避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法与流程

1.本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，具体涉及一种避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法。


背景技术：

2.由于能源紧缺、环境污染等多种原因，交通运输系统的电气化已成为趋势。在铁路系统中，电力机车已经发展了很多年。火车在固定的轨道上运行，利用受电弓滑块很容易从导体轨中获得电力。
3.然而，对于电动汽车(ev)来说，高度的灵活性使其不容易以类似的方式获得电力。如果电池电量耗尽，电动汽车无法像油车那般立即准备就绪。为了克服这个问题，车主需要找到任何可能的机会为电池充电。人们可能会忘记插电，从而无法出行；地面上充电线可能带来绊倒危险；开裂旧电缆的泄漏，特别是在寒冷地区，会给业主带来额外的危险。此外，人们不得不冒着户外的恶劣天气为电车充电。这为人们的生活带来了很多困扰，而无线充电的诞生有希望讲人们从电车的困扰中解放出来，真正成为电车的主人。
4.通过无线传输能量到电动汽车，电车充电变得十分简单方便。对于一个固定的wpt系统，司机只需要停车和离开。对于动态wpt系统，这意味着电动汽车可以在行驶时供电；电动汽车可以一直不停地运行。此外，与有线充电的电动汽车相比，无线充电的电动汽车电池容量可减少20％以上。
5.汽车无线充电一般采用磁谐振耦合式，基本原理是两个具有相同谐振频率的物体之间可以实现较高的能量交换，实现这一能量交换的部件称之为耦合机构。
6.耦合机构由发射端和接收端组成，发射端整体结构尺寸有限，各板件排布紧凑，且热源较大，热量难以有效导出，最终致使发射端整体温度过高。发射端损耗(热源)主要有线圈铜损、铁氧体铁损以及金属屏蔽部件的涡流损耗。
7.铁损占整个发射端损耗的较大部分，铁氧体的合理设计可以有效减小铁氧体损耗。但是由于铁氧体自身制造成型以及排布工艺的影响，铁氧体往往存在异常排布的现象，在无线充电系统的实际运行过程中铁氧体异常排布会导致铁氧体进入深度饱和状态，从而导致铁氧体局部较大的损耗，也会增加部分金属件的涡流损耗，最终造成耦合机构的局部热点，抬升整体温度。
8.铁氧体深度饱和是指铁氧体上的磁感应强度b(t)达到铁氧体饱和值。如图1所示为所采用的铁氧体bh曲线(磁特性曲线)，纵坐标为b，横坐标为h，bs为该材料的饱和值。当b≥bs时，磁感应强度b不再随h增大而增大，即磁导率于0。饱和后的铁氧体电磁性能会急剧恶化，造成一系列的不良后果。
9.在实际生产中，最常见的也是最容易发生的铁氧体异常排布情况如图2所示，铁氧体四周表面的过度粗糙会导致铁氧体之间的接触不完全，图2(a)为铁氧体接触面积为50％情况，图2(b)为铁氧体接触面积为10％情况。同时由于铁氧体排布工艺的影响，铁氧体之间难以保持完全水平和竖直，存在角度和倾斜的现象，如图2(c)。通过有限元仿真软件计算得
到，仅存在此三种异常状态的磁心损耗比理想排布的磁心损耗大8％。这仅是三处异常排布，现实情况中异常排布的情况非常多，异常排布导致的损耗增加也格外大，不容忽视。
10.过高的温度会使得部分元器件工作异常，甚至导致产品完全失效，造成较大的经济损失和安全事故。此外，铁氧体的深度饱和还会进一步减小品质因数以及线圈自感，这对整个无线充电系统的性能都是不利的。


技术实现要素：

11.为了解决上述技术问题，本发明提供的一种避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，不仅能够解决工艺不足所带来的铁氧体排布异常的问题出现，更能够避免铁氧体进入深度饱和的问题发生，使得整个耦合系统运行工作在良好的磁场环境下，有利于无线充电系统的性能。
12.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
13.本发明提供一种避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，包括：耦合机构发射端，所述耦合机构发射端包括：背板，所述背板的中间区域上设有磁心，所述磁心上设有线圈，所述磁心由多块铁氧体组成；当磁通一定时，调控增大各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积，并且使得各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积差异趋近于0以能够实现每一块铁氧体上的磁感应强度均小于铁氧体上饱和磁感应强度。
