耦合装置和无线电能传输系统的制作方法

本实用新型属于无线电能传输领域，尤其涉及一种用于无线电能传输系统中的耦合装置。

背景技术：

无线电能传输是一种通过空间电磁场耦合进行电能传输的技术，其主要优点是：不需要插拔，使用简单方便；不会产生电火花，可以在易燃易爆的工业环境中使用；可以在水中进行能量传输，可以应用到海洋装备等水下应用中。基于其上述优势，目前，无线电能传输应用越来越广泛。

目前，无线电能传输技术主要采用电磁感应近场耦合技术，实现系统的高效率能量传输。该无线电能传输技术包括发射端以及接收端，通常发射端由耦合线圈及补偿电容构成的谐振网络，在高频励磁电流的激励下，产生高频交变的电磁场；接收端也是由耦合线圈及补偿电容构成的谐振网络，拾取发射端产生的电磁场的能量，并经过高频整流变换，转换为负载侧所需要的电能形式。如果发射端与接收端工作在谐振频率点附近，无线电能传输系统就可以实现高效率的能量传输。

而无线电能传输系统的发射线圈(L11)及接收线圈(L22)之间的互感(M12)直接影响了无线电能传输系统的功率耦合能力。对于无线电能传输系统而言，在满足制定的传输工作距离的基础上，最大程度的提高系统的效率，减小耦合线圈的尺寸，一直是实际应用中追求的目标。通常，磁场耦合线圈的耦合能力通常也可以用耦合系数来表征。在相同的结构限制尺寸下，何种形式的发射线圈结构与接收线圈结构可以获得最大的互感和耦合系数，直接影响了无线电能传输系统的效率等性能。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种耦合装置和无线电能传输系统，本实用新型通过耦合装置的合理配置，增强了无线电能传输系统获得的耦合能力，提高了无线电能传输的效率。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种耦合装置，包括发射线圈，以及与发射线圈间隔设置的接收线圈，发射线圈与接收线圈同轴设置，发射线圈包括由漆包线缠绕而成的第一线圈，以及形成于第一线圈内轮廓内部的第一中空部；接收线圈包括由漆包线缠绕而成的第二线圈，以及形成于第二线圈内轮廓内部的第二中空部；其中，第二线圈的外轮廓在发射线圈上的垂直投影与第一线圈的内轮廓在误差范围内重合。

作为本实用新型的进一步优化，第二线圈的外轮廓在发射线圈上的垂直投影与第一线圈的内轮廓重合的误差为第二线圈的外轮廓在发射线圈上的垂直投影相对于第一线圈内轮廓的偏差，该偏差范围为第一线圈内轮廓的0.2倍之内。

作为本实用新型的进一步优化，第一线圈的横截面为圆环形，其中第一线圈外轮廓直径为第一线圈内轮廓直径的1.1-1.5倍。

作为本实用新型的进一步优化，发射线圈与接收线圈背离面以及接收线圈与发射线圈的背离面上均设置有导磁性材质的屏蔽层。

一种无线电能传输系统，包括上述所述耦合装置。

作为本实用新型的进一步优化，进一步包括连接于电网的无线发射端，以及可接收无线发射端电能的无线接收端，耦合装置的发射线圈设置于无线发射端，接收线圈设置于无线接收端。

作为本实用新型的进一步优化，无线发射端进一步包括发射端整流滤波电路和可接收通讯信号的通信接收模块，发射端整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的传感器，传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号，传感器连接有发射端MCU，以接收传感器形成的感应信号；发射端MCU电连通信接收模块的输出端，以接收通信接收模块中的通讯信号，发射端MCU电连逆变电路的控制端，以控制逆变电路中转换的高频交流电频率；发射端MCU中包括可接收感应信号和通讯信号的判断模块以及与判断模块电连的控制模块，判断模块根据感应信号判断无线接收端是否在工作区域内，如在工作区域内，则将通讯信号转化为判断信号发送至控制模块，控制模块根据该判断信号转化为控制信号控制无线发射端的工作频率；如不在工作区域，则判断模块内形成复位判断信号，并将该复位判断信号发送至控制模块，控制模块根据该复位判断信号转化为控制信号控制无线发射端处于待机状态。

作为本实用新型的进一步优化，接收线圈内置有可增强接近式传感器感应强度的感应物。

作为本实用新型的进一步优化，无线接收端的接收线圈连接有接收端整流滤波电路，接收端整流滤波电路的输出端连接有DC/DC变换电路和辅助供电模块，其中，辅助供电模块的输出端连接接收端MCU，接收端MCU连接有可发射通信信号的通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号。

作为本实用新型的进一步优化，传感器设置于可避免电磁场干扰的发射线圈中心处。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

1、本实用新型的耦合装置，其通过发射线圈与接收线圈之间的尺寸关系，能获得较大的电流密度，而接收线圈上的电流密度与两个线圈的耦合能力(通常用互感M12或耦合系数k来表征)正相关，即使发射线圈与接收线圈之间的耦合效果最佳；

