一种非对称QRS无线电能传输新型线圈结构及其应用

本发明属于无线电能传输领域，尤其涉及一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构及其应用。

背景技术：

1、近年来，光伏发电，风力发电，水力发电等发电方式得到了广泛深入研究与应用。在此背景下，电动汽车代替传统汽车作为人类出行必不可少的交通工具得到了飞速发展，与传统的汽车比较，电动汽车不会产生尾气等污染环境。但随着对电动汽车研究的逐渐深入，充电方式、续航里程与充电时间成为制约电动汽车发展的关键因素。

2、磁耦合谐振式无线电能传输技术因其近场传输高效、低损耗的特点，可有效解决传统电动汽车有线供电模式存在的设备沉重，充电复杂，充电范围受充电线长度的限制，在充电时容易产生电火花，容易产生安全隐患，须耗费大量人力进行维护等各种不足，近年来得到了深入的研究。磁耦合结构作为电动汽车无线充电系统中的核心结构，对整个系统的功率和效率有重要的影响。

3、现有的电动汽车无线电能传输线圈结构大部分采用的是圆形线圈，方形线圈和dd线圈等线圈结构，当电动汽车发射线圈和接收线圈之间发生停车位置不准确等情况时，这些线圈间的互感会急剧减小，从而造成系统传输效率急剧下降。为了解决这一问题，磁耦合机构的研究与设计至关重要。

技术实现思路

1、发明目的：为了解决因电动汽车无线充电过程中因停车位置不准确造成系统线圈之间的互感值大幅降低的情况，从而影响系统的输出功率与输出效率，本发明提出了一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构及其应用，其原副边线圈包括四个矩形线圈(qr)和一个菱形线圈(s线圈)。称其为qrs线圈。本发明可以在满足能量传输与所需空间的条件下，在角度方向与水平方向具有更好的抗偏移性。

2、技术方案：本发明的一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构，包括原边发射线圈和副边接收线圈；所述原边发射线圈包括原边矩形线圈q1，原边矩形线圈q2，原边矩形线圈q3，原边矩形线圈q4和原边菱形线圈s1，四个矩形线圈呈逆时针方向旋转排列，外圈共同构成一个正方形，每个矩形线圈的短边分别与相邻的矩形线圈长边相连，菱形线圈s1位于四个矩形线圈构成的正方形中间，与矩形线圈紧贴；所述副边接收线圈包括副边矩形线圈d1，副边矩形线圈d2，副边矩形线圈d3，副边矩形线圈d4和副边菱形线圈s2，四个矩形线圈呈顺时针方向旋转排列，外圈共同构成一个正方形，每个矩形线圈的短边分别与相邻的矩形线圈长边相连，菱形线圈s2位于四个矩形线圈构成的正方形中间，与矩形线圈紧贴；当进行无线电能传输时，在原边发射线圈通入高频电流，原边发射线圈会产生变化磁场，当这个变化的磁场通过副边接收线圈时，会在副边接收线圈感应出电流，从而完成无线电能传输。

3、进一步的，所述原副边矩形线圈竖边为长边，横边为短边，菱形线圈边长即为斜边边长，矩形线圈的短边为长边的一半，即矩形线圈的长边为线圈整体宽度的三分之二，短边为线圈整体宽度的三分之一，菱形线圈长度为线圈整体宽度的二分之一。此时形成磁场较为均匀，线圈抗偏移性能较好。

4、进一步的，所述原边发射线圈以矩形线圈q1内部竖边线圈终点为起点，进入矩形线圈q1内部，围绕矩形线圈q1依次向外缠绕，外圈到达矩形线圈q2外部竖边时从外向内缠绕，当最内圈到达矩形线圈q2内部竖边时进入菱形线圈外部并由外向内缠绕，当到达菱形线圈s1最内圈时进入矩形线圈q3内部竖边并由内向外缠绕，外圈到达矩形线圈q4外部竖边时从外向内缠绕；所述的副边接收线圈以矩形线圈d1内部竖边线圈终点为起点，进入矩形线圈d1内部，围绕矩形线圈d1依次向外缠绕，外圈到达矩形线圈d2外部竖边时从外向内缠绕，当最内圈到达矩形线圈d2内部竖边时进入菱形线圈外部并由外向内缠绕，当到达菱形线圈s2最内圈时进入矩形线圈d3内部竖边并由内向外缠绕，外圈到达矩形线圈d4外部竖边时从外向内缠绕。

