一种新型的高密度无线电能传输线圈结构的制作方法

本发明属于无线电能传输领域，特别是涉及到一种新型的高密度无线电能传输线圈结构。

背景技术：

自从1840年发现利用电磁感应现象及导线可以传输电能至今，电能的传输主要是由导线直接接触进行传输的。电工设备的充电一般是通过插头和插座来进行，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险。且由于存在摩擦和磨损，系统的安全性、可靠性及使用寿命较低，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的事故。新型无接触电能传输系统采用电磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合，实现了电能的无线传输，完全克服了以上限制。根据电能传输原理，无线电能传输大致上可以分为三类：第一类是变压器原理的直接耦合式，这种方式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类电波无线能量传输技术，直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生物都有严重伤害；第三类是非辐射耦合谐振方式，该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。

上世纪90年代，新西兰奥克兰大学的John Boys教授率先带领课题组对无线电能传输技术进行了广泛和深入的研究，2000年，他们将1.8kW电磁感应无线电能传输充电系统成功应用于新西兰著名的国家地热公园的游客电动运输车上。日产公司研发的电动车无线充电示范系统可以以90％的传输效率实现6kW无线电能传输，这一系统还装备了导航系统来解决发射端线圈与车载接收线圈的位置对准问题。德国奥姆富尔(WAMPELER)公司建造了世界上最大的电磁感应式无线电能传输系统，车上安装了6个输出为25kW的接收绕组，从而使得系统总容量达到150kW。美国橡树岭国家实验室于2010年启动了电磁感应原理的插入式电动车无线充电项目，计划开发3.6kW—60kW级的电动车静态及动态充电系统，其目标是在发射机构与接受机构距离在20cm时使系统传输效率能够保持在90％以上。美国往返于MGM-Hotels、MonteCarlo与LasVegas之间的电动火车，该系统采用单轨无线供电方式，导轨电流150A，交流电压480V。2014年，韩国铁路技术研究院在首尔试运行了其开发的无线供电列车，供电间距为3cm，供电容量达1MW，时速3-4km/h。

耦合机构是无线电能传输技术的重要组成部分，高品质的耦合线圈对无线电能传输系统的传输性能的影响是至关重要的，它的设计与优化对系统的传输效率、功率、传输距离等有着直接的影响。对于无线电能传输系统而言，耦合线圈在实际工作过程中其发射和接收部分之间存在很大的空气气隙，较高的漏磁会导致耦合性能下降，从而使得整个系统的传输效率大大下降，该现象在大功率传能系统的应用中尤为明显。为了提高WPT系统的传输效率，设计与优化耦合线圈的形状和结构显得尤为重要。有的学者对双DD线圈和单极线圈进行研究。专注于线圈结构设计与拓扑结构设计相结合，以达到最大耦合系数和效率。在众多线圈设计的研究中，采用了不同的评价标准与优化流程，进行了线圈设计与优化，使得线圈设计更为合理。但是，设计分析均基于一对一的两线圈模型。

然而，无线充电系统中，耦合线圈的尺寸以及初级、次级两线圈的距离等受到应用场合的限制。例如，应用于储能式有轨电车或电动汽车中的无线充电系统线圈除了受到车身尺寸影响外，其初级线圈受到了轨距的限制，并且其车厢横梁的尺寸也决定了次级线圈的大小。由于以上等因素限制两线圈形状和大小。而且初级和次级线圈自感值的增加会增加线圈匝数，从而增大串联等效电阻，并增加系统损耗，因此初级、次级线圈的自感值受限，较难有效增加初级、次线圈的互感。除此之外，无线电能传输系统为轨道交通等大功率应用提供电能时，两线圈模型很难实现大功率电能的非接触传输。西南交通大学分析了双初级线圈并绕的IPT系统，通过初级线圈产生磁场的叠加，实现IPT系统的大功率输出。中科院研究了双拾取线圈并联结构WPT系统，研究了拾取线圈之间的互感对输出功率的影响，并提出通过调整拾取侧补偿电容的方法使系统输出功率不受拾取线圈间互感的影响。北京交通大学分析验证的多拾取线圈间的互感将影响系统谐振频率，降低IPT系统的输出功率和工作效率。上述设计在增加线圈数量的基础上，实现了高功率非接触电力传输。但是，他们并没有提高远距离WPT系统的效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是在保证发射、接收两端所需空间、安全距离以及所需电能的前提下，增加耦合机构的传输距离和功率密度。在供电频率较低的情况下，设计出一种相比于传统的两线圈模型具有体积更小，重量更轻，效率更高的线圈结构。从而增加整个无线电能传输系统的传输效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种新型的高密度无线电能传输线圈结构，包括相互对应的发射线圈和接收线圈，所述发射线圈包括若干个强耦合的小线圈由同向旋转的缠绕方式将其同名端并联而构成，所述接收线圈包括若干个耦合的小线圈由依序异向的旋转缠绕方式将其同名端串联而成；构成接收线圈的小线圈和构成发射线圈的小线圈的谐振频率一致。

