一种设有集成磁芯的DD型耦合机构及设计方法

一种设有集成磁芯的dd型耦合机构及设计方法
技术领域
1.本发明涉及无线充电领域，特别涉及一种设有集成磁芯的dd型耦合机构即设计方法。


背景技术：

2.当前电动汽车的车载电池容量有限，在行驶相应的里程后必须进行充电。现有的充电方式主要有两种：有线充电和无线充电。其中有线充电具有容易受天气影响，安全性较差，插拔时易产生火花等缺点，而无线充电作为一种不存在直接物理接触的技术成为了研究的热点，并且其快速方便，智能化，可维护性强，安全性高。电动汽车无线充电由于传输距离远，通常情况下采用松耦合的方式进行能量传输，但仅仅凭借线圈结构是做不到大功率的电能传输的，因此，需要在线圈中加入铁氧体以增强耦合系数并且屏蔽磁场减少漏磁，达到电能传输功率高效率高的目的。
3.然而，现有的铁氧体磁芯多为不规则形状，很难加工实现，并且铁氧体本身也存在饱和磁通较低，居里温度点较低等缺点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：针对现有技术中铁氧体饱和磁通较低、难加工的问题，提供一种满足磁通量密度需求且减少铁氧体使用的设有集成磁芯的dd型耦合机构即设计方法。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
6.一种设有集成磁芯的dd型耦合机构，包括铺设有增强板料的dd型线圈，耦合的两个dd型线圈对向设置，每个dd型线圈均设有两个并排且紧贴的d 型线圈本体；增强材料呈矩形状，且其长度方向的两端为第一增强部、中部为第二增强部，第一增强部为铁氧体材料，第二增强部为纳米晶材料；增强板料位于耦合的两个dd型线圈相背的一面上。
7.采用上述技术方案的本发明，采用comsol软件进行仿真模拟，可知全部采用铁氧体材料制作增强板料时，增强板料中部的磁通量密度会偏大且会靠近铁氧体材料的最大磁饱和限值(0.45t)，因而本技术将增强板料的中部替换为纳米晶材料，由于纳米晶材料的最大磁饱和限值高(1t)，能很好地契合dd 型线圈的水平磁场和垂直磁场，因此可以满足大功率电动汽车无线充电的需求；即提高了磁通量密度大的位置的磁饱和限值，且减少了铁氧体材料的使用，减少对铁氧体材料的加工处理。
8.进一步地，d型线圈本体的长宽均为a，dd型线圈的长度为2a、宽度为 a，增强板料铺设在dd型线圈中部，且增强板料的长度占dd型线圈的 80％～88％。两个d型线圈本体并排设置且紧贴；使用comsol软件对磁芯的长度、厚度进行了参数化扫描，得到了最佳的磁芯长度占比，磁芯长度可选为 dd型线圈长度的80％～88％。
9.进一步地，两个dd型线圈平行设置且镜像。通过comsol软件进行仿真分析，得到两个dd型线圈位置的最佳设置方式，即为二者不进行相对偏移时，耦合效果最好。
10.进一步地，增强板料对称地铺设在dd型线圈的中部，d型线圈本体的长宽均为
210mm，增强板料的长度为340mm、宽度为150mm，第二增强部的长度为 140mm、宽度为150mm。通过comsol软件进行仿真分析，得到第二增强部的适宜长度，即该部分使用纳米晶材料铺设。
11.进一步地，每个第一增强部由6根铁氧体磁芯以6x1的方式排列组成，单根铁氧体磁芯的长为100mm、宽为25mm、厚为5mm；第二增强部由6根纳米晶磁芯以6x1的方式排列组成，单根纳米晶磁芯的长为140mm、宽为25mm、厚为4mm。经过仿真实验，对磁芯的尺寸、铺设方式进行分析，得到了优选的参数。
12.进一步地，组成dd型线圈的两个d型线圈本体的绕线方向相反，一个为顺时针，另一个为逆时针。采用的利兹线规格为0.1mm*1650股，外径为6.32mm，共15匝，最大可承受电流66.9a，可满足大功率无线充电设计需求。
13.根据本发明的另一个方面，提供一种设计方法，基于设有集成磁芯的dd 型耦合机构实施，并包括以下步骤：
14.s1：使增强板料全部由铁氧体磁芯组成，将该增强板料铺设在dd型线圈上；
15.s2：将两个dd型线圈平行设置，且使得铺设增强板料的一侧相背；
16.s3：使用comsol软件进行仿真分析，找到在增强板料上磁通量密度较高的第二增强部，并在增强板料上划定第二增强部的尺寸范围；
