基波‑谐波双通路并行感应无线电能传输系统的磁路耦合机构的制作方法

本发明涉及一种基波-谐波双通路并行感应耦合无线电能传输系统的磁路耦合机构，属于无线电能传输技术。

背景技术：

无线电能传输技术(wirelesspowertransfer，简称wpt)最早诞生于十九世纪的美国，其是一种借助空间无形软介质(如磁场、电场、激光、微波等)，实现电能由源设备传递至受电设备的全新电能接入模式。该技术实现共受电设备之间电气隔离，因此从根本上杜绝了传统有线供电模式带来的器件磨损、接触不良、接触火花等问题，是一种洁净、安全、灵活的新型供电模式，被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。

基于电磁感应耦合原理的无线电能传输(inductivecoupledpowertransfer，简称icpt)技术以其功率传输容量大、效率高等特点，得到广泛的关注与研究，现有的icpt技术都是以高频逆变器输出方波中的基波分量进行能量传输，但其会存在一些如输出电压调节范围不够宽、调压精度及系统效率不够高等问题。因此基于谐波的高频特性与能量特性、一种基波-谐波双通路并行感应耦合无线电能传输系统被提出，通过在逆变器输出之后建立基波能量通路与谐波能量通路，对逆变方波中的基波及谐波分量进行提取、利用，通过谐波能量通路的加入，不仅提高了整个系统的调压范围，而且利用谐波传输能量可以提高系统传输效率。该系统与常规基波通路单独工作方式相比，还可以解决传统移相控制方式中移相角不能过小的技术难题，使系统输出电压可以从零开始调节，增大系统电压调节精度。

无线电能传输系统中磁路耦合机构性能的好坏直接表征了无线电能传输系统的优劣，因此无线电能传输系统中磁路机构的研究设计就变得尤为重要，衡量无线电能传输磁路耦合机构性能最关键的指标就是耦合系数k，它可以考量一个磁路机构的耦合程度，k值越大表明磁路机构耦合越紧密，磁路耦合机构效率也就越高。

但在基波-谐波双通路并行感应耦合无线电能传输系统中，存在一个亟待解决的问题，就是基波能量通路的磁路耦合机构与谐波能量通路的磁路耦合磁路机构之间不能存在耦合关系或耦合关系很小，可以忽略不计，否则其会使整个系统无法正常运行。因此为使系统可以正常稳定工作，其原副边磁路耦合机构的设计不仅要具有较高的k值，而且使基波能量通路的磁路耦合机构与谐波能量通路的磁路耦合机构之间的影响很小，以至于其可以忽略不计。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基波-谐波双通路并行感应耦合无线电能传输系统的磁路耦合机构，该机构不但具有较高的耦合系数，而且可以消除基波-谐波双通路并行感应耦合无线电能传输系统中基波能量通路磁路耦合机构与谐波能量通路磁路机构之间的影响，从而使整个系统可以正常稳定工作。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基波-谐波双通路并行感应无线电能传输系统的磁路耦合机构，包括原边能量发射部分和副边能量拾取部分，原边能量发射部分和副边能量拾取部分相对设置且相互平行；原边能量发射部分和副边能量拾取部分均为三层结构，具体为磁芯层、基波线圈层和谐波线圈层，基波线圈层和谐波线圈层均由利兹线绕制而成，磁芯层是由结构尺寸相同的一组铁氧体条组成的网格结构，基波线圈层和谐波线圈层均是由两个间隔设置的结构尺寸相同的矩形线圈组成，基波线圈层和谐波线圈层正交叠放。