所述依序异向的旋转缠绕方式即任意两个相邻的小线圈都是其中一个小线圈右旋缠绕、一个小线圈左旋缠绕。

进一步的，补偿结构采用串联补偿结构，即发射线圈和接收线圈分别各自串联补偿电容。

进一步的，构成所述发射线圈的小线圈完全一致。

进一步的，构成所述接收线圈的小线圈完全一致。

进一步的，所述发射线圈包括2个小线圈，所述2个小线圈同时为左旋或同时为右旋的缠绕方式，并且同名端并联。

更进一步的，所述接收线圈包括2个小线圈，所述2个小线圈为一个小线圈右旋、另一个小线圈左旋的缠绕方式，并且同名端串联。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的一种新型的高密度无线电能传输线圈结构，为了增强磁场，提升耦合机构之间的传输效率，发射线圈由若干个强耦合的小线圈均由同向左旋或同向右旋的缠绕方式将其同名端并联而构成的,缠绕方式同向时，各小线圈所产生的磁场方向是一致的，对于能量的传播具有增强的作用，其同名端并联可以在原来的基础上增强电感，使得其发射线圈有一个较高的品质因数，彼此之间的互感系数比较大，接近于1，大大增强了发射线圈的磁通密度，为高效传能奠定了基础；

本发明为了在不增加线圈的大小和体积的情况下，还能提高远距离的传输效率，接收线圈由若干个耦合的小线圈采用依序异向的旋转缠绕方式将其同名端串联，即任意相邻的两个小线圈其中一个小线圈右旋一个小线圈左旋的缠绕方式并将其同名端串联而成；依序异向的旋转缠绕方式将其同名端串联，其电感量远远大于诸小线圈电感量之和，大大提高了接收线圈的品质因数，由此大大增加了传输效率；

本发明在保证两者所需空间安全距离以及列车所需电能的前提下，相比于传统的两线圈模型具有体积更小、重量更轻、效率更高的特点，即在相同的情况下，该线圈结构具有比双线圈结构更高的功率密度，是一种供电频率低、传输效率高的线圈结构。本发明克服了现有技术采用的传统无线电能传输结构随着距离增大导致传输效率大幅降低的局限，并且通过发射线圈并联可以有效的增加功率的传输，而串联的接收线圈可以在不增加线圈体积的情况下通过彼此之间的互感大幅提高了接收线圈的电感量。在较远的传输距离下保证线圈体积不发生改变是增大了传输功率和传输效率及系统空间灵活性。

附图说明

图1是本发明实施例的线圈、电路结构示意图；

图2是本发明实施例的并串线圈与两线圈理论效率对比图；

图3是本发明实施例的距离效率值对比图；

图4(a)是两个发射小线圈反向连接的磁通密度分布图；

图4(b)是两个发射小线圈同向连接的磁通密度分布图；

图5(a)是异名端串联的磁通密度分布图；

图5(b)是同名端串联的磁通密度分布图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的实施例中，如图1所示，Us是高频逆变电压源，发射系统还包括补偿电路、由2小线圈并联的发射线圈；并联的2个矩形小线圈内半径为17cm，外半径为30cm,谐振频率为100kHz，与SS补偿电路共同构成电磁发射装置。

2小线圈并联的发射线圈，是强耦合的2个小线圈(发射小线圈1、发射小线圈2)由左旋的缠绕方式将其同名端并联而构成的,彼此之间的互感系数比较大，接近于1，大大增强了发射线圈的磁通密度，为高效传能奠定了基础；

发射线圈的结构原理为：发射线圈的缠绕方式同向时，两个线圈所产生的磁场方向是一致的，对于能量的传播具有增强的作用。其同名端并联可以在原来的基础上增强电感，使得其发射线圈有一个较高的品质因数，有利于传能。若异名端并联，整体的发射线圈的电感量锐减，品质因数降低，传能减弱。图4(a)是两个发射小线圈反向连接的磁通密度分布图，图4(b)是两个发射小线圈同向连接的磁通密度分布图。由此不难看出，当两个发射小线圈同向连接时，磁场的分布更为密集，磁通密度更大，传能效果更好。