17.s4：将增强板料上划定的第二增强部替换为纳米晶磁芯，增强板料的其余部分则继续使用铁氧体磁芯。
18.采用上述方法的本发明，先确定增强板料在dd型线圈上的铺设方式和相对位置，并先将增强板料全部使用铁氧体磁芯，后使用comsol软件进行仿真分析，以确定增强板料上哪些部位的磁通量密度较大，从而将该部分划分为第二增强部；后使用纳米晶磁芯铺满第二增强部，而其余部分继续使用铁氧体磁芯并保持不变；即明确了增强板料上两种材质的分布方式，使得增强板料满足使用时的磁通量密度限值的需求，提高了磁通量密度大的位置的磁饱和限值，减少了铁氧体材料的使用，减少对铁氧体材料的加工处理。
19.进一步地，还包括s5:
20.s5-1：使用comsol软件对耦合的两个dd型线圈进行x轴抗偏移仿真分析，得到自感和互感数据，并依此得到两种磁芯的耦合系数与x轴偏移距离的关系，做出耦合系数-x轴偏移距离的曲线，x轴为dd型线圈的宽度方向；
21.s5-2：读取耦合系数最大时的x轴偏移距离，并以该距离对两个dd型线圈在x轴的位置进行设置。
22.采用comsol软件对耦合的两个dd型线圈进行x轴抗偏移仿真分析，分析范围为(-10cm～+10cm)，并对得到的数据绘制耦合系数-x轴偏移距离的曲线，以根据曲线的走向和趋势确定耦合系数最大的点位，以确定该点在x轴的偏移距离，从而根据得到的偏移距离对两个dd型线圈在x轴的位置进行设置，以使得充电效率最大化。
23.进一步地，耦合系数最大时，x轴偏移距离为0，并使y轴参照x轴设置；使得在x、y轴两方向，两个dd型线圈均不进行偏移。y轴参照x轴设置，根据仿真分析数据，保持两个dd型线圈在x、y方向均不进行偏移。
24.进一步地，在s3中：
25.根据铁氧体磁芯的最大磁饱和限值0.45t，将磁通量密度大于或靠近0.45t 的部
分划分进第二增强部；
26.其中一组参数的设置可为：两个dd型线圈的距离为100mm，d型线圈本体的长宽均为210mm，dd型线圈的长度为420mm、宽度为210mm，增强板料的长度为340mm、宽度为150mm，第一增强部的长度为100mm、宽度为150mm、厚度为5mm，第二增强部的长度为140mm、宽度为150mm、厚度为4mm。
27.明确第二增强部范围的划定方法与原则，并给出了一组具体的参数，参数设置经过仿真对比分析，为一组优选数据。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果：
29.采用comsol软件进行仿真模拟，可知全部采用铁氧体材料制作增强板料时，增强板料中部的磁通量密度会偏大且会靠近铁氧体材料的最大磁饱和限值(0.45t)，因而本技术将增强板料的中部替换为纳米晶材料，由于纳米晶材料的最大磁饱和限值高(1t)，能很好地契合dd型线圈的水平磁场和垂直磁场，因此可以满足大功率电动汽车无线充电的需求；即提高了磁通量密度大的位置的磁饱和限值，且减少了铁氧体材料的使用，减少对铁氧体材料的加工处理。
30.采用上述设计方法的本发明，先确定增强板料在dd型线圈上的铺设方式和相对位置，并先将增强板料全部使用铁氧体磁芯，后使用comsol软件进行仿真分析，以确定增强板料上哪些部位的磁通量密度较大，从而将该部分划分为第二增强部；后使用纳米晶磁芯铺满第二增强部，而其余部分继续使用铁氧体磁芯并保持不变；即明确了增强板料上两种材质的分布方式，使得增强板料满足使用时的磁通量密度限值的需求，提高了磁通量密度大的位置的磁饱和限值，减少了铁氧体材料的使用，减少对铁氧体材料的加工处理。
附图说明：
31.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
32.图1示设有集成磁芯的dd型耦合机构的示意图。
33.图2示出了铁氧体磁芯的磁通密度分布图。
34.图3示出了综合磁芯的磁通密度分布图。
35.图4示出了耦合系数-x轴偏移距离曲线图。
36.图5示出了线圈绕线方向的示意图
37.其中，上述附图包括以下附图标记：
38.10、增强板料；11、第一增强部；12、第二增强部；