14.本发明提供的一种避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，不仅能够解决工艺不足所带来的铁氧体排布异常的问题出现，更能够避免铁氧体进入深度饱和的问题发生，使得整个耦合系统运行工作在良好的磁场环境下，有利于无线充电系统的性能。
15.作为优选技术方案，调控增大各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积，并且使得各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积差异趋近于0所依据的计算公式如下：
16.b＝φ/s
17.式中，φ为磁通，s为磁通所通过的横截面积，b为铁氧体上的磁感应强度。
18.作为优选技术方案，调控增大各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积，并且使得各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积差异趋近于0，包括以下步骤：
19.s1初步确定每两块相邻铁氧体之间间隔值d大小的可能范围；
20.s2进一步划定每两块相邻铁氧体之间间隔值最小值为d
min
；
21.s3进一步划定每两块相邻铁氧体之间间隔值最大值为d
max
；
22.s4确定d值：划定d的范围为d
min
～d
max
，d值取值通过以下公式计算d＝(d
min
+d
max
)/2，计算得到d值；
23.s5使用厚度为d值的均匀绝缘材料设置于每两块铁氧体之间等间隔排布以能够形成等间隔正常排布的磁心。
24.作为优选技术方案，步骤s1初步确定每两块相邻铁氧体之间间隔值d大小的可能范围，包括以下步骤：建立耦合机构发射端电磁仿真，设置不同的铁氧体间隔值d，分析不同的铁氧体间隔值d下耦合机构发射端的自感、互感和耦合系数，初步确定每两块相邻铁氧体之间间隔值d大小的可能范围。
25.作为优选技术方案，调控增大各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积，并且使得
各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积差异趋近于0，还包括以下步骤：s6建立等间隔正常排布的磁心下的耦合机构发射端和非等间隔异常排布的磁心下的耦合机构发射端进行温升实验，整理温升数据，绘制温升曲线，依据绘制温升曲线比对温升数据。
26.作为优选技术方案，所述d
min
为0.3mm。
27.作为优选技术方案，所述d
max
为0.7mm。
28.本发明提供的避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，具有以下有益效果：
29.1)本发明提供的避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，采用此方法优化后的磁心可以有效防止铁氧体因深度饱和而带来的高损耗、高温以及整体耦合机构性能的下降的问题出现；
30.2)本发明提供的避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，能够有力的解决工艺不足所带来的铁氧体排布异常的问题，切实有效的调控增大各块铁氧体之间正对的面积(也就是磁通所通过的横截面积s)足够大且大小差异较小，保证每一块铁氧体上的磁感应强度的b值均小于铁氧体上饱和磁感应强度bs，使得整个耦合机构发射端运行工作在良好的磁场环境下，有效防止铁氧体进入深度饱和；
31.3)本发明提供的避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，使用推导计算出的均一d值厚度的绝缘材料将每两块相邻的铁氧体间隔开来，这样可以避免铁氧体之间由于异位排布而造成的的不良接触，有效防止铁氧体进入深度饱和。
附图说明
