一种具有高自由度参数调节功能的无线充电线圈绕线工装及其使用方法与流程

本发明涉及无线电能传输领域线圈绕线框架设计，具体涉及一种具有高自由度参数调节功能的无线充电线圈绕线工装及其使用方法。

背景技术：

近年来，无线电能传输技术(wirelesspowertransmission，wpt)蓬勃发展，已经成为各行各业研究的热潮，其电能的传输方式主要有电磁感应式和磁耦合谐振式，而磁耦合谐振式无限能量传输(magnetically-coupledresonantwire-lesspowertransmission，mcr-wpt)在传输距离、效率、偏移性方面都比较有优势，因此被广泛应用于各个领域，而其中能量传输的关键便是一对无线充电谐振线圈。

近年来，对谐振线圈的研究一直是行业关注的热点，目前，盘式线圈一直是使用的主流，通常，一个谐振线圈会由不同粗细的导线绕制而成，一般需要围绕绕线框架进行绕制，而绕线框架一般是定制的固定模具，因此一个框架只可以绕制一种线圈，在进行线圈试验或对线圈进行优化时，难免会选择不同粗细的导线，改变线圈匝数、匝间距和长宽等进行试验，此时就需要定制新的框架模具，这不仅需要成本，还需要耗费大量的时间，往往最终也很难得出研究结论，因此需要一种能自由调节线圈中的各项参数的线圈绕线框架，为线圈的试验和优化过程提供辅助，减少所花的时间和成本，并加强试验和优化的精确度。

技术实现要素：

发明目的：提供一种具有高自由度参数调节功能的无线充电线圈绕线工装及其使用方法，使得线圈绕线工装不再具有单一性，使用者可以根据自己实验的需要自主调节线圈框架参数辅助线圈绕制，实现线圈高自由度参数调节，满足多种无线充电线圈实验和参数优化需要。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有高自由度参数调节功能的无线充电线圈绕线工装，包括盘式线圈模具和由若干可调绕线单元组成的绕线框架，其中，盘式线圈模具包括底板、侧面板和顶板，绕线框架固定安装在底板上，侧面板设置在底板四周上表面，顶板盖合在绕线框架和侧面板上，顶板、侧面板和底板固定在一起。

可选的，绕线框架由若干可调绕线单元线型排列或矩阵型排列组成，每个可调绕线单元为由两个第一绕线结构和两个第二绕线结构组成的方形结构，且两个第一绕线结构和两个第二绕线结构分别对称分布于方形结构的对边。

可选的，第一绕线结构包括至少一个第一导轨、多个平行设置的第一线圈挡片板和导轨固定装置，第一导轨设置在底板上的凹槽内，且与底板的一边垂直；第一线圈挡片板上设有与第一导轨匹配的滑动尺；导轨固定装置包括若干导轨与底板之间的固定螺丝和导轨头端的封装块，封装块安装在导轨远离侧面固定板的一端，固定螺丝均匀分别在导轨内。

可选的，第二绕线结构包括至少一个第二导轨、多个平行设置的第二线圈挡片板和导轨固定装置，第二导轨设置在底板上的凹槽内，且与底板的一边垂直；第二线圈挡片板上设有与第二导轨匹配的滑动尺；导轨固定装置包括若干导轨与底板之间的固定螺丝和导轨头端的封装块，封装块安装在导轨远离侧面固定板的一端，固定螺丝均匀分别在导轨内。

可选的，底板上设有两个第一进出线孔、若干非贯通螺纹孔和若干导轨安装槽，顶板和侧面板上均设有与底板上非贯通螺纹孔对应的贯通螺纹孔，底板、侧面板和顶板通过螺钉固定安装。

可选的，侧面板包括三个第一侧面板和一个第二侧面板，其中第一侧面板的长度与底板的边长相同，第二侧面板的长度比第一侧面板短，第二侧面板与相邻两个第一侧面板之间形成第二进出线孔。

