本發明專利技術涉及一種無線電能傳輸磁耦合結構，包括發射側磁結構及接收側磁結構，其特征在于：所述發射側磁結構由若干矩形線圈組成，所述矩形線圈呈品字形分布，使得其產生的電流流動分布形成相鄰矩形回路之間呈相反的流動方向，發射側的線圈構成一個磁場發射平面；所述接收側磁結構包含分別設于三個正交方向上的線圈組，用以分別感應三個正交方向的磁場分量。本發明專利技術具有更高的耦合系數和更高效的電能傳輸效率，同時對周圍空間具有很小的電磁干擾，可廣泛用于各種功率級別的無線電能傳輸系統。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種無線電能傳輸磁耦合結構及其電路，屬于能源傳輸領域。
技術介紹
無線感應電能傳輸是通過非直接電傳導傳輸電功率，目前主要通過高頻磁場耦合將電功率從發射側(TX)的磁結構經空間感應傳輸到接收(RX)側的磁結構，為了提高無線電能傳輸效率和降低電磁干擾，發射和接收側磁稱合結構成為無線電能傳輸的技術關鍵。尤其是在許多無線充電的應用場合下，如電動汽車無線感應充電，桌面型無線感應充電等，其接收側一般為相對于發射側平面有一定提離距離，并相對于發射側平面可隨意平行移動，這就要求其具有如下特殊性能 a:在發射和接收側磁結構之間的耦合系數高，能夠拾取盡量多的從發射側磁結構發射的磁場，尤其當發射側與接收側的相對位置不是固定的，根據不同應用情況具有一定的提離(發射和接收線圈磁結構之間的距離)和水平任意偏移的情況下，仍然具有盡量高的耦合系數。b為了避免發射線圈磁場對環境造成電磁干擾，磁耦合結構對周圍環境空間具有盡量小的電磁泄露干擾。現有技術方案接收側和發射側線圈的相對位置是相對固定的，如固定接收側擺放位置，或采用永磁鐵定位，這樣限制了無線充電裝置的使用便捷性。在這種應用情況下，現有方案主要圍繞通過磁結構的設計來提高耦合系數。圖I為一種發射側與接收側的磁結構，但必須保證在垂直方向上兩者沒有錯位；圖2為了提高發射側與接收側的耦合系數，對接收側的磁芯結構作端部擴展。圖3 (專利公開號CN101243593A)使用一個輔助線圈來補強原來矩形平面繞組所產生磁場的薄弱部分。圖4通過圓環螺紋形線圈電流密度(延R徑向方向)的不均勻分布，提高所產生磁場(h方向上)的均勻性(參考論文)，該方案僅利用h方向上的磁場，且為了保證h方向上磁場的均勻性，將導致發射側磁場擴散到較大的范圍。雖然這些方案有助于提高耦合系數或提高提離距離，但都只能適用于發射和接收側相對位置固定的情況，而且發射側的磁場擴散距離很遠，需要采取其他技術措施，如檢測不存在接收側時，則關閉發射側電源。圖5 (專利公開號CN102005829A)采用伺服電機控制發射側或接收側線圈的轉動，從而定位到最大的耦合系數，但成本高，體積大，控制復雜，也存在機械壽命問題。為了減少發射側磁結構的磁場擴散到太遠距離，圖6 (專利號US7，164，255，B2)采用多個發射線圈層疊排列(其中實線部分與虛線部分別為兩個發射線圈層)，雖然有助于將發射側磁場擴散范圍控制在一定距離內，但陣列化的線圈由于各線圈緊密或是交替排列，產生的磁場相互抵消了一部分，因而產生的總磁場強度與單個線圈相比，大大減弱了。為了達到一定的輸出功率，就必須提高輸入電壓或是電流，這不僅加大了系統了電容量等級，功率半導體器件的電壓電流應力，同時還會加大了系統的損耗，對系統的成本，性能等造成了很大的影響。圖7 (專利公開號CN1819397A)其接收側使用三個方形小線圈作為接收側線圈，發射側采用直徑相比于接收側尺度大很多的螺管形線圈。雖然接收側可以感應三個不同方向的磁場，提高總體耦合性能，但其發射側線圈產生的磁場通常會擴散至較大的范圍；其接收側線圈通常在螺旋形發射側線圈產生的空間磁場中可以有任意位移和旋轉，如吞服在人體內的智能藥丸等應用場合。總之，針對平面型無線電能傳輸的應用場合，目前技術的缺陷是 a.發射和接收側磁感應耦合系數低，電能傳輸效率差；尤其不能很好地適用于接收側磁結構相對于發射側磁結構有任意偏移的情況； b.發射側磁結構產生的磁場泄漏輻射范圍大，會帶來很大范圍的電磁干擾問題。
技術實現思路