32.图1为背景技术提出的所采用的铁氧体bh曲线(磁特性曲线)的示意图；
33.图2为背景技术提出的最常见的也是最容易发生的铁氧体异常排布情况的示意图(图2(a)为铁氧体接触面积为50％情况，图2(b)为铁氧体接触面积为10％情况。图2(c)由于铁氧体排布工艺的影响，铁氧体之间难以保持完全水平和竖直，存在角度和倾斜的现象)；
34.图3为本发明提出的无线充电系统耦合机构发射端的示意图；
35.图4为图3提出的无线充电系统耦合机构发射端中的磁心局部放大图；
36.图5为本发明提出的等间隔正常排布的磁心下的耦合机构发射端和非等间隔异常排布的磁心下的耦合机构发射端温升曲线的示意图(虚线为等间隔正常排布的磁心下的耦合机构发射端温升曲线，实线为非等间隔异常排布的磁心下的耦合机构发射端温升曲线)；
37.图6为铁氧体磁感应强度b分布的示意图(图6(a)为采用本发明方法之前铁氧体磁感应强度b分布，图6(b)为采用本发明方法之后磁感应强度b分布)；
38.其中，1-背板；2-磁心；3-线圈；4-铁氧体；5-厚度为d值的均匀绝缘材料。
具体实施方式
39.下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
40.可以理解，本发明是通过一些实施例为了达到本发明的目的，本发明提供的避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，包括：耦合机构发射端(如图3-4所示)，所述耦合机构发射端包括：背板1，背板1材料优选金属铝，所述背板1的中间区域上设有磁心2，所述磁心2上设有线圈3，所述磁心2由多块铁氧体4组成，当磁通一定时，调控增大
各块铁氧体4之间磁通所通过的横截面积，并且使得各块铁氧体4之间磁通所通过的横截面积差异趋近于0以能够实现每一块铁氧体4上的磁感应强度均小于铁氧体4上饱和磁感应强度；调控增大各块铁氧体4之间磁通所通过的横截面积，并且使得各块铁氧体4之间磁通所通过的横截面积差异趋近于0所依据的计算公式如下：
41.b＝φ/s
42.式中，φ为磁通，s为磁通所通过的横截面积，b为铁氧体上的磁感应强度；
43.调控增大各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积，并且使得各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积差异趋近于0，包括以下步骤：
44.s1初步确定每两块相邻铁氧体4之间间隔值d(mm)大小的可能范围，建立耦合机构发射端电磁仿真，设置不同的铁氧体4间隔值d，分析不同的铁氧体4间隔值d下耦合机构发射端的自感、互感和耦合系数，初步确定每两块相邻铁氧体4之间间隔值d(mm)大小的可能范围；
45.s2进一步划定每两块相邻铁氧体4之间间隔值最小值为d
min
，d
min
不应过小(理想状态d＝0也满足要求)，因为工艺限制，太小的每两块相邻铁氧体4之间间隔值d(mm)，无法达到避免铁氧体过度饱和的目的，一般地每两块相邻铁氧体4之间间隔值d(mm)≥0.3mm；
46.s3进一步划定每两块相邻铁氧体4之间间隔值最大值为d
max
，d
max
不应过大，较大的间隔值d(mm)会降低铁氧体束缚磁场的能力，会显著增加铁氧体漏磁，从而增加背板1的涡流损耗；还需考虑耦合机构发射端空间大小，是否有足够的位置容纳d
max
，每两块相邻铁氧体之间间隔值d(mm)≤0.7mm；
47.s4确定d值：划定d的范围为d
min
～d
max
，所述d
min
为0.3mm，所述d
max
为0.7mm；d值取值通过以下公式计算d＝(d
min
+d
max
)/2，计算得到d值；
48.s5使用厚度为d值的均匀绝缘材料5设置于每两块铁氧体4之间等间隔排布以能够形成等间隔正常排布的磁心2；
49.s6建立等间隔正常排布的磁心下的耦合机构发射端和非等间隔异常排布的磁心下的耦合机构发射端进行温升实验，整理温升数据，绘制温升曲线(如图5所示)，依据绘制温升曲线比对温升数据；采取等间隔正常排布的磁心下的耦合机构发射端的温度会有15℃左右的降低；至此，完成对耦合机构发射端磁心铁氧体的优化，避免了铁氧体进入深度饱和。
