大面积磁场均衡阵列式线圈及调节步骤及其无线充电装置的制作方法

本发明涉及电磁场领域，具体涉及大面积磁场均衡阵列式线圈及调节步骤及其无线充电装置。

背景技术：

非接触电能传输技术由于从根本上杜绝了传统接触式供电模式带来的器件磨损、接触不良、接触火花等问题，实现了电源和用电设备之间完全的电气隔离，是一种洁净、安全、灵活的新型供电模式，得到了社会的广泛关注。随着非接触电能传输技术的快速发展和广泛运用，基于非接触电能传输技术的电动汽车、小家电等设备的无线充电方式将变得切实可行。其中磁能发射和接收结构是实现无线充电技术的核心环节。工作原理为：通过电磁感应耦合技术，安装在各个用电设备内部的拾取结构从磁能发射机构中获取磁能，经过能量变换装置后为各个用电设备提供电能，从而完成用电设备的无线供电。

图1所示的磁能发射线圈是目前无线充电装置大都采用的结构，其存在的一个固有的缺陷是：磁能发射线圈产生的磁场不均衡，线圈中央位置磁场强度大，线圈周边磁场强度小，这就造成当有多个充电设备同时工作时，处于螺线管线圈中心位置6的用电设备拾取电压较高，拾取能量较大，而处于边缘位置的用电设备拾取电压较低，拾取能量较小，无法保证各个用电设备的同时正常高效电能拾取；而对于单设备充电系统来说，如果拾取机构没有定位在磁能发射线圈的中央位置，将造成能量的大量流失，充电设备工作效率较低，不利于能量的拾取。

为了实现磁能发射机构磁场均衡，专利申请号为cn101785905b的发明专利设计了一种可实现均衡磁场空间的装置，通过对磁极角度、位置和电流强度的协调控制来实现磁场空间范围功率磁场的均衡性，从而为拾取负载提供可靠的能量，但该发明只实现了在一定中心位置范围内得到均衡磁场，不能在大面积范围内产生均衡磁场。发明专利为cn99234254的发明专利设计了一种高均匀度强磁场发生器，在一个矩形箱内，同轴平行放置相互串联的4组线圈，充分考虑相邻线圈之间的间距及匝数的匹配，在线圈轴线上产生均匀稳定的磁场，但该发明同样只实现了在一定中心位置范围内得到均衡磁场，不能大面积内产生均衡磁场。专利申请号为cn90109340的发明专利通过磁场分析发明了一种能产生均匀磁场的马鞍形线圈，通过对线圈半径、位置和角度等参数的精确计算，产生了高均匀度的磁场，但该种设备设计极其复杂，成本极高，适用于作为标准磁场计量。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的设计复杂、成本高、可移植性低的问题，本发明提供了大面积磁场均衡阵列式线圈及电动汽车无线充电装置。

本发明提供了一种大面积磁场均衡阵列式线圈，其创新点在于：所述大面积磁场均衡阵列式线圈包括线圈基体，所述线圈基体上串联若干个螺线管线圈；螺线管线圈按由外到内按螺旋阵列式分布。

进一步的，所述螺线管线圈的螺旋方向均与线圈基体的螺旋方向相同。

进一步的，所述螺线管线圈的匝数和直径可调。

进一步的，所述螺线管线圈分为外部螺线管线圈和内部螺线管线圈，外部螺线管线圈环绕内部螺线管线圈；所述外部螺线管线圈一端连接线圈基体电流入口，另一端连接内部螺线管线圈；所述内部螺线管线圈一端连接线圈基体电流出口，另一端与外部螺线管线圈连接；所述外部螺线管线圈匝数多于内部螺线管线圈匝数。

本发明还提供了一种用于阵列式线圈的磁场强度均衡调节步骤，其创新点在于：所述磁场强度均衡调节步骤，具体步骤如下：步骤s1，采用磁场强度测量仪实时测量磁场强度；步骤s2，根据s1的磁场强度，选择调节方法进行相应的内部和外部螺线管线圈匝数或直径调节；步骤s3，磁场强度测量仪测量磁场强度达到均衡，停止调节。

进一步的，所述步骤s2中的调节方法包括，

方法1，调节外部螺线管线圈；所述调节外部螺线管线圈分为两种调节方法：一种调节方法，外部螺线管线圈直径不变，减少匝数；另一种调节方法，外部螺线管匝数不变，增大直径；其中内部螺线管的匝数和直径保持不变。

方法2，调节内部螺线管线圈；所述调节内部螺线管线圈同样分为两种调节方法：一种调节方法，内部螺线管线圈直径不变，较少匝数；另一种调节方法，内部螺线管匝数不变，直径增大；其中外部螺线管的匝数和直径保持不变。