39.20、dd型线圈；21、d型线圈本体。
具体实施方式
40.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
41.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
42.如图1，对于本技术的一组dd型线圈20，首先明确单个d型线圈本体21 的尺寸，即采用边长为210mm的正方形，原副边匝数相同，均为15匝，传输距离为100mm(即两个dd型线圈20的距离)；如图2，后采用铁氧体磁芯作为增强板料10铺设在dd型线圈20上，磁芯厚度选用5mm，在comsol软件内对磁芯的长度、厚度进行参数化扫描，得到最佳的磁芯长度，磁芯长度的优选值为dd型线圈20长度的80％～88％，此处将增强板料10的长度设为340mm、宽度设为150mm；
43.如图2，对比磁通量密度分布图，可知y轴方向-70mm～+70mm的磁通量密度最大，由于铁氧体磁芯的最大磁饱和限值为0.45t，当传输功率增大时，线圈将激发更强的交变磁场，会进一步导致磁感应强度增加，铁氧体磁芯的磁导率下降并有可能饱和，进一步导致更多的发热损耗，因而将-70mm～+70mm区间的铁氧体磁芯替换为纳米晶磁芯(纳米晶磁芯的最大磁饱和限度为1t以上)，由于纳米晶磁芯的磁导率高，为减小涡流损耗，因而将纳米晶磁芯的厚度限制在 3mm～4mm之间，如图3；
44.如图4，对综合磁芯(替换后的磁芯，由铁氧体磁芯和纳米晶磁芯组成)和纯铁氧体磁芯进行抗偏移的仿真分析，分析两种条件的耦合系数与x轴的偏移距离的关系，可知综合磁芯的耦合系数更高，且偏移距离为0时耦合系数最高，因而将两个dd型线圈20在x轴的偏移距离设为0，同理将y轴的偏移距离也设为0；
45.具体铺设参数选定前，进行对应的仿真分析，得到的优选数据为，两个dd 型线圈20的距离为100mm，d型线圈本体21的长宽均为210mm，dd型线圈 20的长度为420mm、宽度为210mm，增强板料10的长度为340mm、宽度为 150mm，第一增强部11的长度为100mm、宽度为150mm、厚度为5mm，第二增强部12的长度为140mm、宽度为150mm、厚度为4mm，每个第一增强部11 由6根铁氧体磁芯以6x1的方式排列组成，单根铁氧体磁芯的长为100mm、宽为25mm、厚为5mm，第二增强部12由6根纳米晶磁芯以6x1的方式排列组成，单根纳米晶磁芯的长为140mm、宽为25mm、厚为4mm。
46.如图1，为整体结构示意图，该图中的增强材料仅由铁氧体材料铺设而成；如图3，为带有两种磁芯的示意图。
47.一种设有集成磁芯的dd型耦合机构，包括铺设有增强板料10的dd型线圈20，耦合的两个dd型线圈20对向设置，每个dd型线圈20均设有两个并排且紧贴的d型线圈本体21；增强材料呈矩形状，且其长度方向的两端为第一增强部11、中部为第二增强部12，第一增强部11为铁氧体材料，第二增强部 12为纳米晶材料；增强板料10位于耦合的两个dd型线圈20相背的一面上。
48.采用上述技术方案的本发明，采用comsol软件进行仿真模拟，可知全部采用铁氧体材料制作增强板料10时，增强板料10中部的磁通量密度会偏大且会靠近铁氧体材料的最大磁饱和限值(0.45t)，因而本技术将增强板料10的中部替换为纳米晶材料，由于纳米晶材料的最大磁饱和限值高(1t)，能很好地契合dd型线圈20的水平磁场和垂直磁场，因此可以满足大功率电动汽车无线充电的需求；即提高了磁通量密度大的位置的磁饱和限值，且减少了铁氧体材料的使用，减少对铁氧体材料的加工处理。
49.进一步地，d型线圈本体21的长宽均为a，dd型线圈20的长度为2a、宽度为a，增强板
料10铺设在dd型线圈20中部，且增强板料10的长度占dd 型线圈20的80％～88％。两个d型线圈本体21并排设置且紧贴；使用comsol 软件对磁芯的长度、厚度进行了参数化扫描，得到了最佳的磁芯长度占比，磁芯长度可选为dd型线圈20长度的80％～88％。
50.进一步地，两个dd型线圈20平行设置且镜像。通过comsol软件进行仿真分析，得到两个dd型线圈20位置的最佳设置方式，即为二者不进行相对偏移时，耦合效果最好。