2、本实用新型通过耦合装置的合理配置，增强了无线电能传输系统获得的耦合能力，提高了无线电能传输的效率。

3、本实用新型的无线电能传输系统，能够实时监测无线接收端设备移走或放入，并将该感应信号传输至发射端MCU中，发射端MCU根据感应信号和通信信号控制和调整发射端设备的工作频率和输出增益，使无线电能传输系统更安全、稳定的工作。

附图说明

图1为本实用新型耦合装置的立体图；

图2为图1中发射线圈的结构示意图；

图3为图1中接收线圈的结构示意图；

图4为本实用新型耦合装置的剖视图；

图5为电流密度随发射线圈内外径半径变化图一；

图6为电流密度随发射线圈内外径半径变化图二；

图7为电流密度随发射线圈内外径半径变化图三；

图8为电流密度随发射线圈内外径半径变化图四；

图9为磁耦合线圈互感值随发射线圈内外径半径变化图；

图10为本实用新型无线电能传输系统的框图。

以上各图中：1、发射线圈；11、第一中空部；12、第一线圈；2、接收线圈；21、第二中空部；22、第二线圈；3、屏蔽层。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-图3所示，本实用新型提供了一种耦合装置，主要应用于无线电能传输系统中，该耦合装置包括发射线圈1，以及与发射线圈1间隔设置的接收线圈2，发射线圈1与接收线圈2同轴设置，发射线圈1包括由漆包线缠绕而成的第一线圈12，以及形成于第一线圈12内轮廓内部的第一中空部11；接收线圈2包括由漆包线缠绕而成的第二线圈22，以及形成于第二线圈22内轮廓内部的第二中空部21；其中，第二线圈22的外轮廓在发射线圈1上的垂直投影与第一线圈12的内轮廓在误差范围内重合。

进一步说明，第二线圈22的外轮廓在发射线圈1上的垂直投影与第一线圈12的内轮廓重合的误差为第二线圈22的外轮廓在发射线圈1上的垂直投影相对于第一线圈12内轮廓的偏差，该偏差范围为第一线圈12内轮廓的0.2倍之内。该处的0.2倍包括两种情况，即：第二线圈22外轮廓在发射线圈1上的垂直投影小于第一线圈12内轮廓，且形成的偏差小于第一线圈12内轮廓的0.2倍；第二线圈22外轮廓在发射线圈1上的垂直投影不小于第一线圈12内轮廓，且形成的偏差小于第一线圈12内轮廓的0.2倍。此处该偏差为第一线圈内轮廓与第二线圈外轮廓差的绝对值。

具体举例说明，以第一线圈12与第二线圈22均为圆环状说明，第二线圈22的外轮廓在发射线圈1上的垂直投影与第一线圈12的内轮廓重合的偏差范围为第一线圈12内轮廓的0.2倍之内，即第二线圈22的外轮廓直径为第一线圈12内轮廓直径的0.8-1.2倍，即若第二线圈22的外轮廓直径为9cm，则第一线圈12的内轮廓直径应为7.2cm-10.8cm，第一线圈内轮廓与第二线圈外轮廓的差值即为第二线圈外轮廓的0.2倍之内。同理，当第一线圈与第二线圈为其他形状时，因第一线圈与第二线圈同轴设置，其形状相同，则任取第一线圈内轮廓与第二线圈外轮廓相对应的点，该两点之间的差值均为第一线圈内轮廓到同轴点的距离长度的0.2倍。

上述中，发射线圈1与接收线圈2均为空心线圈，均是由漆包线缠绕形成，其中该处的漆包线并不具体限制为某一种型号，该漆包线只要具有可以导电的导线，以及包覆该导线并起到绝缘作用的绝缘层，即在本实用新型的保护范围内；同时，在本实用新型中，对于发射线圈1以及接收线圈2的具体形状并不具体限定，发射线圈1和发射线圈2只有中部形成有中空部即可。并且，本实用新型的发射线圈1与接收线圈2相背离的两侧侧面均设置有导磁性材质的屏蔽层3，即发射线圈1背离接收线圈2的一侧侧面，接收线圈2背离发射线圈1的一侧侧面上设置有上述导磁性材质的屏蔽层3。屏蔽层3的材料一般为铁氧体等高导磁性的材料，紧贴在发射线圈或接收线圈放置，屏蔽层的形状可以是圆形、环形或方形等多种形状，但一般要能够覆盖发射或接收线圈的外直径。

进一步，如图4所示，本实用新型中，第一线圈12的横截面优选为圆环形，其中第一线圈12外轮廓直径为第一线圈12内轮廓直径的1.1-1.5倍。第二线圈22的横截面也可为圆环形。