方法3，将方法1和方法2混合操作；方法1与方法2操作的顺序和次数根据实际操作过程中，自行调整。

本发明还提供了一种采用阵列式线圈制作的电动汽车无线充电装置，所述电动汽车无线充电装置包括发射器、接收器、电源装置和控制系统，所述控制系统用于控制发射器和电源装置的工作状态；电源装置连接发射器，接收器设于电动汽车底部，其创新点在于：发射器包括上述采用的阵列式线圈和放置装置，所述放置装置为t字型，分为垂直柱和水平箱体，垂直柱用于固定整个发射器，水平箱体上用于放置阵列式线圈，所述放置装置的水平箱体内设有螺旋挡板，螺旋挡板将水平箱体内部空间隔出螺旋通道，所述螺旋挡板的螺旋方向与阵列式线圈中线圈基体的螺旋方向一致。

进一步的，所述水平箱体中还设有升降机构，升降机构包括支撑板和升降装置，支撑板上放置阵列式螺线管，升降装置设于支撑板底部；所述支撑板平面上开有螺旋槽，螺旋槽的螺旋方向与螺旋挡板一致，且螺旋槽的宽度与螺旋挡板的厚度相同，螺旋挡板设于螺旋槽内。

进一步的，所述升降装置包括升降件和连接件，升降件包括托盘和气缸，托盘设于气缸顶部，托盘设于支撑板底部，升降件采用星型方式布置。

进一步的，控制系统包括位置定位装置、控制器、无线装置和电源检测装置；所述控制器检测位置定位装置、无线装置和电源检测装置的工作状态；位置定位装置设于放射器上任意位置；无线装置分为无线发生器和无线接收器，无线发生器设于发射器内部，无线接收器设于电动汽车内部，无线装置将电动汽车和无线充电装置两者中的信息进行相互传输；电源检测装置设于电动汽车的电源部分，用于检测电动汽车的电源电量情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中通过调节阵列式线圈可以保证了处于线圈中心位置6上方的拾取线圈和处于线圈基体边缘处上方的拾取线圈具有相同的能量拾取能力。

(2)本发明中对各个线圈的匝数和直径调节可改变阵列式中各个线圈产生的磁场，通过磁场的干涉与叠加定理，调节各个线圈周边和中央磁场，因此，能够实现阵列式线圈中各个位置磁场的均匀分布，从而实现大面积范围内磁场的近似均衡。

(3)本发明中的无线充电装置可以同时对多个电动汽车充电，保证各电动汽车拾取能量均匀，且电动汽车可在充电范围内任意停放即可充电，不需要设定特定充电点。

(4)本发明中通过升降装置将线圈脱离放置装置可以使得维修人员在维修过程中方便对线圈进行更换。

(5)本发明中控制系统可以对阵列式线圈进行实时监控，保证充电安全，提高电动汽车无线充电装置的自动化程度，并且由于现设模块和电压自检装置的存在，大大减少了维修人员的维修工作量。

附图说明

图1是现有技术感应充电系统线圈结构示意图；

图2是本发明结构示意图；

图3是放置装置俯视图；

图4是螺旋挡板示意图；

图5是支撑板示意图；

图6是升降装置示意图；

图7是控制系统示意图。

结合附图在其上标记：

1-线圈基体电流入口，2-线圈基体电流出口，3-外部螺线管线圈，4-内部螺线管线圈，5-线圈基体，6-线圈中心位置，7-拾取线圈a，8-拾取线圈b，9-水平箱体，10-螺旋挡板，11-电压自检装置，12-螺旋槽，13-升降装置，14-升降件，15-连接件，161-无线发生器，162-无线接收器，163-位置定位装置，164-电源检测装置，165-发射器，166-接收器，167-控制器，168-人工设置模块，169-显示模块，170-报警器，171-检测模块，172-位置传感器a，173-位置传感器b。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例方式中披露了一种大面积磁场均衡阵列式线圈，如图2所示，所述大面积磁场均衡阵列式线圈包括线圈基体5，所述线圈基体5上串联若干个螺线管线圈，所述螺线管线圈按由外到内按螺旋阵列式分布，其中，在螺旋阵列方向上的各个螺线管线圈的螺旋方向均与线圈基体5的螺旋方向相同；所述螺线管线圈的匝数和直径可调，可根据实际使用中进行相应调整。所述螺线管线圈分为外部螺线管线圈3和内部螺线管线圈4，外部螺线管线圈3环绕内部螺线管线圈4；所述外部螺线管线圈3一端连接线圈基体5电流入口1，另一端连接内部螺线管线圈4；所述内部螺线管线圈4一端连接线圈基体5电流出口2，另一端与外部螺线管线圈3连接；所述外部螺线管线圈3匝数多于内部螺线管线圈4匝数。当高频电流从线圈基体5电流入口1进入阵列式线圈，且沿着阵列式线圈流通，此时，外部螺线管线圈3中心自身产生磁场强度较强，而内部螺线管线圈4中心自身产生磁场强度较弱，由于磁场内外磁场干涉，依靠外部磁场的扩散来弥补内部较低的磁场强度，在线圈中心位置6上方的拾取圈a和线圈集体边缘处上方的拾取圈b中采用磁场强度测量仪测量磁场强度，通过实时调节内部和外部螺线管线圈3匝数和直径，从而实现大面积内磁场强度的近似均衡，保证了处于线圈中心位置6上方的拾取线圈a7和处于线圈基体5边缘处上方的拾取线圈b8具有相同的能量拾取能力；因此得到磁场强度均衡调节步骤；