5、进一步的，所述的原边矩形线圈q1、原边矩型线圈q2、原边矩形线圈q3和原边矩形线圈q4组成正方形外圈；所述的原边矩形线圈q1、原边矩形线圈q2、原边矩形线圈q3和原边矩形线圈q4组成正方形内圈；所述的副边矩形线圈d1、矩型线圈d2、矩形线圈d3和矩形线圈d4组成正方形外圈；所述的副边矩形线圈d1、副边矩形线圈d2、副边矩形线圈d3和副边矩形线圈d4组成正方形内圈。

6、进一步的，所述原边发射线圈和副边接收线圈采用利兹线绕制。

7、进一步的，当进行无线电能传输时，原边发射线圈与副边接收线圈正对排列。

8、进一步的，所述原边菱形线圈s1位于原边矩形线圈q1、原边矩形线圈q2、原边矩形线圈q3和原边矩形线圈q4组成正方形内圈中央上方；所述副边菱形线圈s2位于副边矩形线圈d1、副边矩形线圈d2、副边矩形线圈d3和副边矩形线圈d4组成正方形内圈中央下方。

9、进一步的，菱形线圈四个边长相等，且边长之间夹角为90度。

10、本发明还公开一种根据非对称qrs无线电能传输新型线圈结构的无线电能传输系统，包括直流电源，发射模块与接收模块分别由所述原边发射线圈和副边接收线圈与补偿电容串联构成，直流电源输出端和逆变电路输入端相连接，逆变电路输出端与发射模块的输入端相连接，接收模块的输出端与整流电路的输入端相连接，整流电路的输出端与负载相连接，共同构成无线电能传输系统。

11、本发明还公开一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构的应用，所述非对称qrs无线电能传输新型线圈结构应用于电动汽车无线电能传输。现有的电动汽车无线电能传输线圈结构大部分采用的是圆形线圈，方形线圈和dd线圈等线圈结构，当电动汽车发射线圈和接收线圈之间发生停车位置不准确等情况时，这些线圈间的互感会急剧减小。非对称qrs无线电能传输新型线圈结构相较于方形线圈与dd线圈，其磁场更为均匀，故其偏移自由度优于方形线圈与dd线圈。

12、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

13、(1)由于矩形线圈在长边方向抗偏移性显著优于方形线圈，故原边发射线圈采用四个矩形线圈逆时针串联构成正方形外圈的结构既可增加线圈各个方向的抗偏移性，又可保证其在各个方向的抗偏移性更加均衡，内部构成正方形内圈的结构可以减少不同矩形线圈间磁场相互抵消，减少利兹线的绕线长度，从而减少线圈绕制成本，同时四个矩形线圈上方采用s线圈串联，可以弥补中心磁场的不足，消除原边发射线圈与副边接收线圈间磁场零点，使磁场分布更加均匀，副边接收线圈采用顺时针串联结构，可进一步优化原副边线圈磁场分布，使磁场更为均匀，抗偏移性更强。

14、(2)相较于方形线圈与dd线圈结构，非对称qrs线圈结构磁场分布更为均匀，不存在线圈零点，在满足能量传输与所需空间的条件下，非对称qrs线圈结构在角度方向与水平方向具有更好的抗偏移性。

技术特征：

1.一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构，其特征在于，包括原边发射线圈(6)和副边接收线圈(12)；所述原边发射线圈(6)包括原边矩形线圈q1(1)，原边矩形线圈q2(2)，原边矩形线圈q3(3)，原边矩形线圈q4(4)和原边菱形线圈s1(5)，四个矩形线圈呈逆时针方向旋转排列，外圈共同构成一个正方形，每个矩形线圈的短边分别与相邻的矩形线圈长边相连，菱形线圈s1(5)位于四个矩形线圈构成的正方形中间，与矩形线圈紧贴；所述副边接收线圈(12)包括副边矩形线圈d1(7)，副边矩形线圈d2(8)，副边矩形线圈d3(9)，副边矩形线圈d4(10)和副边菱形线圈s2(11)，四个矩形线圈呈顺时针方向旋转排列，外圈共同构成一个正方形，每个矩形线圈的短边分别与相邻的矩形线圈长边相连，菱形线圈s2位于四个矩形线圈构成的正方形中间，与矩形线圈紧贴；当进行无线电能传输时，在原边发射线圈通入高频电流，原边发射线圈会产生变化磁场，当这个变化的磁场通过副边接收线圈时，会在副边接收线圈感应出电流，从而完成无线电能传输。

2.根据权利要求1所述的一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构，其特征在于，所述原副边矩形线圈竖边为长边(13)，横边为短边(14)，菱形线圈边长即为斜边边长(15)，矩形线圈的短边为长边的一半，即矩形线圈的长边为线圈整体宽度的三分之二，短边为线圈整体宽度的三分之一，菱形线圈长度为线圈整体宽度的二分之一。

