专利名称：基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，属于磁耦合谐振式无线能量传输技术领域。
背景技术：
无线能量传输技术由于具有安全性、便捷性和广阔的应用前景而备受关注，目前已逐步开始替代了传统的导线能量传输方式。利用电磁场进行的无线能量传输主要可以分为电磁感应式和磁耦合谐振式。电磁感应式无线能量传输一般采用传统E型或者罐型等传统磁芯，往往体积和重量比较大，并且传输距离较近，大大地限制了它的应用。而无磁芯结构的磁耦合谐振式无线能量传输装置，例如，公开号为CN101316053，
公开日为2008年12月3日的中国专利《磁耦合谐振式无线能量传输装置》，存在不能够满足用电设备对大功率的要求的缺陷。
发明内容
本发明是为了解决现有磁耦合谐振式无线能量传输装置的只能进行小功率能量传输的问题，提供一种基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置。本发明所述基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，它包括能量供给电路，它还包括谐振控制电路、线圈驱动电路、能量发射侧电容器组、能量发射子系统、能量接收子系统、能量接收侧电容器组、接收能量转换电路，能量供给电路的输出直流电压作为线圈驱动电路的直流母线电压Vd。，线圈驱动电路在谐振控制电路产生的脉冲驱动信号的控制下，输出频率为f，幅值为正负vd。的交流方波信号，该交流方波信号施加到由能量发射侧电容器组和能量发射子系统的发射线圈组成的谐振回路上，所述交流方波信号频率与该谐振回路的频率一致，从而产生谐振，使该发射线圈产生磁场能量；能量接收侧电容器组和能量接收子系统的接收线圈组成的谐振回路与能量发射子系统发射的磁场进行磁耦合谐振，在能量接收子系统的接收线圈上产生电能，该电能发送给接收能量转换电路，由接收能量转换电路将其输入信号转换成负载所需直流电源电压信号。所述能量发射子系统和能量接收子系统的结构相同，能量发射子系统由屏蔽铝板、绝缘板、平板磁芯、两个卡板和传输线圈组成，屏蔽铝板上居中设置绝缘板，绝缘板上居中设置平板磁芯，平板磁芯的两端分别通过一个卡板固定在绝缘板上，传输线圈固定在平板磁芯上；能量发射子系统和能量接收子系统相对设置，且所述能量发射子系统和能量接收子系统之间留有均匀的气隙。所述传输线圈固定在平板磁芯的气隙侧表面，所述传输线圈是螺旋环形缠绕的平板形线圈，并且所述平板形线圈的外形与平板磁芯的外形相同；或者所述传输线圈螺旋环绕缠绕在平板磁芯上；所述能量发射子系统和能量接收子系统的平板磁芯的气隙侧表面分别为正多边形、圆形或椭圆形。所述平板磁芯的材料为铁磁性的金属氧化物；平板磁芯的厚度范围为Imm至 IOOmm0所述平板磁芯的材料为镍锌铁氧体或锰锌铁氧体。所述平板磁芯的相对磁导率范围为1000至10000。所述传输线圈采用绞制的相互绝缘的的奇数束极细漆包线或丝包线相互并联制成，每束极细漆包线或丝包线包括两股进线和两股出线。所述线圈驱动电路为高频全桥逆变电路；所述接收能量转换电路为高频整流及 DC/DC变换电路。所述能量发射子系统的平板磁芯的气隙侧表面的面积大于或等于能量接收子系统的平板磁芯的气隙侧表面的面积。所述能量发射侧电容器组和能量接收侧电容器组采用的电容均为小体积高频高压金属化薄膜电容，能量发射侧电容器组和能量接收侧电容器组均采用电容阵列的方式构成。本发明的优点是本发明的核心部分为由能量发射子系统和能量接收子系统两部分组成能量传输系统，其中能量发射部分在线圈驱动电路的驱动下达到设定频率，向外界发出同一频率的交变磁场，能量接收部分由于振动频率相同从而产生谐振接收磁场能量， 实现了能量无线传递。本发明与电磁感应式无线能量传输技术相比，减小了装置体积，大大提升了传输距离和效率；与无磁芯结构的磁耦合谐振式无线能量传输技术相比，降低了工作频率，减少了磁场的辐射，大大提升了传输功率，实现了较远的距离上的大功率高效率传输。本发明的传输距离范围为50mm-500mm，谐振频率范围为ΙΟΚΗζ-ΙΜΗζ，传输功率为
O.5KW-50KW。本发明装置体积小，便于安装，并且能量发射子系统与能量接收子系统之间可以承受大范围的错位，能够实现效率达90%以上的高效数千瓦级大功率无线能量传输。
