导轨式无线能量传输系统及其参数设计方法与流程

1.本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种导轨式无线能量传输系统及其参数设计方法。


背景技术：

2.随着无线能量传输技术的发展，其应用的领域也逐渐扩展，针对电梯轿厢内部用电设备的供电问题，人们提出了导轨式的无线供电方案。
3.但是现有的导轨式无线供电系统中，为了施工方便，发射端通常采用单导轨供电形式，要想实现高效率的无线能量传输，对接收端的能量拾取器的结构设计要求较高，而现有的e型、工型或t型无线能量拾取器，耦合系数较低，能量耗散比较严重，难以满足高效率无线能量传输系统需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明首先提供一种导轨式无线能量传输系统，通过对e型无线能量拾取器的磁芯结构进行设计，使其在摆动幅度范围内实现无线能量的高效率传输。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
6.一种导轨式无线能量传输系统，包括发射端和接收端，其关键在于，所述发射端沿接收端的移动方向分两条路径分别通过支撑架架设有电流流向相反的能量发射导轨：所述接收端包括e型磁芯和绕制在e型磁芯中间立柱上的能量接收线圈，所述发射端的能量发射导轨按照所述两条路径分别对应嵌设在所述e型磁芯的两个立柱间隙内，在所述e型磁芯外侧的两根立柱末端还相对设置有收口凸缘。
7.可选地，所述收口凸缘与所述支撑架之间预留有空气间隙，且所述空气间隙的宽度大于所述接收端的摆动幅度。
8.可选地，所述收口凸缘与所述支撑架之间预留的空气间隙宽度其中a为收口凸缘内侧端壁与能量接收线圈之间的距离，b为支撑架的宽度。
9.可选地，所述能量接收线圈按照螺旋线圈方式绕制在e型磁芯中间立柱上。
10.可选地，所述能量发射导轨由一根导线绕制成n型，其平行段作为能量发射段嵌设在所述e型磁芯的两个立柱间隙内。
11.可选地，所述e型磁芯外侧两根立柱的长度大于中间立柱的长度。
12.可选地，所述e型磁芯外侧两根立柱下端的收口凸缘采用多层贴合的可拆卸式磁块构成。
13.基于上述导轨式无线能量传输系统，本发明还提出一种导轨式无线能量传输系统的参数设计方法，其关键在于，包括以下步骤：
14.s1：根据应用场景需求确定发射端中能量发射导轨的尺寸参数和接收端中e型磁芯的尺寸参数，包括能量发射导轨线缆直径、导轨间距；支撑架的尺寸和间距以及e型磁芯
三根立柱的高度；
15.s2：根据发射端的摆动情况确定收口凸缘与支撑架之间预留的空气间隙宽度；
16.s3：根据支撑架的尺寸、间距以及收口凸缘与支撑架之间预留的空气间隙宽度确定e型磁芯中间立柱的宽度以及收口凸缘的宽度；
17.s4：根据发射端和接收端之间的空间关系，确定e型磁芯三根立柱的长度以及收口凸缘厚度的调整范围；
18.s5：在步骤s4所确定的调整范围内按照收口凸缘厚度和三根立柱长度两级联动轮询方式确定最佳参数。
19.可选地，步骤s5中先取三根立柱长度的最小值，按第一预定步长调整收口凸缘厚度，仿真验证系统互感值是否符合预定目标范围；
20.如果收口凸缘厚度取最大值时系统互感值仍不符合预定目标范围，则按照第二预定步长调整三根立柱长度，重新寻找最佳收口凸缘厚度。
21.本发明的显著效果在于：
22.通过对e型磁芯结构进行改进，使其通过简单的调整收口磁芯的厚度即可适应不同应用场景下的互感需求，满足高效率的无线能量传输，结构简单，设计方便。
附图说明
23.图1是本发明提出的导轨式无线能量传输系统的系统架构图；
24.图2是本发明提出的导轨式无线能量传输系统的侧视图；
25.图3是本发明提供的导轨式无线能量传输系统的俯视图。
具体实施方式
26.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
27.如图1-图3所示，本实施例提供一种导轨式无线能量传输系统，包括发射端和接收端，所述发射端沿接收端的移动方向分两条路径分别通过支撑架4架设有电流流向相反的能量发射导轨3：所述接收端包括e型磁芯2和绕制在e型磁芯中间立柱上的能量接收线圈1，所述发射端的能量发射导轨3按照所述两条路径分别对应嵌设在所述e型磁芯2的两个立柱间隙内，在所述e型磁芯2外侧的两根立柱末端还相对设置有收口凸缘。
