磁场约束性的发射线圈和磁耦合机构及无线电能传输系统

1.本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种磁场约束性的发射线圈和磁耦合机构及无线电能传输系统，包括一种带有磁场约束特性的发射线圈，基于该发射线圈的磁耦合机构，和基于该磁耦合机构的无线电能传输系统。


背景技术：

2.近年来，由于社会发展需要和技术的进步，无线电能传输技术取得飞速发展。其中，磁场耦合无线电能传输技术以其传输功率大、效率高、安全性好等优势，有望在电动汽车、工业机器人、手机充电等领域得到广泛的商业应用。
3.传统无线电能传输系统在传播过程中需要借助磁耦合将发射侧的电能转化成高频电磁场，无线电能传输系统在发射和接收线圈之间的磁感应强度很大，对人体健康构成潜在威胁；且两线圈的耦合系数会随两者之间的距离和偏移发生变化，很难实现一对多或多对一的稳定无线电能传输。为了尽量减少电磁辐射对人体的影响，国内外研究者采用多种方法对电磁辐射进行抑制，电磁屏蔽技术作为电磁辐射抑制的主流措施，在无源屏蔽技术、有源屏蔽技术以及谐振无功电流环等抑制措施上已经拥有许多进展性的研究成果。然而，上述研究方法只能部分减少无线输电发射线圈或接收线圈的辐射，不能从理论上完全将其消除。为了解决：1、发射线圈对周围环境的电磁辐射；
4.2、传统的无线电能传输系统发射线圈和接收线圈会随着两者之间的距离和偏移耦合系数会发生变化；
5.3、传统的无线电能传输系统发射线圈和接收线圈较难实现稳定的一对多，多对一发射和接收的问题；本发明提出一种发射线圈和带有该发射线圈的具有磁场约束特性的无线电能传输磁耦合机构的无线电能传输系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种发射线圈和带有该发射线圈的具有磁场约束特性的无线电能传输磁耦合机构的无线电能传输系统，可以改善上述背景技术中提出的传统无线电能传输系统发射和接收线圈对周围环境的电磁辐射，尤其是磁场泄露、耦合系数随距离、偏移的变化以及难以稳定实现一对多或多对一电能传输的问题，有效的减少无线电能传输系统电磁辐射的危害，显著提升无线电能传输系统的性能。
7.为了克服发射线圈电磁辐射的问题：
8.其技术方案是一种发射线圈，所述发射线圈由导线呈螺旋缠绕形成的封闭的环形结构，各构成所述发射线圈的螺旋缠绕形成的封闭的环型与相邻环型紧密接触，呈密绕环形螺旋线圈结构，所述发射线圈横截面为圆形结构及其变型，所述发射线圈横截面为圆形或者方形，其中圆形可为正圆、椭圆等，方形可为正方形矩形等。
9.在上述或一些实施例中，为了进一步降低磁场泄露，所述发射线圈外包裹有金属屏蔽层，且屏蔽层沿其螺旋方向不构成通电回路。
10.为了克服传统无线电能传输发射和接收线圈随着距离和位置偏移耦合系数变化剧烈以及实现一对多或多对一的无线电能传输性能不佳的问题：
11.其技术方案是，一种具有磁场约束特性的无线电能传输磁耦合机构，包括原边侧发射线圈，副边侧接收线圈，所述原边侧发射线圈为权利要求1中所述的发射线圈，所述原边侧发射线圈形成穿插到副边侧接收线圈的磁耦合结构。
12.在上述或一些实施例中，所述副边侧接收线圈拥有空间里3个直线自由活动维度，且耦合系数恒定。
13.在上述或一些实施例中，所述多个原边侧发射线圈形成穿插到一个副边侧接收线圈的磁耦合结构。
14.在上述或一些实施例中，所述一个原边侧发射线圈形成穿插到多个副边侧接收线圈的磁耦合结构。
15.为了克服传统无线电能传输系统的发射和接收线圈电磁辐射、耦合系数随距离、偏移的变化以及难以实现一对多或多对一的问题，有效的减少无线输电系统电磁辐射的危害的问题：