图I为本发明的结构示意图；图2为实施方式三所述的传输线圈固定在磁芯的气隙侧表面的结构示意图；图3为图2的仰视图；图4为实施方式三所述的传输线圈螺旋环绕缠绕在磁芯上的结构示意图；图5为图4的仰视图；图6为线圈驱动电路的电路结构图；图7为接收能量转换电路的电路结构示意图；图8为能量发射侧电容器组或能量接收侧电容器组的结构示意图；图9为能量发射侧电容器组或能量接收侧电容器组的电路原理图；图10为能量源传递到磁芯上传输线圈的传输线示意图；图11为传输线圈的传输线的横向剖面图；符号“ · ”和“ X ”表不电流方向；
图12为传输线圈的传输线上的电流分布每一不意图；图13为传输线圈的传输线上的电流分布每二示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图I说明本实施方式，本实施方式所述基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，它包括能量供给电路1，它还包括谐振控制电路2、线圈驱动电路3、能量发射侧电容器组4、能量发射子系统5、能量接收子系统6、能量接收侧电容器组7、接收能量转换电路8，能量供给电路I的输出直流电压作为线圈驱动电路3的直流母线电压Vd。，线圈驱动电路3在谐振控制电路2产生的脉冲驱动信号的控制下，输出频率为f，幅值为正负Vd。的交流方波信号，该交流方波信号施加到由能量发射侧电容器组4和能量发射子系统5的发射线圈组成的谐振回路上，所述交流方波信号频率与该谐振回路的频率一致，从而产生谐振，使该发射线圈产生磁场能量；能量接收侧电容器组7和能量接收子系统6的接收线圈组成的谐振回路与能量发射子系统5发射的磁场进行磁耦合谐振，在能量接收子系统6的接收线圈上产生电能，该电能发送给接收能量转换电路8，由接收能量转换电路8将其输入信号转换成负载所需直流电源电压信号。所述接收能量转换电路8输出的直流电源电压信号直接用于给负载9供电。本实施方式中，能量发射子系统5、能量接收子系统6在进行能量传输时，允许相互之间有大范围的非对齐错位。谐振控制电路2能够从整体上控制无线能量传输装置的运行、停止及能够稳定功率的传输。本发明装置工作在磁耦合谐振状态，能量发射子系统5 与能量接收子系统6之间具有高品质因数，由强耦合谐振的磁场传递能量。能量发射子系统5的传输线圈与能量接收子系统6的传输线圈间具有高耦合系数，随着二者之间距离的增加，耦合系数会逐渐减小。当能量发射侧电容器组4、能量发射子系统5、能量接收子系统 6和能量接收侧电容器组7工作在磁耦合谐振状态，其电压电流均为标准正弦波，电压电流相位差为零，即，对外表现为纯阻性，并且负载上功率达到最大。所述负载9为移动设备、装置或可充电电池。谐振控制电路2，首先产生脉宽调制(PWM)驱动信号，其次经过一级推挽互补电路增大信号的驱动电流，最后经过二级专用隔离驱动模块接至MOSFET控制端，PWM驱动信号占空比可调,调节范围5% -95%，频率可调，调节范围0-ΙΜΗζ。能量发射部分，在线圈驱动电路3的驱动下达到设定频率，向外界发出该频率的交变磁场，其能量由能量供给电路I提供，同时谐振控制电路2控制整个设备的运行停止以及功率的稳定传输；能量接收部分，接收磁场能量并进行能量转换，最终在负载9上获得所需要的电压电流功率值。图I中的虚线箭头示意了传输过程中的磁力线分布。
具体实施方式
二 下面结合图2至图5说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述能量发射子系统5和能量接收子系统6的结构相同，能量发射子系统5由屏蔽铝板5-1、绝缘板5-2、平板磁芯5_3、两个卡板5_4和传输线圈5-5组成，屏蔽招板5_1上居中设置绝缘板5-2,绝缘板5_2上居中设置平板磁芯5_3，平板磁芯5-3的两端分别通过一个卡板5-4固定在绝缘板5-2上，传输线圈5-5固定在平板磁芯5-3上；能量发射子系统5和能量接收子系统6相对设置，且所述能量发射子系统5和能量接收子系统6之间留有均匀的气隙。本实施方式中所述平板磁芯5-3的外型为薄型平板状，其两个底面中至少有一面为平整面，由一块完整磁芯或多个小型磁芯部件粘合构成。屏蔽铝板5-1具有屏蔽磁场的作用，防止外界设备的干扰。屏蔽铝板5-1的厚度为O. 5_-5_。所述平板磁芯5-3背面附有材料为绝缘电木板的绝缘板。绝缘板5-2起到支撑和绝缘的作用；平板磁芯5-3两侧用非金属卡板5-4加以固定，防止应用中产生的振荡；整个能量发射子系统5最后通过非磁性材料的固定螺栓进行安装固定。