3.根据权利要求1所述的一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构，其特征在于，所述原边发射线圈(6)以矩形线圈q1(1)内部竖边线圈(13)终点为起点，进入矩形线圈q1(1)内部，围绕矩形线圈q1(1)依次向外缠绕，外圈到达矩形线圈q2(2)外部竖边时从外向内缠绕，当最内圈到达矩形线圈q2(2)内部竖边时进入菱形线圈外部并由外向内缠绕，当到达菱形线圈s1(5)最内圈时进入矩形线圈q3(3)内部竖边并由内向外缠绕，外圈到达矩形线圈q4(4)外部竖边时从外向内缠绕；所述副边接收线圈(12)以矩形线圈d1(7)内部竖边线圈终点为起点，进入矩形线圈d1(7)内部，围绕矩形线圈d1(7)依次向外缠绕，外圈到达矩形线圈d2(8)外部竖边时从外向内缠绕，当最内圈到达矩形线圈d2(8)内部竖边时进入菱形线圈外部并由外向内缠绕，当到达菱形线圈s2(11)最内圈时进入矩形线圈d3(9)内部竖边并由内向外缠绕，外圈到达矩形线圈d4(10)外部竖边时从外向内缠绕。

4.根据权利要求1所述的一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构，其特征在于，所述的原边矩形线圈q1(1)、原边矩型线圈q2(2)、原边矩形线圈q3(3)和原边矩形线圈q4(4)组成正方形外圈；所述的原边矩形线圈q1(1)、原边矩形线圈q2(2)、原边矩形线圈q3(3)和原边矩形线圈q4(4)组成正方形内圈；所述的副边矩形线圈d1(7)、矩型线圈d2(8)、矩形线圈d3(9)和矩形线圈d4(10)组成正方形外圈；所述的副边矩形线圈d1(7)、副边矩形线圈d2(8)、副边矩形线圈d3(9)和副边矩形线圈d4(10)组成正方形内圈。

5.根据权利要求1所述的一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构，其特征在于，所述原边发射线圈(6)和副边接收线圈(12)采用利兹线绕制。

6.根据权利要求1所述的一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构，其特征在于，所述菱形线圈四个边长(15)相等，且边长之间夹角为90度。

7.根据权利要求1所述的一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构，其特征在于，当进行无线电能传输时，原边发射线圈(6)与副边接收线圈(12)正对排列。

8.根据权利要求1所述的一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构，其特征在于，所述原边菱形线圈s1(5)位于原边矩形线圈q1(1)、原边矩形线圈q2(2)、原边矩形线圈q3(3)和原边矩形线圈q4(4)组成正方形内圈中央上方；所述副边菱形线圈s2(11)位于副边矩形线圈d1(7)、副边矩形线圈d2(8)、副边矩形线圈d3(9)和副边矩形线圈d4(10)组成正方形内圈中央下方。

9.一种根据权利要求1所述的一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构的无线电能传输系统，其特征在于，包括直流电源(18)，所述发射模块(16)与接收模块(17)分别由所述原边发射线圈(6)和副边接收线圈(12)与补偿电容串联构成，直流电源(18)输出端和逆变电路(19)输入端相连接，逆变电路(19)输出端与发射模块(16)的输入端相连接，接收模块(17)的输出端与整流电路(20)的输入端相连接，整流电路(20)的输出端与负载(21)相连接，共同构成无线电能传输系统。

10.一种根据权利要求1所述的一种非对称qrs无线电能传输新型线圈结构的应用，其特征在于：所述非对称qrs无线电能传输新型线圈结构应用于电动汽车无线电能传输。

技术总结
本发明公开了一种非对称QRS无线电能传输新型线圈结构，包括原边发射线圈和副边接收线圈；两者包括串联连接的四个相同的矩形线圈和一个菱形线圈，原边发射线圈与副边接收线圈的四个矩形线圈分别呈逆时针方向旋转排列与顺时针方向旋转排列，外圈共同构成一个正方形，每个矩形线圈的短边分别与相邻的矩形线圈长边相连，菱形线圈位于四个矩形线圈构成的正方形中间，与矩形线圈紧密贴合；当进行无线电能传输时，在原边发射线圈通入高频电流，产生变化磁场，当这个变化的磁场通过副边接收线圈时，会在副边接收线圈感应出电流，完成无线电能传输。本发明在满足能量传输与所需空间的条件下，在角度方向与水平方向具有更好的抗偏移性。

技术研发人员：刘旭,曹宇鹏,金大亮,施羽彤,夏晨阳,廖志娟,荣灿灿
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：2024/1/15