16.其技术方案是，一种带有具有磁场约束特性的无线电能传输磁耦合机构的无线电能传输系统，包括原边侧和副边侧，所述原边侧包括顺序电连接的原边侧交流电源、原边侧整流滤波单元、原边侧高频逆变器、原边侧补偿网络和原边侧发射线圈；所述副边侧包括顺序电连接的副边侧接收线圈、副边侧补偿网络、副边侧整流滤波单元和负载；所述的副边侧接收线圈通过互感接收原边侧发射线圈所发射的电磁场，并将其转化为电能；所述原边侧发射线圈为权利要求1所述的发射线圈，所述的原边侧发射线圈和副边侧接收线圈的磁耦合结构如权利要求6所述的磁耦合结构。
17.本发明的有益效果：
18.1、发射线圈的磁场被完全约束在密绕螺旋管内部，发射线圈从理论上完全没有磁场泄露，从而没有电磁辐射。
19.2、原边侧的发射线圈配置改变了传统无线电能传输发射线圈和接收线圈的结构配置，实现了恒定耦合系数。
20.3、副边侧的发射线圈拥有空间里3个直线自由活动维度，且活动过程耦合系数恒定不变。
21.4、原边侧的发射线圈与副边侧的接收线圈可以轻松实现一对多或多对一的无线电能传输。
附图说明
22.图1是本发明原边侧发射线圈结构图。
23.图2是本发明电路模块图。
24.图3是常规原边侧发射线圈结构图。
25.图4是常规原边侧发射线圈磁力线分布。
26.图5是本发明原边侧发射线圈内外磁感应强度分布。
27.图6是发射线圈与接收线圈的配合示意图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
29.以下结合说明书附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
30.如图所述，一种发射线圈，发射线圈由导线呈螺旋缠绕形成的封闭的环形结构(根据工程需要，结构内可以使用铁氧体等磁性材料以进一步提升其性能)，各构成发射线圈的螺旋缠绕形成的封闭的环与相邻环紧密接触呈环形螺旋线圈结构，发射线圈横截面为圆形结构及其变型，此发射线圈即为下面提到的原边侧发射线圈，所述发射线圈横截面为圆形结构及其变型，所述发射线圈横截面为圆形或者方形，其中圆形可为正圆、椭圆等，方形可为正方形矩形等。在上述或一些实施例中，为了进一步降低磁场泄露，所述发射线圈外包裹有金属屏蔽层，该屏蔽层可以是铜皮，且屏蔽层沿其螺旋方向不构成通电回路。
31.一种具有磁场约束特性的无线电能传输磁耦合机构，原边侧发射线圈形成穿插到副边侧接收线圈的磁耦合结构，故副边侧发射线圈拥有空间里3个直线自由活动维度，且自由活动过程中耦合系数恒定不变。
32.多个原边侧发射线圈形成穿插到一个副边侧接收线圈的磁耦合结构，一个原边侧发射线圈形成穿插到多个副边侧接收线圈的磁耦合结构，由于独特的原边侧发射线圈与副边侧接收线圈的耦合方式，该发明在拥有高自由度的前提下仍能保持耦合系数的恒定以及轻松实现一对多或多对一的无线电能传输，即一个原边侧发射线圈可以套多个副边侧接收线圈或多个原边侧发射线圈可以套一个副边侧接收线圈，该发明的应用，将改善传统无线电能传输领域的发射线圈磁场泄漏及电磁辐射、耦合系数随距离、偏移的变化以及难以实现一对多或多对一的问题。
33.一种带有具有磁场约束特性的无线电能传输磁耦合机构的无线电能传输系统，包括原边侧和副边侧，原边侧包括顺序电连接的原边侧交流电源、原边侧整流滤波单元、原边侧高频逆变器、原边侧补偿网络和原边侧发射线圈；副边侧包括顺序电连接的副边侧接收线圈、副边侧补偿网络、副边侧整流滤波单元和负载；副边侧接收线圈通过互感接收原边侧发射线圈所发射的电磁场，并将其转化为电能；原边侧发射线圈即为上面提到的发射线圈，本无线电能传输系统的磁耦合方式即为上面提到的具有磁场约束特性的无线电能传输磁耦合机构，原边侧发射线圈可以将磁力线约束在线圈内部，故没有磁场泄露。在没有负载时，根据坡印廷定理，电磁场的能流密度被定义为：s＝e
