一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈

本发明涉及无线电能传输，特别是涉及一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈。

背景技术：

1、传统的供电及其充电方式都是利用有线方式进行连接，这种充电方式不够方便，而且还带来了许多安全隐患，比如电源线的绝缘老化问题；早在一百多年前，塞尔维亚裔美籍科学家尼古拉·特斯拉就对基于近场耦合的无线电能传输系统进行了研究，电能能通过远场辐射或者近场耦合远距离传输，受早期技术、财力等因素的限制，该技术仅仅局限于构想阶段，但同样为后来无线电能传输技术的发展绘制了美好的蓝图和奠定了一定的研究基础。

2、到20世纪80年代，以电磁感应耦合方式为主的非接触能量传输技术开始被学者们关注，并逐渐应用到电动牙刷、手机、电动汽车等产品的无线供电中，但感应式无线电能传输技术对磁路的设计要求比较苛刻，导致该技术在大功率无线能量传输的应用中具有很大的局限性。

3、2007年，美国麻省理工学院marin soljacic教授为首的研究团队在磁耦合谐振式无线电能传输(mcr-wpt)方面取得了新进展，他们能够以40％的传输效率，“隔空”点亮距离超过2米的60w灯泡，随后磁耦合谐振式无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注，该技术在交通领域、医疗器械、便携通信、航空航天、水下探测和智能家居等领域都有重要的应用价值和宽广的应用前景，无线输电因此被美国《技术评论》杂志评为未来将给人类生产和生活方式带来巨大变革的十大科研方向之一；近年来，无线电能传输(wpt)在手机、电动汽车、植入医疗器械等实际系统的应用中，取得了重大的突破，在中国科研成立五十周年的系列庆祝活动中，无线输电技术也被列为“10项引领未来的科学技术”之一。

4、无线电能传输主要是依靠谐振线圈之间的耦合进行高效的能量传输，进而达到高效率输出，但在实际wpt系统中，发射线圈与接收线圈之间相对位置的偏移客观存在，而当两线圈之间发生偏移时，线圈之间的耦合系数迅速下降，导致输出功率发生较大波动，对整个系统的稳定性产生巨大的影响。

技术实现思路

1、为了解决以上技术问题，本发明提供一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，包括发射线圈和接收线圈，发射线圈包括若干阵列线圈和补偿线圈，阵列线圈分别位于正六边形的六个角上，且该正六边形的中心处也设有一阵列线圈；补偿线圈分别位于正六边形的六个角上，且补偿线圈设置于位于中心位置阵列线圈与其他相邻两阵列线圈组成的三角形的中心处；

2、阵列线圈设置为正六边形平面螺旋线圈，且在同一高度平面上产生的磁场均匀分布，在同一平面内，导线按正六边形轨迹，绕制成多匝线圈，且相邻线圈之间间距相等，绕制方向均为顺时针；补偿线圈包括3个首尾依次相连的60°圆弧，且各圆弧均向补偿线圈内弯曲，补偿线圈参数与阵列线圈相等，导线按3个60°圆弧组成的形状轨迹绕制；

3、任一补偿线圈与其外围相邻的三个阵列线圈构成一个基本典型单元，基本典型单元内空间任意一点p(x，y，z)处的磁场强度满足：

4、b+ba＝bu

5、其中，b表示阵列线圈的磁场强度，ba表示补偿线圈的磁场强度，bu表示设定的平均磁场强度。

6、本发明进一步限定的技术方案是：

7、进一步的，基本典型单元中，三个阵列线圈的磁场强度满足以下方程：

8、

9、

10、

11、其中，pi表示线圈上任意一点，ri表示空间中任意一点p到pi的距离，bi为阵列线圈的磁场强度，n1表示阵列线圈的匝数，μ0表示真空磁导率，i1表示阵列线圈的电流大小，xi和yi(i＝1,2,3)分别表示各阵列线圈中心点与阵列线圈空间内任意一点p(x,y,z)的相对位置，d表示每两个相邻阵列线圈之间的距离，a表示阵列线圈的边长，向量ab、bc、cd、da是将阵列线圈等效为正方形后的边。