50.本发明提供的一种避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，不仅能够解决工艺不足所带来的铁氧体排布异常的问题出现，更能够避免铁氧体进入深度饱和的问题发生，使得整个耦合系统运行工作在良好的磁场环境下，有利于无线充电系统的性能。
51.本发明提供的避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，包括：耦合机构发射端(如图3-4所示)，所述耦合机构发射端包括：背板1，背板1材料优选金属铝，所述背板1的中间区域上设有磁心2，所述磁心2上设有线圈3，所述磁心2由多块铁氧体4组成，当磁通一定时，调控增大各块铁氧体4之间磁通所通过的横截面积，并且使得各块铁氧体4之间磁通所通过的横截面积差异趋近于0以能够实现每一块铁氧体4上的磁感应强度均小于铁氧体4上饱和磁感应强度；调控增大各块铁氧体4之间磁通所通过的横截面积，并且使得各块铁氧体4之间磁通所通过的横截面积差异趋近于0所依据的计算公式如下：
52.b＝φ/s
53.式中，φ为磁通，s为磁通所通过的横截面积，b为铁氧体4上的磁感应强度；调控增大各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积，并且使得各块铁氧体之间磁通所通过的横截面积差异趋近于0，包括以下步骤：
54.s1初步确定每两块相邻铁氧体4之间间隔值d(mm)范围为[0,1]；
[0055]
s2进一步划定每两块相邻铁氧体4之间间隔最小值d
min
＝0.3mm；
[0056]
s3进一步划定每两块相邻铁氧体4之间间隔最大值d
max
＝0.7mm；
[0057]
s4d值取值通过以下公式计算d＝(d
min
+d
max
)/2，计算得到d值为0.5mm；
[0058]
s5使用厚度为0.5mm的均匀绝缘材料设置于每两块铁氧体4之间等间隔排布以能够形成等间隔正常排布的磁心2；
[0059]
s6建立等间隔正常排布的磁心下的耦合机构发射端和非等间隔异常排布的磁心下的耦合机构发射端进行温升实验，整理温升数据，绘制温升曲线(如图5所示)，依据绘制温升曲线比对温升数据；从图5中我们能够观察到采取等间隔正常排布的磁心2下的耦合机构发射端的温度下降了16℃；至此，完成对耦合机构发射端磁心铁氧体4的优化，避免了铁氧体4进入深度饱和；
[0060]
对采用本发明方法前后的磁场进行仿真分析，采用本发明方法之前异常排布的磁感应强度b＝0.7798t，采用本发明方法之后的磁感应强度b＝0.2586t，见图6。一般铁氧体饱和磁感应强度bs＝0.55t，异常排布处的磁感应强度b＝0.7798t已达到深度饱和，而采用本发明方法之后的磁感应强度b＝0.2586t远未饱和，可见本发明提出的方法能够有效地避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的问题出现。
[0061]
本发明提供的避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，具有以下有益效果：
[0062]
1)本发明提供的避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，采用此方法优化后的磁心可以有效防止铁氧体因深度饱和而带来的高损耗、高温以及整体耦合机构性能的下降的问题出现；
[0063]
2)本发明提供的避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，能够有力的解决工艺不足所带来的铁氧体排布异常的问题，切实有效的调控增大各块铁氧体之间正对的面积(也就是磁通所通过的横截面积s)足够大且大小差异较小，保证每一块铁氧体上的磁感应强度的b值均小于铁氧体上饱和磁感应强度bs，使得整个耦合机构发射端运行工作在良好的磁场环境下，有效防止铁氧体进入深度饱和；
[0064]
3)本发明提供的避免无线充电系统发射端磁心铁氧体进入深度饱和的方法，使用推导计算出的均一d值厚度的绝缘材料将每两块相邻的铁氧体间隔开来，这样可以避免铁氧体之间由于异位排布而造成的的不良接触，有效防止铁氧体进入深度饱和。
[0065]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明
不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。