。第一部分线圈中，各分布式绕组以同一中心轴线叠放，并依次绕中心轴线转过相同角度，各分布式绕组的各单元的几何中心连线形成正多边形，且第一部分线圈整体的几何中心与正多边形的中心相重合，各分布式绕组所通入的交流激励之间存在相位差。第二部分线圈包括一个螺旋线圈或集中线圈，并位于第一部分线圈的上层、下层或与第一部分同一平面的几何中心。参见附图18，第一部分有三个分布式波绕组，分布式绕组的单元形状为圆弧形，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合的正12边形。采用分布式绕组结构，由于各线圈之间存在重叠，所以线圈间的耦合程度会提高，使得磁场分布更加均匀，而且可以减小接收线圈的错位容忍度；第二部分线圈采用一个螺旋线圈，解决了在中心区域由于磁场相互抵消而产生的感应盲区的问题。参见附图19，第一部分有三个分布式波绕组，分布式绕组的单元形状为矩形，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合的正12边形。第二部分线圈采用一个螺旋线圈。参见附图20，第一部分有三个分布式波绕组，分布式绕组的单元形状为三角形，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合的正12边形。第二部分线圈采用一个螺旋线圈。参见附图21，第一部分有三个分布式叠绕组，分布式绕组的单元形状为圆弧形，行波磁场的运动路径如左图中虚线所示，为一闭合的正12边形。第二部分线圈采用一个螺旋线圈。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
：的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12当前第1页12