所述磁场强度均衡调节包括以下步骤：步骤s1，采用磁场强度测量仪实时测量磁场强度；步骤s2，根据s1的磁场强度，选择调节方法进行相应的内部和外部螺线管线圈3匝数或直径调节；步骤s3，磁场强度测量仪测量磁场强度达到均衡，停止调节。在步骤s1测量后会得到磁场强度结果是磁场强度测量仪测得线圈中心拾取圈a的磁场强度高于线圈基体5边缘处的拾取圈b的磁场强度。

其中，所述步骤s2中调节相应的内部和外部螺线管线圈3匝数或直径设有三种调节方法，在本实施例中拓展说明；所述三种调节方法包括：

方法1，调节外部螺线管线圈3。所述调节外部螺线管线圈3分为两种调节方法：一种调节方法，外部螺线管线圈3直径不变，减少匝数；另一种调节方法，外部螺线管匝数不变，增大直径；其中内部螺线管的匝数和直径保持不变。

方法2，调节内部螺线管线圈4，所述调节内部螺线管线圈4同样分为两种调节方法：一种调节方法，内部螺线管线圈4直径不变，较少匝数；另一种调节方法，内部螺线管匝数不变，直径增大；其中外部螺线管的匝数和直径保持不变。

方法3，将方法1和方法2混合操作，方法1与方法2操作的顺序和次数根据实际操作过程中，自行调整。

通过三种调节方法可以确保线圈中心位置6上方的拾取线圈a7和处于线圈基体5边缘处上方的拾取线圈b8具有相同的能量拾取能力；采用阵列式线圈进行无线充电，由于各处的磁场强度均匀，因此对充电设备不需要设定特定充电点，只需放置在充电范围内即可进行充电，同时，可以保证多个充电设备同时进行充电，不会造成能源浪费。

本实施例还提供一种采用大面积磁场均衡阵列式线圈制作的电动汽车无线充电装置，所述电动汽车无线充电装置包括发射器165、接收器166、电源装置和控制系统，所述控制系统用于控制发射器165和电源装置的工作状态；电源装置连接发射器165，接收器166设于电动汽车底部，通过发射器165将能量传射给接收器166，用于电动汽车充电。其中，发射器165包括上述采用的阵列式线圈和放置装置，所述放置装置为t字型，分为垂直柱和水平箱体9，垂直柱用于固定整个发射器165，水平箱体9上用于放置阵列式线圈，在使用过程中垂直柱和水平箱体9均设于地上。如图3-5所示，所述放置装置的水平箱体9内设有螺旋挡板10，螺旋挡板10将水平箱体9内部空间隔出螺旋通道，所述螺旋挡板10的螺旋方向与阵列式线圈中线圈基体5的螺旋方向一致，所述螺旋挡板10和水平箱体9均采用防静电材料制成，例如采用聚全氟乙丙烯或防静电聚氯乙烯板。所述水平箱体9中还设有电压自检装置11，电压自检装置11设于阵列式线圈在水平箱体9中螺旋排列时，每个拐角处设有一个分线路，电压自检装置11设于分线路上，用于检测该段阵列式线圈工作状态是否正常。当充电装置中阵列式线圈出现故障，通过电压自检可以分段检测阵列线圈中螺线管，减小检测工作量，所述电压自检装置11将信号传输给控制系统，通过控制系统可实时检测发射器165工作是否正常。

