[發明專利]一種線圈可調式無線電能傳輸耦合機構及其設計方法

有效

• 申請號: 202010176343.9
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111371199B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 譚林林;孟濤;王成亮;楊慶勝;翟學峰;徐妍;黃學良
• 申請（專利權）人: 東南大學;江蘇方天電力技術有限公司
• 主分類號: H02J50/40
• 分類號: H02J50/40;H02J50/12
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 許小莉

本發明公開了一種線圈可調式無線電能傳輸耦合機構及其設計方法，本發明的線圈可調式無線電能傳輸耦合機構包括發射端及接收端，所述發射端包括發射線圈及伸縮式支架，所述發射線圈由四個尺寸規格相同的圓形線圈交疊組成用于產生多自由度的磁場，所述伸縮式支架包括在平面上相互垂直的四個支撐桿，每個所述支撐桿上安裝一個所述的圓形線圈；所述接收端結構包括一個接收線圈和磁芯：所述接收線圈為方形環路線圈用于耦合發射線圈接收能量，所述接收線圈表面刷有絕緣層，其上平面與磁芯下平面平行，兩者在距離上貼合。本發明具有靈活滿足多種傳輸需求的優點。

技術領域

本發明屬于無線電能傳輸技術領域，具體涉及一種線圈可調式無線電能傳輸耦合機構及其設計方法。

背景技術

無線電能傳輸技術是目前比較新型的電能傳輸技術之一，可通過空氣等媒介，避開電纜線的直接物理連接實現能量的有效傳遞，依托感應、磁耦合諧振、微波等技術可實現傳輸距離為幾厘米至幾米，傳輸功率幾瓦至幾十千瓦，完全可滿足電動汽車充放電功率和距離的需求，同時也具備了供電方式靈活，綠色環保、無接觸電火花、充電過程中無人工插拔操作、無機構磨損等一系列優點。

磁耦合諧振式無線電能傳輸由于其較感應式傳輸距離更遠且能獲得較大的傳輸效率，近年來獲得廣泛的關注。耦合機構的設計是磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的關鍵組成部分，高性能的耦合機構可以增加能量的傳輸距離、提高系統的傳輸效率、增加傳輸系統的抗偏移能力。通常會在原邊線圈與副邊線圈的工作回路中添加諧振電容，根據原邊和副邊耦合機構中電容與線圈的連接方式，將耦合機構的種類SS、SP、PS和PP四種類型，其中S代表電容與線圈串聯連接，P代表電容與線圈并聯連接。

無線電能傳輸系統由于其發射端和接收端分離，所以經常發生線圈無法完全對準的情況，甚至在某些特定的場合，需要在一定的傳輸特性下允許接收端能夠在一定的范圍內偏移。而傳統的無線電能傳輸磁耦合機構設計通常磁路被設計成固定式，其適用范圍較小。當應用需求發生變化時，需要重新設計耦合機構，增加了成本。所以設計能夠滿足較大的適用范圍的磁耦合機構，當傳輸需求發生改變時，能靈活地產生較強的耦合或滿足不同范圍的抗偏移能力耦合機構，是呈待解決的問題。

發明內容

為解決現有技術存在的問題，本發明提出了一種線圈可調式無線電能傳輸耦合機構及其設計方法，實現多種需求場景的無線電能傳輸。

技術方案：為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

一種線圈可調式無線電能傳輸耦合機構，包括發射端及接收端，所述發射端包括發射線圈及伸縮式支架，所述發射線圈由四個尺寸規格相同的圓形線圈交疊組成用于產生多自由度的磁場，所述伸縮式支架包括在平面上相互垂直的四個支撐桿，每個所述支撐桿上安裝一個所述的圓形線圈；所述接收端結構包括一個接收線圈和磁芯：所述接收線圈為方形環路線圈用于耦合發射線圈接收能量，所述接收線圈表面刷有絕緣層，其上平面與磁芯下平面平行，兩者在距離上貼合。

進一步地，所述發射端的四個圓形線圈由利茲線繞至而成，且四個圓形線圈串聯連接。

進一步地，所述發射端的四個圓形線圈尺寸相同且相互交疊放置，單個線圈的半徑為r通過以下方法確定：當耦合機構的傳輸距離為z,根據磁場大小H與發射線圈尺寸與傳輸距離的關系，設定：

此時可獲得滿足發射端與接收端的耦合需求的磁場強度H。

進一步地，所述發射端的四個圓形線圈的圓心坐標與接收線圈的幾何中心可移動區域之間的關系為：設發射端的單個線圈的圓心坐標為(x_m,y_m)(其中m＝1，2，3，4)，令各發射線圈圓心只在所處坐標象限中沿與坐標軸夾角45°方向移動且移動的距離相同，設移動距離為ΔL，則移動的范圍為ΔL＝0～r，進而得出接收線圈的幾何中心可移動區域為邊長為d的正方形，其中各發射線圈的圓心坐標為：