继续参见图4具体说明，定义第一线圈12的外轮廓直径为D11，内轮廓直径为D12，定义第二线圈22的外轮廓直径为D21，内轮廓直径为D22，并定义发射线圈1与接收线圈2之间的间隔为H。当D11＝(1.1-1.5)D12时，发射线圈1与接收线圈2之间可以获得较大的耦合作用，当D11＝1.25D12时，发射线圈1与接收线圈2之间的耦合力最大。而当D11＝1.1D12和D11＝1.5D12时，发射线圈1与接收线圈2之间的电流密度获得的电流密度较大，其耦合力相应达到较大值。另外，需要说明的是，在本实用新型中，对于第一线圈12与第二线圈22之间的间隔H不做具体限定，其可根据具体的对象与实际要求不同而选择。

下面结合图5-图8具体说明。其中图5-图8中的第二线圈外轮廓(后续简称外径)直径均为9cm，而内轮廓直径(后续简称内径)依次选为4cm、5cm、6cm和7cm。通过图5-图8所示，当第一线圈的内外径依次变化时，由图中所示，在第一线圈的内轮廓直径与第二线圈外轮廓直径相等时，仅为9cm时，其电流密度最大；且在第一线圈内轮廓直径为8.5cm-9.5cm附近时，其电流密度也相对较大。电流密度与耦合装置的耦合能力呈正比，电流密度较大，则耦合能力也相对较大。同时，在图5-图8中也可看出，当第一线圈12外轮廓直径为第一线圈12内轮廓直径的1.1-1.5倍时，其电流密度较大，相应的耦合能力也较大。

结合图8和图9所示，图8为当第二线圈外轮廓直径为9cm，内轮廓直径为7cm时，电流密度随第一线圈内外径半径变化趋势图，而图9为当第二线圈外轮廓直径为9cm，内轮廓直径为7cm时，磁耦合线圈互感值M12随第一线圈内外径半径变化趋势图。从图8和图9中对比看出，图8中的电流密度的大小分布所对应的第一线圈内外径与图9中磁耦合线圈互感值所对应的第一线圈内外径相一致，即电流密度与磁耦合线圈互感值呈现正相关。如图9所示，当第一线圈的内轮廓直径为9cm时，磁耦合线圈互感值M12最大，因耦合系数即耦合系数与磁耦合线圈互感值M12呈正比，当M12最大时，耦合系数也相应最大，因此，此时，耦合装置的耦合能力也最大。同时，在图9中也可看出，当第一线圈12外轮廓直径为第一线圈12内轮廓直径的1.1-1.5倍时，其磁耦合线圈互感值较大，相应的耦合能力也较大。

通过上述图4-图9中，以发射线圈和接收线圈的横截面为圆形为例进行具体说明以及实际验证可知，当发射线圈中第一线圈的内轮廓与接收线圈第二线圈的内轮廓重合时，其耦合能力最大。

参见图10，是本实用新型无线电能传输系统的框图。如图10所示，本实用新型的无线电能传输系统，包括上述耦合装置。耦合装置的作用以及效果在上述已具体详述，在此不赘述。无线电能传输系统通过安装上述耦合装置，其耦合能力达到最佳，从而提高了无线电能传输系统的传输效率。

继续参见图10，无线电能传输系统进一步包括连接于电网的无线发射端，以及可接收无线发射端电能的无线接收端，耦合装置的发射线圈设置于无线发射端，接收线圈设置于无线接收端。无线发射端进一步包括发射端整流滤波电路和可接收通讯信号的通信接收模块，发射端整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的传感器，该传感器优选设置于发射线圈的中心处，以避免电磁感应的影响；传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号，传感器连接有发射端MCU，以接收传感器形成的感应信号；发射端MCU电连通信接收模块的输出端，以接收通信接收模块中的通讯信号，发射端MCU电连逆变电路的控制端，以控制逆变电路中转换的高频交流电频率；发射端MCU中包括可接收感应信号和通讯信号的判断模块以及与判断模块电连的控制模块，判断模块根据感应信号判断无线接收端是否在工作区域内，如在工作区域内，则将通讯信号转化为判断信号发送至控制模块，控制模块根据该判断信号转化为控制信号控制无线发射端的工作频率；如不在工作区域，则判断模块内形成复位判断信号，并将该复位判断信号发送至控制模块，控制模块根据该复位判断信号转化为控制信号控制无线发射端处于待机状态。

通过发射线圈中传感器的设置，无线电能传输系统能够实时监测无线接收端设备移走或放入，并将该感应信号传输至发射端MCU中，发射端MCU根据感应信号和通信信号控制和调整发射端设备的工作频率和输出增益，使无线电能传输系统更安全、稳定的工作。

另外，为了使无线发射端能更快的感应无线接收端，上述接收线圈内置有可增强接近式传感器感应强度的感应物。

同时，无线接收端的接收线圈连接有接收端整流滤波电路，接收端整流滤波电路的输出端连接有DC/DC变换电路和辅助供电模块，其中，辅助供电模块的输出端连接接收端MCU，接收端MCU连接有可发射通信信号的通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号。另外，在无线发射端中也设置有辅助电源，以为发射端MCU供电。

上述中，接收线圈通过磁耦合将发射线圈电磁场中的能量耦合到接收端，经过整流滤波电路变为直流电，在经过DC/DC变换为负载端随需的稳定电压，为负载端供电。