28.具体实施时，从图2可以看出，所述收口凸缘与所述支撑架4之间预留有空气间隙，且所述空气间隙的宽度大于所述接收端的摆动幅度，使得系统满足接收端在运动中的左右偏移，图中所示收口凸缘与所述支撑架之间预留的空气间隙宽度其中a为收口凸缘内侧端壁与能量接收线圈之间的距离，b为支撑架的宽度。
29.通过图1可以看出，所述能量接收线圈1按照螺旋线圈方式绕制在e型磁芯2的中间立柱上，所述能量发射导轨3由一根导线绕制成n型，其平行段作为能量发射段嵌设在所述e型磁芯2的两个立柱间隙内。
30.作为一种实施方式，e型磁芯外侧两根立柱的长度可以大于中间立柱的长度，而为
了便于调节收口凸缘的厚度d，所述e型磁芯外侧两根立柱下端的收口凸缘采用多层贴合的可拆卸式磁块构成。
31.本实施例还提供一种导轨式无线能量传输系统的参数设计方法，结合上文描述的结构设计，其参数设计方法包括以下步骤：
32.s1：根据应用场景需求确定发射端中能量发射导轨的尺寸参数和接收端中e型磁芯的尺寸参数，包括能量发射导轨线缆直径、导轨间距；支撑架的尺寸和间距以及e型磁芯三根立柱的高度；
33.s2：根据发射端的摆动情况确定收口凸缘与支撑架之间预留的空气间隙宽度；
34.s3：根据支撑架的尺寸、间距以及收口凸缘与支撑架之间预留的空气间隙宽度确定e型磁芯中间立柱的宽度以及收口凸缘的宽度；
35.s4：根据发射端和接收端之间的空间关系，确定e型磁芯三根立柱的长度以及收口凸缘厚度的调整范围；
36.s5：在步骤s4所确定的调整范围内按照收口凸缘厚度和三根立柱长度两级联动轮询方式确定最佳参数。
37.实施时，步骤s5中先取三根立柱长度的最小值，按第一预定步长调整收口凸缘厚度，仿真验证系统互感值是否符合预定目标范围；
38.如果收口凸缘厚度取最大值时系统互感值仍不符合预定目标范围，则按照第二预定步长调整三根立柱长度，重新寻找最佳收口凸缘厚度。
39.基于上述设计，发射端的能量发射导轨3产生的磁场在空间中大致为环形路径，e型磁芯的磁导率远大于空气磁导率，因此大部分磁力线会沿着磁芯路径形成环形路径。传统的e型磁芯下方没有收口凸缘，所以磁芯下方的磁力线发散严重，影响了能量接收线圈1中的磁感应通量，导致能量发射导轨3与能量接收线圈1之间的耦合系数降低。针对磁芯下方磁力线发散的现象，本发明对e型磁芯的下方磁芯结构进行改进，可以有效提高耦合系数，从而降低生产成本。在实际工作中e型磁芯会左右偏移，图2中a为e型磁芯的最小偏移量。在保证最小偏移量的基础上，调整参数d，其中d为收口凸缘的厚度，为了提高耦合系数，d越厚会有越多的磁力线通过能量接收线圈，该设计提高了副边单位面积的磁场强度，原边与副边的耦合系数也会随之提高。当d过长后增加副边线圈重量和原边线圈支架的生产难度。因此在保证产品质量的前提下，增加d的长度可以有效提高原边与副边的耦合系数。该方法会极大地提高原边线圈与副边线圈的互感，对线圈自感的影响小，因此该方法可以明显提高原边线圈与副边线圈的耦合系数，通过仿真可以看出参数d调整过程中系统耦合系数和互感的变化关系，如表1所示：
40.表1：
[0041][0042]
结合图3，当增加磁芯长度l，副边线圈与原边线圈的感应面积也会增加，原边与副边互感会提高，但是这种方法会明显增加副边线圈自感，因此增加l，耦合系数虽然没有明显提升，但是系统互感可以增强，具体变化趋势如表2所示的仿真结果。
[0043]
表2：
[0044]
l(mm)100110120130耦合系数k0.340.350.360.37互感m(uh)1.781.932.052.21
[0045]
因此，本发明提出的设计方法，针对e型磁芯结构构成的无线能量传输系统的参数设计，优先选择最小间距a，然后增加长度d，最后增加长度l，a需要刚好满足取电器在运动中的左右偏移，a的大小取决于安装精度，通常为6mm，在安装精度高的场合可以为2mm。根据表格1，当d值大于120mm后，耦合系数提高不明显，但是会增加取电器的重量和成本，因此d值应该不大于120mm，当a、d值确定后，可以根据系统需要的互感值调节长度l，需要的互感越大，l越大，按照上述系统及其参数设计方式，可以减少系统的设计成本，通过简单的改进及其提升系统的无线传输效率，使其满足不同应用场景的空间需求和功率传输需求。
[0046]
最后需要说明的是，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。