优选的，所述磁芯层的铁氧体条纵横交叉排列，形成中心对称结构，网格均匀分布，磁芯层、基波线圈层和谐波线圈层中心对齐放置，且三者的外轮廓边平行。

优选的，所述原边能量发射部分和副边能量拾取部分的结构尺寸相同，基波线圈层和谐波线圈层的结构尺寸相同。

优选的，所述磁芯层、基波线圈层和谐波线圈层满足以下尺寸要求：

b＝l-d×n×2

其中：b为铁氧体条的长度，l为单个矩形线圈的外轮廓长度，d为绕制矩形线圈的利兹线的直径，n为单个矩形线圈的线圈匝数。

优选的，构成基波线圈层或谐波线圈层的两个矩形线圈的间距满足以下尺寸要求：

其中：a为两个矩形线圈的外轮廓间距，w为单个矩形线圈的外轮廓宽度。

有益效果：本发明提供的基波-谐波双通路并行感应无线电能传输系统的磁路耦合机构，不但具有较高的耦合系数，而且可以消除基波-谐波双通路无线电能传输系统基波能量通路与谐波能量通路磁路机构之间的影响，从而可以使基波-谐波双通路无线电能传输系统正常稳定工作。

附图说明

图1为基波-谐波双通路并行感应耦合无线电能传输系统主电路拓扑结构示意图；

图2为实施例1的结构示意图；

图3为实施例1中原边能量发射部分的绕线方式以及关键参数示意图；

图4为实施例1中各基波线圈与谐波线圈之间的耦合系数；

图5为实施例1中所述的磁路耦合机构的两种铁氧体磁芯层结构示意图；

图6为实施例2所述的磁路耦合机构耦合系数k与线圈长度l的关系曲线图；

图7为实施例2所述的磁路耦合机构耦合系数k与线圈宽度w的关系曲线图；

图8为实施例2所述的磁路耦合机构耦合系数k与线圈之间的偏移距离a的关系曲线图；

图9为实施例2所述的磁路耦合机构耦合系数k与磁芯厚度h的关系曲线图；

图10为实施例2所述的磁路耦合机构耦合系数k与磁芯长度b的关系曲线图；

图11为实施例2所述的磁路耦合机构耦合系数k与c的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

如图1所示为基波-谐波双通路并行感应耦合无线电能传输系统主电路拓扑，如图2所示为实施例1的结构图，包括：原边能量发射部分和副边能量拾取部分：其中，原边能量发射部分包括原边磁芯层101、原边基波能量发射线圈102和原边谐波能量发射线圈103，原边谐波能量发射线圈103放置在原边基波能量发射线圈102的上方；副边能量拾取部分包括副边磁芯层201、副边谐波能量发射线圈202和副边基波能量发射线圈203，副边谐波能量发射线圈202放置在副边基波能量发射线圈203的上方。

原副边线圈中的线圈的缠绕方式如图3(a)所示，原边基波线圈与原边谐波线圈均是由两个矩形线圈组成且两个矩形线圈之间有一定的偏移距离，原边基波线圈与原边谐波线圈正交叠放，副边基波线圈与副边谐波线圈也均是由两个矩形线圈组成且两个矩形线圈之间有一定的偏移距离，副边基波线圈与副边谐波线圈正交叠放，原副边线圈均是由利兹线绕制而成。

原边磁芯层101和副边磁芯层201均是由铁氧体条纵横交叉均匀排列组成，原边磁芯层101和副边磁芯层201整体呈中心对称。组成原边磁芯层101和副边磁芯层201的铁氧体条的长度分别与原边线圈和副边线圈的内轮廓长度相等。

实施例1中的基波-谐波双通路并行感应耦合无线电能传输系统磁路耦合机构的原边能量发射部分与副边能量拾取部分的结构相同，绕线方式也相同。以原边能量发射部分为例，其绕线方式及关键参数如图3所示：由原边磁芯101与原边基波能量发射线圈102、原边谐波能量发射线圈103组成，整体结构呈中心对称。原边基波能量发射线圈102与原边谐波能量发射线圈103正交叠放。

图4反映的是实施例1中原副边线圈之间的耦合系数，共有6个耦合系数值，通过图3的各项数据可以看出在实施例1中的基波-谐波双通路并行感应耦合无线电能传输系统磁路耦合机构中，基波能量通路与谐波能量通路的磁路耦合机构的k值均是0.314，基波能量通路与谐波能量通路磁路机构之间交叉耦合系数很小，分别是0.002和0.006，可以忽略不计。因此本发明的磁路机构可以消除基波-谐波双通路并行感应无线电能传输系统中基波能量通路与谐波能量通路磁路机构之间的影响。

