[發明專利]一種無線電能傳輸系統的PCB線圈裝置設計方法

有效

• 申請號: 202011489508.4
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112735727B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 王友情;鄭正奇;趙昆;余超;張海燕
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: H01F5/00
• 分類號: H01F5/00;H01F41/04;H02J50/12;H02J50/50
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種無線電能傳輸系統的PCB線圈裝置設計方法，其特點是采用PCB印刷電路將激勵?負載線圈和發射?接收線圈線圈設計在一層或多層的電路板上，印制成兩線圈系統、四線圈系統或中繼線圈系統的PCB線圈裝置。本發明與現有技術相比具有設備體積，提升線圈參數精度等特點，線圈裝置可以貼合在設備表面，對改善設備的小型化和美觀程度有著較強的優勢，且傳輸的功率和效率較高，極大的減小了線圈的趨膚效應和鄰近效應，在未來無線電能傳輸領域具有較高的與實際應用價值和商業優勢。

技術領域：

本發明涉及無線電能傳輸技術領域，尤其是一種用于無線電能傳輸系統的PCB線圈裝置設計方法。

背景技術：

無線電能傳輸技術可以在避免物理導線接觸處的情況下將能量傳輸到負載端，在未來移動用電設備中有著廣泛的應用，尤其是手機，機器人，電動汽車等領域。其基本原理是利用高頻的變化磁場作為傳輸介質，用兩個具有相同諧振頻率的線圈，一個作為發射端，另一個作為接收端，在發射端通入諧振頻率的電流后，便會在周圍產生同頻率的變化磁場，接收端的線圈處于一定的磁場范圍內時，其內部也會產生相同頻率的諧振電流。相對于傳統的有線電能傳輸技術具有可靠性更好，實用性更強，安全性更好，美觀性和便攜性更高，維護方便，節省資源等諸多優勢。影響無線電能傳輸的關鍵因素有頻率、距離、匹配等，通常頻率越高，距離越近，匹配度越高傳輸效率越高。在頻率方面，由于要考慮電磁兼容的問題，相關標準對頻率有一定的規定，如電動汽車無線充電技術中比較常用的頻率有85KHz，小功率設備中也有使用13.56MHz作為傳輸頻率的，這些頻率都是公開的民用頻段。

對于傳輸距離，目前沒有特別明確的規定，但各類研究開發都在試圖將傳輸距離提升到更遠的程度。因而出現了三線圈系統和四線圈系統，在三線圈系統中，除了發射線圈和接收線圈外還有一個中繼線圈；四線圈系統中除了發射線圈和接收線圈外，還存在激勵線圈和負載線圈。激勵線圈多由匝數較少的線圈構成，激勵線圈和發射線圈貼合在一起發射線圈中的電流由激勵線圈產生高頻磁場諧振產生。

理論上需要發射端和接收端的諧振頻率完全一致才能保證傳輸效率。由于諧振時電容和電感上的電壓相互抵消，整個電路呈純阻性，因此電路的諧振頻率僅與線路的電容和電感有關。為了保證無線電能傳輸的諧振參數一致，通常使用兩個相同的線圈，但是由于實際工藝和材料的特性，兩個線圈的參數很難到完全一樣。而且由于無線電能傳輸工作在高頻環境中，電感L和電容C的值都比較小，線圈的參數細微差異都將對系統的諧振頻率造成影響。

目前，比較常見的線圈結構有螺旋密繞型、平面螺旋型和空間螺旋型三種。螺旋密繞線圈結構相對來說比較簡單，但是這類線圈由于導線都集中在一處，體積較大，而且由于線圈緊密繞制，導線的發熱，形變等都是比較棘手的問題；平面螺旋形線圈形狀類似于一個盤式蚊香，線圈的半徑逐漸擴大但都在同一平面，形成一個圓盤狀的線圈，因為其厚度只有一圈，這類線圈可以做的比較薄，適合在各類設備上集成，大幅的縮小設備的體積，但是這類線圈的各圈半徑不一致，因此存在一定的方向性，當線圈發生較大的偏移時其傳輸的效果也會有所下降；空間螺旋結構線圈似于日常生活中所見到的彈簧，這類線圈的體積較大，利用線圈的固有諧振頻率實現諧振，從而不需要外接電容，但是這類線圈容易發生形變，環境的濕度和溫度以及導線自身的發熱膨脹等都會對線圈的參數產生很大的影響。

綜上所述，現有技術的無線電能傳輸裝置和體積大，占用設備空間，諧振匹配較難，趨膚效應和鄰近效應較大。雖然PCB線圈已有實際用例，但是目前均采用單股均勻導線設計，由于平面導線承載的電流較小，同樣存在趨膚效應和鄰近效應，導線發熱不均勻導致PCB線圈發生形變，進而影響到系統整體參數。

發明內容