本发明另一实施例中，一种具有高自由度参数调节功能的无线充电线圈绕线工装，包括盘式线圈模具、第一可调绕线组件、第二可调绕线组件和第三可调绕线组件，其中，盘式线圈模具包括底板、侧面板和顶板，第一可调绕线组件固定安装在底板中心位置；第二可调绕线组件有两个，且对称分布于底板两个侧边；第三可调绕线组件有四个，且对称分布于底板另外两个侧边；侧面板设置在底板四周上表面，顶板盖合在第一可调绕线组件、第二可调绕线组件、第三可调绕线组件和侧面板上，顶板、侧面板和底板固定在一起。

可选的，第一可调绕线组件、第二可调绕线组件和第三可调绕线组件均包括至少一个滑动导轨、多个平行设置的线圈挡片板和导轨固定装置，滑动导轨设置在底板上的凹槽内，第一可调绕线组件和第二可调绕线组件的滑动导轨均与底板的一对边垂直，第三可调绕线组件的滑动导轨与底板的另一对边垂直；线圈挡片板上设有与滑动导轨匹配的滑动尺；导轨固定装置包括若干滑动导轨与底板之间的固定螺丝和导轨头端的封装块，封装块安装在滑动导轨远离侧面固定板的一端，固定螺丝均匀分别在导轨内。

可选的，底板上设有两个第一进出线孔、若干非贯通螺纹孔和若干导轨安装槽，顶板和侧面固定板上均设有与底板上非贯通螺纹孔对应的贯通螺纹孔，底板、侧面固定板和顶板通过螺钉固定安装；侧面固定板包括三个与底板边长相同的侧面固定板和一个长度比底板边长短的侧面固定板，短侧面固定板与相邻两个长侧面固定板之间形成第二进出线孔。

本发明还提供了一种具有高自由度参数调节功能的无线充电线圈绕线工装的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据无线电能传输系统所需绕制线圈类型、大小和匝数，确定对应第一线圈挡片板和第二线圈挡片板的最外侧的位置和数量，松开第一导轨和第二导轨上的固定螺丝和封装块，将相应数量的第一线圈挡片板和第二线圈挡片板分别滑入第一导轨和第二导轨；

(2)根据空间需求的不同，通过底板中的第一进出线孔或者侧面固定板的第二进出线孔进行绕线，将线圈围绕第一线圈挡片板和第二线圈挡片板进行绕制，使用第一线圈挡片板和第二线圈挡片板夹紧线圈；

(3)根据所需要绕制的线圈间距，自主调整第一线圈挡片板和第二线圈挡片板的间距，调到需要的数值后，拧紧第一导轨和第二导轨上的固定螺丝，保证线圈不再因晃动改变位置；在第一导轨和第二导轨远离侧面固定板的一端封装上封装块，然后盖上顶板，拧紧顶板、侧面固定板及底板的固定螺丝，完成整个系统的封装。

(4)如果需要更换线圈的绕线半径、更改线圈的匝数和匝间距参数，重复操作步骤(1)-(3)即可。

有益效果：与现有技术相比，本发明的无线充电线圈绕线工装可以适用于多种平面盘式线圈的绕制，可以根据绕制者需要灵活改变线圈的大小，匝数，绕线半径，匝间距等设计参数，避免了多个框架的制作，为无线电能传输领域线圈的设计和优化过程节省了时间和成本。其次，本发明的设计方法和实验工装具有较高的精确度，可以准确调节线圈设计参数，具有更高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明实验工装的线圈框架的整体俯视效果图；

图2为本发明的线圈框架的盘式线圈模具整体及固定示意图；

图3为本发明的线圈挡片板和可滑动内嵌导轨封装示意图；

图4为本发明滑动尺与滑动导轨的固定方式示意图；

图5为本发明工装一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做更进一步的说明。

如图1和图2所示，一种具有高自由度参数调节功能的无线充电线圈绕线工装，包括无线电能传输系统盘式线圈模具1和绕线框架2，绕线框架包括第一可调绕线组件21、第二可调绕线组件22和第三可调绕线组件23，其中，盘式线圈模具包括底板11、侧面板12和顶板13；第一可调绕线组件固定安装在底板中心位置，包括两个沿水平中心线平行对称分布的第一导轨210、若干平行设置的第一线圈挡片板211和导轨固定装置212，导轨固定装置包括第一固定螺丝2120和封装块2121，第一导轨通过第一固定螺丝固定安装在底板上相应的凹槽内，第一线圈挡片板滑入第一导轨中，且第一导轨两端均设置有封装块。