51.进一步地，增强板料10对称地铺设在dd型线圈20的中部，d型线圈本体 21的长宽均为210mm，增强板料10的长度为340mm、宽度为150mm，第二增强部12的长度为140mm、宽度为150mm。通过comsol软件进行仿真分析，得到第二增强部12的适宜长度，即该部分使用纳米晶材料铺设。
52.进一步地，每个第一增强部11由6根铁氧体磁芯以6x1的方式排列组成，单根铁氧体磁芯的长为100mm、宽为25mm、厚为5mm；第二增强部12由6 根纳米晶磁芯以6x1的方式排列组成，单根纳米晶磁芯的长为140mm、宽为 25mm、厚为4mm。经过仿真实验，对磁芯的尺寸、铺设方式进行分析，得到了优选的参数。
53.如图5，进一步地，组成dd型线圈20的两个d型线圈本体21的绕线方向相反，一个为顺时针，另一个为逆时针。采用的利兹线规格为0.1mm*1650股，外径为6.32mm，共15匝，最大可承受电流66.9a，可满足大功率无线充电设计需求。
54.根据本发明的另一个方面，提供一种设计方法，基于设有集成磁芯的dd 型耦合机构实施，并包括以下步骤：
55.s1：使增强板料10全部由铁氧体磁芯组成，将该增强板料10铺设在dd 型线圈20上；
56.s2：将两个dd型线圈20平行设置，且使得铺设增强板料10的一侧相背；
57.s3：使用comsol软件进行仿真分析，找到在增强板料10上磁通量密度较高的第二增强部12，并在增强板料10上划定第二增强部12的尺寸范围；
58.s4：将增强板料10上划定的第二增强部12替换为纳米晶磁芯，增强板料 10的其余部分则继续使用铁氧体磁芯。
59.采用上述方法的本发明，先确定增强板料10在dd型线圈20上的铺设方式和相对位置，并先将增强板料10全部使用铁氧体磁芯，后使用comsol软件进行仿真分析，以确定增强板料10上哪些部位的磁通量密度较大，从而将该部分划分为第二增强部12；后使用纳米晶磁芯铺满第二增强部12，而其余部分继续使用铁氧体磁芯并保持不变；即明确了增强板料10上两种材质的分布方式，使得增强板料10满足使用时的磁通量密度限值的需求，提高了磁通量密度大的位置的磁饱和限值，减少了铁氧体材料的使用，减少对铁氧体材料的加工处理。
60.进一步地，还包括s5:
61.s5-1：使用comsol软件对耦合的两个dd型线圈20进行x轴抗偏移仿真分析，得到自感和互感数据，并依此得到两种磁芯的耦合系数与x轴偏移距离的关系，做出耦合系数-x轴偏移距离的曲线，x轴为dd型线圈20的宽度方向；
62.s5-2：读取耦合系数最大时的x轴偏移距离，并以该距离对两个dd型线圈20在x轴的位置进行设置。
63.采用comsol软件对耦合的两个dd型线圈20进行x轴抗偏移仿真分析，分析范围为
(-10cm～+10cm)，并对得到的数据绘制耦合系数-x轴偏移距离的曲线，以根据曲线的走向和趋势确定耦合系数最大的点位，以确定该点在x轴的偏移距离，从而根据得到的偏移距离对两个dd型线圈20在x轴的位置进行设置，以使得充电效率最大化。
64.进一步地，耦合系数最大时，x轴偏移距离为0，并使y轴参照x轴设置；使得在x、y轴两方向，两个dd型线圈20均不进行偏移。y轴参照x轴设置，根据仿真分析数据，保持两个dd型线圈20在x、y方向均不进行偏移。
65.进一步地，在s3中：
66.根据铁氧体磁芯的最大磁饱和限值0.45t，将磁通量密度大于或靠近0.45t 的部分划分进第二增强部12；
67.其中一组参数的设置可为：两个dd型线圈20的距离为100mm，d型线圈本体21的长宽均为210mm，dd型线圈20的长度为420mm、宽度为210mm，增强板料10的长度为340mm、宽度为150mm，第一增强部11的长度为100mm、宽度为150mm、厚度为5mm，第二增强部12的长度为140mm、宽度为150mm、厚度为4mm。
68.明确第二增强部12范围的划定方法与原则，并给出了一组具体的参数，参数设置经过仿真对比分析，为一组优选数据。
69.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。