具体实施方式
三下面结合图2至图5说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述传输线圈5-5固定在平板磁芯5-3的气隙侧表面，所述传输线圈5-5 是螺旋环形缠绕的平板形线圈，并且所述平板形线圈的外形与平板磁芯5-3的外形相同； 或者所述传输线圈5-5螺旋环绕缠绕在平板磁芯5-3上；所述能量发射子系统5和能量接收子系统6的平板磁芯5-3的气隙侧表面分别为正多边形、圆形或椭圆形。所述的平板磁芯5-3上传输线圈5-5分为平面螺旋和缠绕螺旋两种方式。平板磁芯5-3可选择为对称形状。
具体实施方式
四本实施方式为对实施方式二或三的进一步说明，所述平板磁芯 5-3的材料为铁磁性的金属氧化物；平板磁芯5-3的厚度范围为Imm至100mm。平板磁芯5-3为铁磁性的金属氧化物指平板磁芯5-3为软磁铁氧体。
具体实施方式
五本实施方式为对实施方式二或三的进一步说明，所述平板磁芯 5-3的材料为镍锌铁氧体或锰锌铁氧体。
具体实施方式
六本实施方式为对实施方式二、三、四或五的进一步说明，所述平板磁芯5-3的相对磁导率范围为1000至10000。
具体实施方式
七下面结合图10至图13说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二、三、四、五或六的进一步说明，所述传输线圈5-5采用绞制的相互绝缘的的奇数束极细漆包线或丝包线相互并联制成，每束极细漆包线或丝包线包括两股进线和两股出线。所述单根漆包线的线径小于或者等于O. 5mm。漆包线束最外层用绝缘管或阻燃丝缠绕。所述的传输线圈5-5结构，在最大程度上减小了相邻导线间的不均匀分布电流。
具体实施方式
八下面结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步说明，所述线圈驱动电路3为高频全桥逆变电路；所述接收能量转换电路8为高频整流及DC/DC变换电路。所述接收能量转换电路8将高频交流电变为直流，其次对直流电进行脉宽调制信号控制的DC/DC变换，将电压升压或降压至所需值，从而达到用电设备的要求。接收能量转换电路8的高频整流桥，采用高频薄膜电容作为整流滤波电容。
线圈驱动电路3为高频全桥逆变电路，为全桥工作模式，所用功率器件为N沟道 MOSFET, MOSFET器件采用RCD吸收回路与直流母线电容双吸收的方式，有效的提高了装置的传输功率和效率。
具体实施方式
九本实施方式为对实施方式二、三、四、五、六、七或八的进一步说明，所述能量发射子系统5的平板磁芯5-3的气隙侧表面的面积大于或等于能量接收子系统6的平板磁芯5-3的气隙侧表面的面积。
具体实施方式
十下面结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九的进一步说明，所述能量发射侧电容器组4和能量接收侧电容器组7采用的电容均为小体积高频高压金属化薄膜电容，能量发射侧电容器组4和能量接收侧电容器组7均采用电容阵列的方式构成。所述多个电容串并联至所需的谐振电容值，能量发射侧电容器组4与能量接收侧电容器组7采用串联或并联结构。本发明利用了磁耦合振式无线能量传输技术，采用一定距离上的两个具有相同的特定谐振频率的电磁系统，其由于振动频率相同而产生谐振，进行能量传递。保持了磁耦合振式无线能量传输技术传输效率高、品质因数高的重要优点。本发明的能量发射侧电容器组4与能量发射子系统5的传输线圈5-5构成一个LC 振荡电路，其固有频率为f，同样，能量接收侧电容器组7与能量接收子系统6的传输线圈 5-5也构成了一个LC振荡电路，其线圈、电容器上的电压电流均为正弦波，其固有频率可通