电磁接收系统包括由2小线圈(接收小线圈3、接收小线圈4)串联的接收线圈、SS的补偿电路、和衰减器负载。

串联的2个矩形小线圈内半径为17cm，外半径为30cm,谐振频率为100kHz，与SS补偿电路共同构成电磁接收装置。

为了在不增加线圈的大小和体积的情况下，还能提高远距离的传输效率，接收线圈的2个接收小线圈3、4，是2个耦合的小线圈，一个小线圈由右旋一个小线圈由左旋的缠绕方式将其同名端串联；

通过实验发现，两个小线圈异向的旋转缠绕方式将其同名端串联，其电感量远远大于两者电感量之和，大大提高了接收线圈的品质因数。

虽然异向旋转，但仍然采用同名端串联方式，这是因为线圈所产生的磁场是一个闭合的曲线，所以其发射的磁通与接受的磁通是成正比的并且若接收线圈两者反向，其产生的磁场方向相互抵消，那样就没有磁场，也就没有能量了会大大降低传能效率。通过仿真实验不难看出来，图5(a)是异名端串联，其磁通密度非常稀疏，图5(b)是同名端串联，其磁场方向分布非常密集。

在本实施例中，高频逆变电压源US包括DDS高频信号发生器以及功率放大器，DDS高频信号发生器发出100KHz的高频信号，经功率放大器增大其功率，经补偿电路施加到电磁发射装置，补偿电路用于使发射线圈与接收线圈在同等的频率下工作。

信号发生器和功率放大器被合并为系统的电源。选择阻抗为50的衰减器作为负载，以确保负载阻抗匹配。考虑到趋肤效应，所有的线圈都是用直径为3mm的利兹线制成的，并配有铁氧体屏蔽层。铁氧体板(53cm×53cm×0.25cm)由来自TDK的PC95构成。

I1,I2,分别代表两个发射小线圈1、2的电流值，I3是两个串联的接收线圈的电流值。L1,L2,是两个发射小线圈1、2的电感值，L3,L4是两个接收小线圈3、4的电感值。C1,C2分别代表发射端和接收端的串联谐振电容。R1,R2,分别是两个发射小线圈1、2的电阻，R3,R4是两个接收小线圈3、4的电阻。M12为两个发射小线圈1、2之间的互感值，M34是两个接收小线圈3、4之间的互感值，M13,M14分别是发射小线圈1对两个接收小线圈3、4的互感值，M23,M24是发射小线圈2对两个接收小线圈3、4的互感值。RL是系统负载。

根据线圈的结构，我们近似将M13＝M23＝M1S，M14＝M24＝M2S，根据基尔霍夫电压定律(KVL)可得电路的等效方程：

其中：

由于初级侧的两个线圈是完全一致的：

R1＝R2＝R,L1＝L2＝L，Z1＝Z2＝Z (3)

每个回路里的电流值计算如下：

其中：

线圈处于谐振工作状态，即：

最后，系统总的输出功率为：

系统的传输效率为：

由公式(7)和(8)可以看出，无线电能传输系统的效率与线圈之间的互感M有关，也与负载电阻RL，电源内阻和线圈电阻R1-R4相关。

表1列出了线圈结构的理论参数值。

表1线圈参数的理论值与实测值

为了证明本发明的并-串线圈结构即p-s线圈结构的优点，比较了p-s线圈模型和两线圈模型的理论值，如图2所示，可以看出，p-s线圈模型期望值的整体效率较高，证明了其有效性。

本发明中发射装置与接收装置的距离与效率值如表2所示：

表2距离效率值

如图3所示，为距离与效率值的数据分析图。可以看出，p-s线圈效率较高，更加证明了其有效性。

关于线圈结构的获得，原理说明如下：

通过找出k12(即两个初级线圈之间的耦合系数)和k34(即两个次级线圈之间的耦合系数)的最佳值，可以得到线圈的结构。实验发现当两个初级线圈之间的耦合系数越来越接近1，并且两个接收线圈之间的耦合系数接近0时，线圈结构的整体效率具有最优值。因此确定了发射线圈并联、接收线圈串联的线圈结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。