第二可调绕线组件有两个，且对称分布于底板两个侧边；第二可调绕线组件包括两个沿水平中心线平行对称分布的第二导轨220、若干平行设置的第二线圈挡片板221和导轨固定装置212，第二导轨通过第一固定螺丝固定安装在底板上相应的凹槽内，第二线圈挡片板滑入第二导轨中，且第二导轨远离侧面板的一端设置有封装块。第二可调绕线组件中的两个平行第二导轨间距等于第一可调绕线组件中两个平行第一导轨间距。

第三可调绕线组件有四个，且对称分布于底板另外两个侧边；第三可调绕线组件包括两个平行分布的第三导轨230、若干平行设置的第三线圈挡片板231和导轨固定装置212，第三导轨通过第一固定螺丝固定安装在底板上相应的凹槽内，第三线圈挡片板滑入第三导轨中，且第三导轨远离侧面板的一端设置有封装块。第三可调绕线组件中两个平行第三导轨间距小于第一可调绕线组件中两个平行第一导轨间距。

另外，第二导轨和第三导轨长度相同，第一导轨长度大于第二和第三导轨长度，第一导轨、第二导轨和第三导轨均可称为滑动导轨。

侧面板设置在底板四周上表面，顶板盖合在第一可调绕线组件、第二可调绕线组件、第三可调绕线组件和侧面板上，顶板、侧面板和底板固定在一起。

如图2所示，本实施例中底板上设有12个非贯通螺纹孔110、2个进出线孔111和14个凹槽112，4块侧面板均设置有3个和底板非贯通螺纹孔相匹配的贯穿螺纹孔120，其中一块侧面板(图示为前板)长度小于其他侧面板长度，其与相邻侧面板之间均有一段空隙，作为2个水平进出线孔121，顶板上设有12个与侧面板贯通螺纹孔和底板非贯通螺纹孔相匹配的贯通螺纹孔130，12根螺丝贯穿顶板、侧面板和底板，使得整个盘式线圈模具得到封装。

本实施例中，导轨为非金属导轨，均内嵌在底板凹槽上，其中有2个长导轨和12个短导轨组成，如图1，底板中两个长边均分布4个短导轨，两个短边均分布2个短导轨，共12个短导轨；2个长导轨分布在底板中心线上部和下部。如图3所示，12个短导轨由两个第一固定螺丝2120进行固定，由封装块2121对导轨远离侧面板一端封装，第二线圈挡片板和第三线圈挡片板由另一端滑入，短导轨靠近侧面板的一端由于盘式线圈模具顶板已经封装，因此不需要封装板封装；2个长导轨由四个第一固定螺丝2120进行固定，两端在装完第一线圈挡片板后均用封装块进行封装，避免第一线圈挡片板滑出长导轨。

如图3和图4所示，第一、第二和第三线圈挡片板均包括一个绕线板a和两个滑动尺b，绕线板长度l3根据线圈绕制需要进行确定，滑动尺宽度l1需要略小于导轨宽度l2，这样可以保证松开螺丝时挡片板的滑动尺可以在导轨中自由滑动，当固定螺丝时，螺丝会对底板施加向下的力f1，由于下方的底板不会收缩，此时导轨侧面会有一个向内收缩的力f2，促进导轨与滑动尺夹紧，使得滑动尺固定在导轨上。

另外，每个挡片板上滑动尺的个数可以为1个或多个，相应的与其匹配的导轨个数和每个挡片板上滑动尺的个数相同。

第一、第二和第三线圈挡片板长度均可以相同，也可以不同，其长度尺寸排列可以为三角线排列、矩形排列或梯形排列等。

如图1所示的绕线框架还可以看成由图5中所示虚线框中的两个可调绕线单元3组成，如图5所示，每个可调绕线单元为由两个第一绕线结构31和两个第二绕线结构32组成的方形结构，且两个第一绕线结构和两个第二绕线结构分别对称分布于方形结构的对边。