×
h，单位是瓦特/平方米，电磁辐射由此被定义，原边侧发射线圈没有磁场强度h泄露，因此没有电磁辐射的产生。从此意义上讲，原边侧发射线圈在没有负载时没有电磁辐射。在实际操作中，由于工艺的对称性问题，可能有微弱磁场泄漏，而本发明进一步采用了金属屏蔽的方法将磁泄漏控制在极低的水平。
34.原边侧发射线圈的磁感应强度分布可以使用比奥-萨法尔定律和安培环路定律求出，当n是螺旋管的总闸数，i为流过螺旋管的电流，a为螺旋管的半径，螺旋管内的磁场表达式为：
[0035][0036]
螺旋管外的磁场表达式为：
[0037]b外
＝0
[0038]
本发明密绕螺旋管的磁感应强度均匀分布于螺旋管内部，密绕螺旋管外的磁感应强度几乎为零。在实际情况下，由于螺旋管螺距的存在，以及密绕的手工误差，b
外
不会完全为零，为了进一步减少磁场泄漏，本发明进一步采用了金属屏蔽的方法，即使用薄铜皮等金属，包裹原边侧发射线圈，从而形成电磁屏蔽层，使用上述方法无线电能传输将电磁泄漏控制在极低的水平。
[0039]
本发明具体使用时，原边侧包括顺序电连接的原边侧交流电源、原边侧整流滤波单元、原边侧高频逆变器、原边侧补偿网络和原边侧发射线圈；副边侧包括顺序电连接的副边侧接收线圈、副边侧补偿网络、副边侧整流滤波单元和负载；副边侧接收线圈通过互感接收原边侧发射线圈所发射的电磁场，并将其转化为电能，原边侧发射线圈由导线呈螺旋缠绕形成的封闭的环形结构，各构成原边侧发射线圈的螺旋缠绕形成的封闭的环与相邻环紧密接触呈环形螺旋线圈结构，原边侧发射线圈横截面为圆形结构及其变型，副边侧接收线圈形成穿插到原边侧发射线圈的磁耦合结构，原边侧发射线圈可以将磁力线约束在线圈内部。在没有负载时，原边侧发射线圈没有磁场泄露，进而没有电磁辐射，且为了进一步减少磁场泄漏，本发明进一步采用了原边侧发射线圈上密绕金属性材料形成屏蔽层，即使用带有绝缘底面的薄铜皮等金属，沿导向方向包裹原边侧发射线圈，从而形成电磁屏蔽层，使用上述方法无线电能传输将电磁泄漏控制在极低的水平。由于原边侧发射线圈和副边侧接收线圈特殊的耦合方式，故副边侧发射线圈拥有空间里3个直线自由活动维度，且自由活动过程中耦合系数恒定不变，多个原边侧发射线圈形成穿插到一个副边侧接收线圈的磁耦合结构，一个原边侧发射线圈形成穿插到多个副边侧接收线圈的磁耦合结构，由于独特的原边侧发射线圈与副边侧接收线圈的耦合方式，该发明在拥有高自由度的前提下仍能保持耦合系数的恒定以及轻松实现一对多或多对一的无线电能传输，该发明的应用，将改善传统无线电能传输领域的发射线圈磁场泄漏及电磁辐射、耦合系数随距离、偏移的变化以及难以实现一对多或多对一的问题。
[0040]
本发明工作时发射线圈的磁场被约束在螺旋管内部，发射线圈完全没有电磁辐射，发射线圈配置改变了传统无线电能传输发射线圈和接收线圈的结构配置，实现了恒定耦合系数，传统发射线圈、接收线圈如图3所示为盘状结构，由于发射线圈空间内磁场方向、强度的分布不均的问题，传统接收线圈在不同位置、不同角度产生的电压有较大的变化，因此受到接收线圈摆放位置以及高度的影响，传统发射线圈、接收线圈之间的耦合系数不能保持恒定，而本方案中发射线圈磁场均约束在圆环通道内无泄露，穿插配合的接收线圈无论怎么移动，其环内磁场强弱均无变化，因此其耦合系数恒定，也即副边侧的发射线圈拥有空间里3个直线自由活动维度，且活动过程耦合系数恒定不变。而且本专利技术方案中，原边侧的发射线圈与副边侧的接收线圈的穿插配配合的方式可以轻松实现一对多或多对一的无线电能传输。