过公式/ —配直成f。通过线圈驱动电路3的作用，一个带有能量的高频方波信号施加到能量发射子系统5的传输线圈上，其频率为f。在这一激励下，线圈将向空间内发射频率为f的交变磁场， 电能转换为磁场能量。并且由于高磁导率磁芯的加入，磁场被约束在图I中所示，虚线表示的范围内。能量接收子系统6的传输线圈的振荡频率与空间中磁场频率一致，从而产生磁耦合谐振，在该传输线圈与能量接收侧电容器组7组成的回路中获得电能，磁场能量重新转换为电能，空间进行能量交换的媒介是谐振的交变磁场。这就是本发明装置的能量传输过程，不同于传统的电磁感应无线能量传输方式。由于能量传输是通过与空间中的磁场发生特定频率下的谐振，并且应用了大传输面积的平板磁芯，传输系统能够允许较大范围内的错位和面积体积上的不一致，具有很大的实际应用意义。本发明采用了大传输面积的平板磁芯，相对于无磁芯结构的磁耦合谐振式无线能量传输装置，磁场被约束在了磁芯面积范围之内，减少了磁场的泄漏，提高了磁场密度，降低了同等场强系统所需达到的频率，在很大的程度上降低了能量供给部分、谐振电路部分的难度以及成本。图6所示，首先，线圈驱动电路3中，工频交流电(100V 380V)经过不控整流桥、 高频滤波电容滤掉高频谐波分量、大容量滤波电容滤波稳压后变为直流。图6中RCD吸收回路、母线电容的作用是消除开关管开关过程中产生的尖峰，减小对电路的冲击，提高逆变效率与功率。图7所示，接收能量转换电路8收到能量之后，首先经过由高频整流二极管组成的高频整流桥，之后经过电容行进滤波稳压，由于较高的频率更容易实现滤波稳压，所以该电容可以选取体积更小的高频薄膜电容，进一步减小了装置的体积。整流滤波输出的直流再经过DC/DC变换电路，将电压升压或降压至用电设备所需要的值，从而完成能量的接收与转化。图8和图9表明了本发明中能量发射侧电容器组4和能量接收侧电容器组7的优选方式。与传统等容值电容相比，该结构大大增加了电容的寿命以及系统的稳定性，并且由于采用PCB安装的方式，电容的更换与调试更加便捷。图10至图13表明了本发明发射接收以及传输线的原理与结构。根据麦克斯韦理论，导线中通过电流I时，产生如图13中a-b-c和d_e-f方向的磁场，平面M和N产生感应电动势，这个感应电动势在导体长度方向上产生涡流(图13中虚线所示，主电流和涡流之和在导线表面加强，趋向导线中心减弱，电流出现不均匀分布， 称为集肤效应，频率越高这一现象越严重，通常经验计算公式为导线温度25°C时集肤深
&A =//(Hz) {mm);导线温度100 V时集肤深度Δ = H (mm)。传输线线径的选取应小
于等于2Λ。本发明中采用绞制的多股极细漆包线或丝包线，又称为利兹线，将这种不均匀电流分布在每根互相绝缘的导线上，最大程度的减小了这一现象引起的交流阻抗值，降低了导线交直流阻抗比RAyRrc，减小了高频状态下线圈上的损耗，降低了线圈温度，提高了能量传输部分的安全性与稳定性。再者，导线通过相同方向或相反方向电流时由于相邻导线间的磁场作用，电流呈现相互吸引或者排斥的现象，如图12中阴影所示。本发明将传统连接至线圈的两根传输线分为多跟，并按照图11所示的方式进行重新排列，实现了磁场间的相互抵消，减小了上述的不均匀电流。与现有传统装置或技术相比，本发明具有以下几个优点1、采用平板磁芯，可实现小体积下的大功率传输，便于安装和实际应用；2、采用磁耦合谐振原理，可以实现较远距离闻效的传输；3、应用多种减小损耗的技术，实现了闻效率传输；4、可承受大范围错位,有效地提高传输便捷性。4、降低了工作频率，减小了谐振磁场引起的辐射。
权利要求
1.一种基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，它包括能量供给电路(1)， 其特征在于它还包括谐振控制电路(2)、线圈驱动电路(3)、能量发射侧电容器组(4)、能量发射子系统(5)、能量接收子系统(6)、能量接收侧电容器组(7)、接收能量转换电路(8)，能量供给电路⑴的输出直流电压作为线圈驱动电路⑶的直流母线电压Vd。，线圈驱动电路(3)在谐振控制电路(2)产生的脉冲驱动信号的控制下，输出频率为f，幅值为正负 Vdc的交流方波信号，该交流方波信号施加到由能量发射侧电容器组(4)和能量发射子系统(5)的发射线圈组成的谐振回路上，所述交流方波信号频率与该谐振回路的频率一致， 从而产生谐振，使该发射线圈产生磁场能量；能量接收侧电容器组(7)和能量接收子系统(6)的接收线圈组成的谐振回路与能量发射子系统(5)发射的磁场进行磁耦合谐振，在能量接收子系统(6)的接收线圈上产生电能， 该电能发送给接收能量转换电路(8)，由接收能量转换电路(8)将其输入信号转换成负载所需直流电源电压信号。