第一绕线结构包括第一导轨组、多个平行设置的第一线圈挡片板211和导轨固定装置212，第一导轨组包括两个平行设置的第一导轨210，第一导轨设置在底板上的凹槽内，且与底板的一边垂直；第一线圈挡片板上设有两个与第一导轨组匹配的滑动尺b；导轨固定装置包括若干导轨与底板之间的第一固定螺丝2120和导轨头端的封装块2121，封装块安装在导轨远离侧面固定板的一端，固定螺丝均匀分别在导轨内。

第二绕线组件包括第二导轨组、多个平行设置的第三线圈挡片板231和导轨固定装置212，第二导轨组包括两个平行设置的第三导轨230，第三导轨设置在底板上的凹槽内，且与底板的一边垂直；第三线圈挡片板上设有两个与第二导轨组匹配的滑动尺b；导轨固定装置包括若干导轨与底板之间的第一固定螺丝和导轨头端的封装块，封装块安装在导轨远离侧面固定板的一端，固定螺丝均匀分别在导轨内。

另外，绕线框架还可以由若干可调绕线单元3线型排列或矩阵型排列组成，实现多矩形框架结构。

如果是两个矩形，绕线时，从图2中所示进出线孔111进入，围绕第一可调绕线组件、第二可调绕线组件和第三可调绕线组件上的挡片板(两个挡片板夹住绕线)逆时针或者顺时针绕线从内向外，直到一边矩形绕完后，从两个矩形中间线进入另一个线圈，再从外向内绕线，最终从另一个进出线孔111出来，如果是单矩形，绕线方法类似，可以从水平进出线孔121或者从底板上的进出线孔111进线，从另一个出，绕法与上面类似，从底板上的进出线孔111进就是从内向外绕，从水平进出线孔121进就是从外向内绕(水平进出线孔主要用在单矩形的绕制)。

本发明的无线电能传输系统盘式线圈模具适用于绕制单矩形、多矩形的无线电能传输谐振器，导轨嵌在模具中，导轨和挡片形状搭配，可以容纳多个挡片板滑动，所述导轨固定装置用于将导轨固定在线圈模具中，同时也起到固定和夹紧线圈挡片板的作用，所述多尺寸线圈挡片板装配在滑动导轨上，起到固定绕线的作用并且可自由调整。整个线圈绕线工装可以自主设置绕线匝数，可以匹配不同粗细的绕线，可以自由调整线圈的间距，并且可以在一定范围内自由设置绕线区域的大小，可以满足多种实验条件下线圈的绕制需求，适用情境较多，具有较高的灵活度和自由度。

一种具有高自由度参数调节功能的无线充电线圈绕线工装的使用方法，包括以下步骤：

(1)确定无线电能传输系统所需绕制线圈类型、大小和匝数，如果需要绕制单矩形框架，只需要用一半边框架即可，对应线圈挡片板的数量也比双矩形框架少一半，根据线圈大小可以确定挡片板的大致长度，从而确定对应线圈挡片板的最外侧的位置，松开导轨上的固定螺丝和封装块，将匝数n*2的线圈挡片板滑入12个短导轨中，如果绕制双矩形框架，将n*4的挡片板滑入2个长导轨中，如果绕制单矩形框架，将n*2的线圈挡片板滑入相应半边的长导轨中。

(2)根据空间需求的不同，通过底板中的进出线孔或者侧面板的进出线孔进行绕线，将线圈围绕挡片板进行绕制，使用2片挡片板夹紧一匝线圈。

(3)根据所需要绕制的线圈间距，自主调整挡片板的间距，因为每个导轨最外侧的挡片板已经确定，因此根据最外侧位置和间距，将每匝挡片板调到需要的数值后，拧紧导轨固定螺丝，保证线圈不再因晃动改变位置。在导轨上封装封装块，盖上顶板，拧紧顶板、侧面板及底板的固定螺丝，完成整个系统的封装。

(4)如果需要更换线圈的绕线半径，更改线圈的绕线半径、匝数、匝间距等参数，重复操作(1)-(3)即可。