无线电能传输的耦合线圈磁场动态调整的装置的制作方法

本实用新型涉及无线电能传输领域，尤其涉及无线电能传输的耦合线圈磁场动态调整的装置。

背景技术：

无线电能传输技术由于具有便捷、可靠、安全、环境适应性强等优点，摆脱了传统接触式电能传输方式的线缆及传导接口限制，可实现特殊环境下高可靠性和高绝缘要求的电能传输(例如，人体植入设备、智能药丸、高压线路、水下机器人等)。在无线电能传输系统中，电能的无线传输通过磁耦线圈的电磁感应实现。为了实现高效率、稳定的无线电能传输，要求耦合线圈的互感在线圈位置偏移时的变化较小，即位置容差大。

同时，为了使耦合线圈的互感在位置偏移时的变化较小，可采用具有“双极结构”的接收线圈，其接收端包含相互解耦的多个子线圈。多正交绕组方案虽然能够保持耦合系数，但是其功率变换电路需要进行冗余设计，造成系统设计复杂化，且其整体耦合系数的变化范围仍然较大。

采用伺服电机控制线圈位置，实现线圈位置的自动对准，也是提高耦合线圈位置容差的方法之一。但是伺服电机成本高、控制方案复杂，且存在机械寿命等问题。

另一类方法则是通过令发射线圈在接收线圈平面上产生均匀的轴向(垂直)磁场。当磁耦合结构发生相对平移时，其耦合系数与互感可维持恒定。由于这类方法需要在指定平面上产生恒定的轴向磁场，因此其磁场利用率不高，耦合系数较低。采用环形线圈与涡状线圈进行混合的线圈结构来实现均匀的轴向磁场平面。环形线圈的磁场为中间较高，而涡状线圈的磁场中间较低，两者结合可以产生大致均匀的磁场平面。但是这种方案的线圈磁场泄漏范围较大、耦合系数低、损耗大。

在现有的技术方案中，利用多子线圈正交、机械控制线圈位置、线圈列阵等方法均不能很好地满足耦合线圈在位置偏移容差方面的需求。而现有的恒定互感磁耦合结构设计方法仅能适用于结构简单的空心线圈，其耦合系数低、磁场泄漏范围大、损耗高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决现有技术问题，提供一种有效降低发射磁场范围、提高耦合系数、降低损耗的动态调整方法的应用装置。

为实现上述实用新型目的，本实用新型的技术方案是：

一种无线电能传输的耦合线圈磁场动态调整的装置，包括发射线圈，发射线圈包括多个线圈绕组，每个线圈绕组构成电流支路，所述电流支路上均设有磁芯环，磁芯环套接在所述电流支路所在的线圈绕组上，磁芯环上设有控制电感绕组，所述控制电感绕组穿过磁芯环的中部，环绕在所述磁芯环的环体上；

所述磁芯环的材料为导磁材料。

作为本实用新型的一种改进，所述磁芯环上设置有气隙。

作为本实用新型的另一种改进，所述发射线圈设置有相应的磁场屏蔽层以控制磁场泄漏范围。

作为本实用新型的另一种改进，所述磁芯环材料为铁氧体、铁粉芯、硅钢片等导磁材料。

进一步，所述发射线圈的形状和线圈绕组的数量根据设计需要确定。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用线圈电流的无源动态控制技术，实现发射线圈磁场的动态调整。不仅实现了耦合线圈位置偏移情况下的互感调整，还克服了现有方案存在的耦合系数低、磁场泄漏范围大、损耗高等缺点。

附图说明

图1为本实用新型的磁场动态调整示意图；

图2发射线圈1的等效电路图；

图3为并联支路电路图；

图4为交流感量的调整示意图；

图5为本实用新型装置结构示意图；

图6为本实用新型磁芯环结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在现有的设计方案中，一旦线圈的导体及磁芯分布确定，所产生的磁场形式也就固定。因此，发射线圈的磁场无法根据接收线圈位置及工况进行最佳化调整。

发射磁场的产生取决于导体电流分布。如果能够动态控制各导体的电流比例，那么不仅可以实现磁场的动态控制，互感也可以动态调整。

如图1所示，本实用新型的无线电能传输的耦合线圈磁场动态调整装置的原理，通过调整发射线圈1内的电流3，实现发射线圈磁场4强度与范围随接收线圈2位置进行动态调整；发射线圈内的电流通过调整发射线圈内各支路的电感量来实现，电感的调整采用无源调整的方式；无源调制是指不需要对发射线圈进行额外的电压或电流激励。发射线圈1的等效电路如图2所示。