当通过电压自检装置11传输的信号发生变动，表明其阵列线圈中的螺线管出现故障，此时，派出维修人员进行检修，为方便维修人员的操作，在所述放置装置的水平箱体9中还设有升降机构，升降机构将阵列式线圈与水平箱体9进行分离，方便维修人员对其进行更换。所述升降机构包括支撑板和升降装置13，支撑板上放置阵列式螺线管，升降装置13设于支撑板底部，通过升降装置13动作带动阵列式线圈的升降。所述支撑板平面上开有螺旋槽12，螺旋槽12的螺旋方向与螺旋挡板10一致，且螺旋槽12的宽度与螺旋挡板10的厚度相同，螺旋挡板10设于螺旋槽12内。所述螺旋槽12的槽壁上设有毛毡或橡胶，避免螺旋槽12的槽壁和螺旋挡板10之间在升降过程中产生磨损。在升降过程中支撑结构的不同会使得升降的平稳度发生变化，而在本实施方式中为了能够使得支撑板在升降过程中的平稳度得到保证，设有升降装置13，升降装置13包括升降件14和连接件15，升降件14包括托盘和气缸，托盘设于气缸顶部，托盘设于支撑板底部，升降件14采用星型方式布置，如图6所示，通过气缸运动带动支撑板上下运动；由于升降件14采用星型布置，因此连接件15呈星型状，在连接件15的每个星型端部和连接件15的中心位置处均设有升降件14，在实施方式中升降件14的总数为5个，可以保证在升降过程中支撑板受到均匀力。通过这样设计通过升降装置13将线圈脱离放置装置可以使得维修人员在维修过程中方便对线圈进行更换。

为提高电动汽车无线充电装置的自动化程度，通过控制系统控制电动汽车整个充电过程以及方便对阵列式线圈的维修。本实施例中，如图7所示，控制系统包括位置定位装置163、控制器167、无线装置和电源检测装置164；所述控制器167检测位置定位装置163、无线装置和电源检测装置164的工作状态，通过控制器167进行实时监测，位置定位装置163设于放射器上任意位置，用于检测电动汽车在停车时离发射器165之间的距离，当电动汽车离发射器165的距离超出可充电范围，则将信号传输给控制器167，由控制器167将信号通过无线装置传输给驾驶员，驾驶员将电动汽车停放在充电范围内。其中，无线装置分为无线发生器161和无线接收器162，无线发生器161设于发射器165内部，无线接收器162设于电动汽车内部，无线装置将电动汽车和无线充电装置两者中的信息进行相互传输，确保电动汽车完成充电过程。控制系统中的电源检测装置164设于电动汽车的电源部分，用于检测电动汽车的电源电量情况，电源检测装置164中设定电动汽车中的电量低于30％，自动充电；当电动汽车中电量低于30％，电源检测装置164将信号传射给控制器167，控制器167启动发射器165和接收器166，将无线充电装置中的能量传输给电动汽车，当电动汽车电量达到100％，电源检测装置164将信号传输给控制器167，控制器167关闭电动汽车接收器166，此时断开能量传输过程，避免对电动汽车的电源过充，起到过充保护。控制器167还接收电压自检装置11信号，控制系统还包括监测模块，用于检测螺旋通道中阵列式线圈工作状态，所述监测模块包括人工设置模块168、显示模块169、报警器170和检测模块171，人工设置模块168用于人工设置每段螺旋通道中阵列式线圈的电压工作范围，显示模块169用于显示电压自检装置11中检测到的电压值，检测模块171用于对比电压自检装置11中电压值是否处于人工设置模块168设定的电压工作范围；报警器170用于通知维修人员；当超过电压工作范围，检测模块171将信号传输给控制器167，则控制器167启动报警器170，由报警器170通知维修人员。这样可以对阵列式线圈进行实时监控，保证充电安全，同时节省了通知维修的时间，并且由于现设模块和电压自检装置11的存在，大大减少了维修人员的维修工作量。

为了方便对阵列式线圈维修，控制系统中还包括位置传感器a172和位置传感器b173，所述位置传感器a172设于水平箱体9侧壁顶部，位置传感器b173设于水平箱体9内部侧壁底部，在阵列式线圈工作时，支撑板高度与位置传感器b173高度一致。当需要对阵列式线圈进行维修时，通过控制器167控制升降件14动作，将支撑板升起，当支撑板高度超过位置传感器a172所在高度，则升降件14停止动作；当更换或维修阵列式线圈后控制器167控制升降件14做下降运动，支撑板到达位置传感器b173高度，升降件14停止动作。

通过采用阵列式线圈制作无线充电设备，使得在充电范围内多个电动汽车同时进行充电，由于阵列式线圈的磁场强度均匀，因此各电动汽车拾取能量均匀，且电动汽车可在充电范围内任意停放即可充电，不需要设定特定充电点。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。