基波-谐波双通路并行感应无线电能传输系统中基波能量通路与谐波能量通路磁路耦合机构的磁芯层的结构有两种形式如图5表示，图5(a)所示的磁芯层铁氧体结构，铁氧体块的尺寸为820×820×30mm，原副边所用的铁氧体的体积是40344cm³，耦合系数k是0.39843；图5(b)所示的磁芯层铁氧体结构，铁氧体条尺寸为820×30×30mm，原副边所用的铁氧体的体积是29250cm³，耦合系数k是0.40088，图5(b)的磁芯层铁氧体结构所用的体积是图5(a)所示的的磁芯层铁氧体结构的72.5％，而且耦合系数也略大，所以选择图5(b)作为本发明的磁路耦合机构的铁氧体磁芯层结构。

实施例2

为方便进一步说明磁路耦合机构的优化构成，我们设计原边能量发射部分和副边能量拾取部分的结构尺寸完全相同，基波线圈层和谐波线圈层的结构尺寸相同；磁芯层的铁氧体条纵横交叉排列，形成中心对称结构，网格均匀分布，磁芯层、基波线圈层和谐波线圈层中心对齐放置，且三者的外轮廓边平行。上文所述的磁路耦合机构只是便于说明的原始模型，而不是最优化的结果，下面结合图3所示参数，运用控制变量法对磁路耦合机构做进一步优化分析。

将铁氧体条的长度定义为b，铁氧体条的厚度定义为h，铁氧体条的宽度定义为s，邻近两个铁氧体条之间的间距定义为t，将线圈的长度定义为l，将线圈的宽度定义为w，两个矩形线圈之间的距离定义为a，利兹线的直径定义为d，线圈的匝数定义为n，邻近两个铁氧体条之间的距离t与线圈的内轮廓的长度(l-d×n×2)之间的比值定义为c。图5至图10所示的曲线均是在原副边气息距离在200mm，d＝4mm，n＝10匝的条件下磁路耦合耦合系数k随相关参数的关系曲线。

图6表示的是不加磁芯的情况下，当线圈的宽度在400mm时，磁路耦合机构的耦合系数k与线圈的长度l的关系曲线，耦合系数k随着l的增加而增加，但当l的值在600mm以上时，耦合系数的增加很很缓慢。

图7表示的是不加磁芯的情况下，当线圈的长度在800mm时，磁路耦合机构的耦合系数k与线圈的宽度w的关系曲线，耦合系数k与w之间大约呈线性变化，对比图5与图6可以发现线圈的耦合系数对线圈宽度的变化较敏感。

图8表示的是在不加磁芯的情况下，当线圈的宽度为400mm，长度为800mm时，磁路机构的耦合系数k与两个矩形线圈之间的距离a的关系曲线，耦合系数k随着a的增大先增大后减小，在a＝150mm时，耦合系数达到最大值。

图9表示的是当线圈的宽度为400mm，长度为800mm时，磁路机构的耦合系数k与磁芯的厚度h的关系曲线，当磁芯的厚度h达到30mm时，耦合系数已达到最大值，磁芯的厚度h继续增加，耦合系数也不会增加。

图10表示的是当线圈的宽度为400mm，长度为800mm时，磁路机构的耦合系数k与磁芯的长度b关系曲线，当磁芯的长度b达到720mm时，耦合系数已达到最大值，磁芯的长度继续增加，耦合系数反而会降低。

图11表示的是当线圈的宽度为400mm，长度为800mm时，选定铁氧体的长度b为720mm，厚度为30mm，原副边铁氧体总体积为13608cm³情况下，磁路耦合机构耦合系数与铁氧体间距的关系曲线。耦合系数随着c的增大而减小，在实际工程中应综合考虑成本与耦合系数之间的关系，一般选择c的值在0.1-0.2之间。

本发明中所述的“基波”是高频逆变器产生的方波中的一次谐波分量，“谐波“是高频逆变器产生的方波中三次谐波分量、五次谐波分量、七次谐波分量……中的一种，在本发明的实施例中利用的是高频逆变器产生的方波中的基波分量与三次谐波分量来进行能量传递，在实际应用中可以根据需要来确定利用基波分量与某次谐波分量来进行能量传递。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。