本实用新型通过调整各支路的电感量来实现发射线圈电流的重分配，其电感的调整采用无源方式，要求感量调节范围大、损耗低、结构体积小。其导体电流控制方法与传统的线圈列阵式发射线圈有很大不同。首先，调整方法并不改变线圈的实际拓扑，而是改变导体电流比例。其控制不需要功率开关器件。其次，导体电流是连续可调的，可维持磁耦合结构互感的恒定或动态变化。

在交流情况下，通过调节各电流支路的交流感量，即可实现导体电流的重新分配。传统的感量控制方法通过饱和电抗器(可调交流电感器)实现， 即利用直流激励使得电感的部分磁芯工作于非线性区域，实现等效交流感量的调节。但是这种方法需要额外的电流源激励，增加了成本与损耗，且调节精度不高。

如图3所示，并联支路其感量的调节通过可调电阻实现，磁芯工作在线性区。通过参数设计，其电阻、磁芯损耗很低，且调节过程不需要额外的激励源。通过感量的调节，两个支路的电流比例满足：

I₁/I₂＝(L₂+L_2v)/(L₁+L_1v)。在实际的发射线圈设计中，导体支路可存在多个串并联组合。

如图4所示，其中L_p为主电感，L_s为控制电感，则Z_v满足：

$Z_v=j\mathrm{\ω}(L_p-k\sqrt{L_p{L}_s})+\frac{j\mathrm{\ω}k\sqrt{L_p{L}_s}\left(j\mathrm{\ω}\right(L_s-k\sqrt{L_p{L}_s})+R_v)}{{\mathrm{j\ωL}}_s+R_v}$

其中k为主电感与控制电感间的耦合系数。当R_v由短路至开路，Z_v所对应的等效感量L_vmin与L_vmax分别为：L_vmin＝(1-k²)L_p；L_vmax＝L_p。

假设流过可调电感的电流有效值为I，则R_v的耗散功率为：

$P_v=I^2{R}_v|\frac{j\mathrm{\ω}k\sqrt{L_p{L}_s}}{{\mathrm{j\ωL}}_s+R_v}{|}^2$

其中，k为主电感与控制电感间的耦合系数，j为虚数单位，ω为电流角频率，L_S为副边控制绕组电感，L_P为可调电阻原边线圈电感；

由此可见，通过调节R_v值，可以实现等效感量由L_vmin至L_vmax间的调整。

本实用新型在控制方案上遵循以下原则：①为了实现电流比例的大幅值控制，要求线匝电感远小于可调电感最大值，即L<＜L_vmax。②为了尽 量降低R_v的损耗，要求L_p<＜L_s。这使得在前述要求的基础上，进一步增加L_s的匝数。

以L(R)＝[L_1v,L_2v…L_nv]表示电感的调节函数，其变量为各支路的R_v。其中R＝[R_v1,R_v2…R_vn]。发射磁场范围的调整相当于打开或关闭特定支路。R_v开路时，其对应的导体支路也相当于开路。动态调整各R_v值，实现线圈导体电流比例的重新分配，满足增益调整、传输距离变化的需要。R_v(数字电位器)的调整过程不需要额外的电源，避免了额外损耗。

如图5所示，一种基于所述的无线电能传输的耦合线圈磁场动态调整方法的装置，包括发射线圈101，发射线圈101包括多个线圈绕组1011，每个线圈绕组1011上设有多个电流支路(图中未标出)，所述电流支路上均设有磁芯环102。

如图6所示，磁芯环102套接在所述电流支路所在的线圈绕组101上，磁芯环102上设有控制电感绕组1021，所述控制电感绕组1021穿过磁芯环102的中部，环绕在所述磁芯环102的环体1022上；

所述磁芯环102的材料为导磁材料，具体可为铁氧体、铁粉芯、硅钢片等导磁材料。

所述磁芯环102与所述线圈绕组101之间设置有气隙，设置气隙是用于控制绕组电感量的，特别是对于高磁导率磁芯。

所述发射线圈101设置有相应的磁场屏蔽层以控制磁场泄漏范围。

所述发射线圈101的形状和线圈绕组的数量根据设计需要确定。

所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施 例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。