2.根据权利要求I所述的基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于所述能量发射子系统(5)和能量接收子系统(6)的结构相同，能量发射子系统(5)由屏蔽铝板(5-1)、绝缘板(5-2)、平板磁芯(5-3)、两个卡板 (5-4)和传输线圈(5-5)组成，屏蔽铝板(5-1)上居中设置绝缘板(5-2)，绝缘板(5-2)上居中设置平板磁芯(5-3)， 平板磁芯(5-3)的两端分别通过一个卡板(5-4)固定在绝缘板(5-2)上，传输线圈(5-5) 固定在平板磁芯(5-3)上；能量发射子系统(5)和能量接收子系统(6)相对设置，且所述能量发射子系统(5)和能量接收子系统(6)之间留有均匀的气隙。
3.根据权利要求2所述的基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于所述传输线圈(5-5)固定在平板磁芯(5-3)的气隙侧表面，所述传输线圈(5-5)是螺旋环形缠绕的平板形线圈，并且所述平板形线圈的外形与平板磁芯(5-3)的外形相同；或者所述传输线圈(5-5)螺旋环绕缠绕在平板磁芯(5-3)上；所述能量发射子系统(5)和能量接收子系统(6)的平板磁芯(5-3)的气隙侧表面分别为正多边形、圆形或椭圆形。
4.根据权利要求2或3所述的基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于所述平板磁芯(5-3)的材料为铁磁性的金属氧化物；平板磁芯(5-3)的厚度范围为 1_ 至 10Omnin
5.根据权利要求2或3所述的基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于所述平板磁芯(5-3)的材料为镍锌铁氧体或锰锌铁氧体。
6.根据权利要求2或3所述的基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于所述平板磁芯(5-3)的相对磁导率范围为1000至10000。
7.根据权利要求2或3所述的基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于所述传输线圈(5-5)采用绞制的相互绝缘的的奇数束极细漆包线或丝包线相互并联制成，每束极细漆包线或丝包线包括两股进线和两股出线。
8.根据权利要求I所述的基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于所述线圈驱动电路(3)为闻频全桥逆变电路；所述接收能量转换电路(8)为闻频整流及DC/DC变换电路。
9.根据权利要求2或3所述的基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于所述能量发射子系统(5)的平板磁芯(5-3)的气隙侧表面的面积大于或等于能量接收子系统(6)的平板磁芯(5-3)的气隙侧表面的面积。
10.根据权利要求I所述的基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于所述能量发射侧电容器组⑷和能量接收侧电容器组(7)采用的电容均为小体积高频高压金属化薄膜电容，能量发射侧电容器组(4)和能量接收侧电容器组(7)均采用电容阵列的方式构成。
全文摘要
基于平板磁芯的磁耦合谐振式无线能量传输装置，属于磁耦合谐振式无线能量传输技术领域。它解决了现有磁耦合谐振式无线能量传输装置的只能进行小功率能量传输的问题。它的能量供给电路的输出直流电压作为线圈驱动电路的直流母线电压Vdc，线圈驱动电路输出交流方波信号，并施加到由能量发射侧电容器组和能量发射子系统的发射线圈组成的谐振回路上，使发射线圈产生磁场能量；能量接收侧电容器组和能量接收子系统的接收线圈组成的谐振回路与能量发射子系统发射的磁场进行磁耦合谐振，在能量接收子系统的接收线圈上产生电能，发送给接收能量转换电路，由接收能量转换电路将其输入信号转换成负载所需直流电源电压信号。本发明用于无线能量传输。
文档编号H02J17/00GK102611209SQ20121007609
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者张剑韬, 朱春波, 李坤, 毛世通, 程志远, 苏琮皓, 逯仁贵 申请人:哈尔滨工业大学