12、前所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，相邻阵列线圈的间距设置为2s，s表示一个阵列线圈的中心到阵列线圈磁场强度为0的位置的最小距离，且满足：

13、

14、其中，d表示每两个相邻阵列线圈之间的距离，a表示阵列线圈的边长的边长。

15、前所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，补偿线圈的匝数为n2，补偿线圈空间内磁场强度满足：

16、

17、其中，μ0表示真空磁导率，i2表示阵列线圈的电流大小，xj和yj(j＝1,2,3)分别表示各阵列线圈中心点与点p’(x,y,z)的相对位置。

18、前所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，补偿线圈的电流满足以下方程：

19、

20、其中，bu是阵列线圈的磁场强度，b是阵列线圈的磁场强度，两者均由maxwell仿真得到。

21、前所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，发射线圈设置为金属线圈或利兹线。

22、前所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，阵列线圈的线径设置为0.5mm，且匝数设置为13匝。

23、前所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，阵列线圈的电流大小i1设置为1a。

24、本发明的有益效果是：

25、(1)本发明中，由于充电平面上磁场是均匀分布的，当接收线圈位置变化时，其接受的磁通量大致还是相同的，此时系统负载的功率和充电电压均不发生变化，使线圈在较大偏移下耦合系数基本不变，保持系统较高输出效率，提升了无线电能传输系统的抗偏移能力，使其具备较高的稳定性；

26、(2)本发明中，所采用的线圈补偿结构，可在空间平面上建立均匀磁场，符合大多数便携式电子设备的充电要求，且线圈结构简单，可操作性高，可根据条件应用场景改变算法变量和约束条件，适用范围广，实用性大，可移植性强。

技术特征：

1.一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，其特征在于：包括发射线圈和接收线圈，发射线圈包括若干阵列线圈和补偿线圈，阵列线圈分别位于正六边形的六个角上，且该正六边形的中心处也设有一阵列线圈；补偿线圈分别位于正六边形的六个角上，且补偿线圈设置于位于中心位置阵列线圈与其他相邻两阵列线圈组成的三角形的中心处；

2.根据权利要求1所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，其特征在于：所述基本典型单元中，三个阵列线圈的磁场强度满足以下方程：

3.根据权利要求2所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，其特征在于：相邻所述阵列线圈的间距设置为2s，s表示一个阵列线圈的中心到阵列线圈磁场强度为0的位置的最小距离，且满足：

4.根据权利要求1所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，其特征在于：所述补偿线圈的匝数为n2，补偿线圈空间内磁场强度满足：

5.根据权利要求4所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，其特征在于：所述补偿线圈的电流满足以下方程：

6.根据权利要求1所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，其特征在于：所述发射线圈设置为金属线圈或利兹线。

7.根据权利要求1所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，其特征在于：所述阵列线圈的线径设置为0.5mm，且匝数设置为13匝。

8.根据权利要求2所述的一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，其特征在于：所述阵列线圈的电流大小i1设置为1a。

技术总结
本发明公开了一种用于实现宽范围高效率无线输电含补偿结构的线圈，涉及无线电能传输技术领域，包括阵列线圈和补偿线圈，阵列线圈设置为正六边形平面螺旋线圈，补偿线圈包括3个首尾依次相连的60°圆弧，各阵列线圈内导线绕制方向相同，电流相同，补偿线圈均匀分布于阵列线圈之中；由于此发射线圈由六边形线圈和补偿线圈结合构成，合理设定发射线圈参数，可综合调控发射线圈上方充电平面的磁场，实现均匀的磁场分布，提高了无线电能传输系统的抗偏移能力，由此实现充电平面内接受负载的恒压稳定功率充电，同时有效提高空间内磁场的均匀性，为便携式电子设备乃至电动汽车无线充电等无线充电平台充电设计提供良好的指导意义。

技术研发人员：荣灿灿,许润杰,温雨凯,房如亮,王骏腾,陈昭明,夏晨阳,廖志娟,刘旭
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12