針對以上現有技術存在的問題，本專利技術的目的在于提供一種無線電能傳輸磁耦合 結構及其電路，本專利技術的發射和接收側磁結構及其電路在兩者具有較大提離和任意平移的情況下，具有更高的耦合系數和更高效的電能傳輸效率，同時對周圍空間具有很小的電磁干擾。本專利技術的技術方案在于 一種無線電能傳輸磁耦合結構，包括發射側磁結構及接收側磁結構，其特征在于所述發射側磁結構由若干矩形線圈組成，所述矩形線圈呈品字形分布，使得其產生的電流流動分布形成相鄰矩形回路之間呈相反的流動方向，發射側的線圈構成一個磁場發射平面；所述接收側磁結構包含分別設于三個正交方向上的線圈組，用以分別感應三個正交方向的磁場分量。其中，所述發射側磁結構還包含有平面型的高頻磁芯底板，所述高頻磁芯底板上設置矩形線圈。所述發射側磁結構還包含有平面型的高頻磁芯底板，所述高頻磁芯底板上具有用于繞制矩形線圈的磁芯凸臺。所述接收側磁結構還包含有高頻磁芯，所述高頻磁芯上沿三個正交方向分別繞有線圈組。所述接收側磁結構的高頻磁芯的水平橫向磁芯尺寸與發射側磁結構矩形線圈的電流矩形回路的尺度偏差不超過20%，從而相接近。所述發射側磁結構的矩形線圈的電流回路尺寸大于接收側磁結構與發射側磁結構平面之間最大提離距離的兩倍。所述接收側磁結構的三個線圈組之間沒有磁耦合。所述發射側磁結構和接收側磁結構為扁平化結構。本專利技術的另一技術方案在于一種描述無線電能傳輸磁稱合結構的電路，其特征在于包括發射側磁結構及接收側磁結構，所述接收側磁結構包含分別設于三個正交方向上的線圈組，所述發射側磁結構經發射側匹配網絡與電源連接，所述接收側磁結構的三個線圈組分別感應三個正交方向的磁場分量，且三個線圈組通過各自的接收側阻抗匹配網絡分別連接到三個橋式整流電路，所述的三個整流電路的三個輸出通過直流轉換模塊連接到后級的電路或負載。本專利技術的優點在于本專利技術所揭示的無線感應電能傳輸發射和接收側磁結構具有平面化結構、耦合系數大、傳輸效率高以及磁場擴散范圍小的顯著優點；在接收側和發射側磁結構間發生相對位置的偏移時，仍然可以保持足夠的接收側與發射側間的感應耦合系數；可廣泛用于各種功率級別的無線電能傳輸系統，對于發射側與接收側磁結構相對位置不固定的應用場景尤為適用。附圖說明圖I已知無線電能傳輸磁稱合結構一示意圖。圖2已知無線電能傳輸磁耦合結構二示意圖。圖3已知無線電能傳輸磁稱合結構三示意圖。圖4已知無線電能傳輸磁耦合結構四示意圖。 圖5已知無線電能傳輸磁稱合結構五不意圖。圖6已知無線電能傳輸磁稱合結構六示意圖。圖7已知無線電能傳輸磁稱合結構七示意圖。圖8為本專利技術的無線電能傳輸磁耦合結構二維示意圖。圖9為本專利技術的無線電能傳輸磁耦合結構下的電路結構示意圖。圖10為本專利技術的無線電能傳輸磁耦合結構的接收側實施例一的立體結構示意圖。圖11為本專利技術的無線電能傳輸磁耦合結構的發射側實施例一的二維結構示意圖。圖12為圖11的電流回路簡化示意圖。圖13為本專利技術的無線電能傳輸磁耦合結構的發射側實施例二的二維結構示意圖。圖14為圖13的電流回路簡化示意圖。圖15為本專利技術的無線電能傳輸磁耦合結構的發射側實施例三的二維結構示意圖。圖16為圖15的電流回路簡化示意圖。圖17為本專利技術二維截面上發射側磁結構產生的磁場分布圖。圖18為本專利技術二維截面上沿線段1，2，3，4，5上的磁通密度分布曲線圖。圖19為本專利技術下的不同偏移量X下兩個線圈組的與發射側線圈組的耦合系數圖。圖20為圖11的立體結構視圖。圖21為圖13的立體結構視圖。圖22為圖15的立體結構視圖。圖23為本專利技術的無線電能傳輸磁耦合結構的接收側實施例二的立體結構示意圖。圖24為本專利技術的無線電能傳輸磁耦合結構的接收側實施例三的立體結構示意本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種無線電能傳輸磁耦合結構，包括發射側磁結構及接收側磁結構，其特征在于：所述發射側磁結構由若干矩形線圈組成，所述矩形線圈呈品字形分布，使得其產生的電流流動分布形成相鄰矩形回路之間呈相反的流動方向，發射側的線圈構成一個磁場發射平面；所述接收側磁結構包含分別設于三個正交方向上的線圈組，用以分別感應三個正交方向的磁場分量。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳為，黃曉生，謝文燕，陳慶彬，
申請(專利權)人：福州大學，
類型：發明
國別省市：
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