一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构
阅读说明：本技术 一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构 (Cross solenoid magnetic coupling mechanism with high offset performance ) 是由 卢闻州 赵健 陈海英 樊启高 朱一昕 黄文涛 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构,涉及无线电能传输领域,该十字螺线管磁耦合机构包括相对设置的发射结构和接收结构,接收结构包括接收导磁片以及以十字正交的方式绕制其中部的两个接收线圈,发射结构中的发射导磁片的短边和长边均不小于接收导磁片的边长,第一发射线圈沿着长边方向绕制在发射导磁片的中部,第二发射线圈和第三发射线圈分别沿着短边方向绕制在发射导磁片的两端,第四发射线圈沿着短边方向绕制在发射导磁片的中部,该十字螺线管磁耦合机构具有较宽的恒定互感区域,可以为接收结构提供更大且更稳定的工作区域,具有高偏移性能,可以用于对抗偏移性能要求较高的场合。(The invention discloses a cross solenoid magnetic coupling mechanism with high offset performance, which relates to the field of wireless power transmission and comprises a transmitting structure and a receiving structure which are oppositely arranged, wherein the receiving structure comprises a receiving magnetic conductive sheet and two receiving coils wound around the middle part of the receiving magnetic conductive sheet in a cross orthogonal mode, the short side and the long side of the transmitting magnetic conductive sheet in the transmitting structure are not smaller than the side length of the receiving magnetic conductive sheet, a first transmitting coil is wound around the middle part of the transmitting magnetic conductive sheet along the long side direction, a second transmitting coil and a third transmitting coil are respectively wound around the two ends of the transmitting magnetic conductive sheet along the short side direction, a fourth transmitting coil is wound around the middle part of the transmitting magnetic conductive sheet along the short side direction, the cross solenoid magnetic coupling mechanism has a wider constant mutual inductance area, can provide a larger and more stable working area for the receiving structure, and has high offset performance, can be used in the occasions with higher requirements on the anti-offset performance.)
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，尤其是一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构。
背景技术
近些年来，无线电能传输技术因其安全环保、可靠性高等优点，迅猛发展，逐渐进入到各行各业。目前，无线电能传输技术已经应用于电动汽车领域、消费类便携电子产品领域、医疗植入设备领域等等，采用无线电能传输技术的产品呈现“井喷式”发展。
然而，与传统有线充电技术相比，无线电能传输技术具有一大弊端，即较差的空间自由度。当无线电能传输系统磁耦合机构之间的相对位置发生偏移时，系统的传输效率和传输功率会受到较大程度的影响。当偏移达到一定距离时，系统将无法正常工作，这一特性大大局限了无线电能传输技术的发展。
目前学者的研究主要通过磁耦合机构以及补偿网络两个方面来提升系统的抗偏移性能。其中磁耦合机构相关方面的研究相对较多，具有较强抗偏移的磁耦合机构有：DD线圈、DDQ线圈、BP线圈、圆形非对称线圈、四面体型线圈、三维正交铁氧体线圈以及其他立体式三维线圈结构等。但是，这些线圈均有各自的缺点，例如DD线圈存在耦合零点问题，DDQ线圈、BP线圈需要双逆变器驱动，立体式三维线圈结构的抗偏移性能普遍较差。此外，上述线圈结构具有一个共性缺点，即在发生偏移的情况下，收发线圈之间的互感均会有一定程度的波动，这是由于发射线圈无法提供一个均匀的磁场。
公开号为108962571A的专利提出了一种十字交叉型平面螺线管式磁耦合机构，此种磁耦合机构相比于上述常规的线圈提升了抗偏移性能，主要体现在：随着收发线圈之间偏移的增大，线圈之间的耦合系数减小的较为缓慢。但是受限于文件中提到的磁耦合结构的对称性，当收发线圈之间发生偏移时，收发线圈之间的耦合会迅速降低，影响系统正常工作，因此实际其收发线圈之间的抗偏移能力仍然并不理想。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构，本发明的技术方案如下：
一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构，该十字螺线管磁耦合机构包括相对设置的发射结构和接收结构；
接收结构包括接收导磁片以及两个接收线圈，接收导磁片呈正方形结构，第一接收线圈和第二接收线圈以十字正交的方式绕制在接收导磁片的中部；
发射结构包括发射导磁片以及四个发射线圈，发射导磁片呈长方形结构，且发射导磁片的短边和长边均不小于接收导磁片的边长；第一发射线圈沿着发射导磁片的长边方向绕制在发射导磁片的中部，第二发射线圈和第三发射线圈分别沿着发射导磁片的短边方向绕制在发射导磁片的两端，第四发射线圈沿着发射导磁片的短边方向绕制在发射导磁片的中部。
其进一步的技术方案为，发射导磁片的短边w与接收导磁片的边长a之间满足：0.8w≤a≤w。
其进一步的技术方案为，发射导磁片的长边l与接收导磁片的边长a之间满足a≤l≤3a。
其进一步的技术方案为，第二发射线圈和第三发射线圈的匝数相等，第一发射线圈的匝数为第二发射线圈的匝数的两倍，第四发射线圈的匝数远小于第二发射线圈的匝数。
其进一步的技术方案为，发射结构中的任意两个发射线圈之间相互独立，或采用串联方式连接。
其进一步的技术方案为，接收结构中的两个接收线圈之间相互独立，或采用串联方式连接。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构，该十字螺线管磁耦合机构具有较宽的恒定互感区域，可以为接收结构提供更大且更稳定的工作区域，具有高偏移性能，可以用于对抗偏移性能要求较高的场合。
附图说明
图1是本申请的十字螺线管磁耦合机构的结构示意图。
图2是仅有发射结构时，发射结构上方10cm处的磁感应强度分布曲线示意图。
图3是第四发射线圈匝数不同的三种方案下，收发结构之间的互感随偏移距离的变化曲线图。
图4是本申请的磁耦合机构结构与现有技术的磁耦合机构在采用相同尺寸参数的情况下，收发结构之间的耦合变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构，请参考图1，该十字螺线管磁耦合机构包括相对设置的发射结构1和接收结构2。
发射结构1包括发射导磁片11以及四个发射线圈，发射导磁片11呈长方形结构，其长边为l、短边为w。第一发射线圈12沿着发射导磁片11的长边方向绕制在发射导磁片11的中部，第二发射线圈13和第三发射线圈14分别沿着发射导磁片11的短边方向绕制在发射导磁片11的两端，第四发射线圈15沿着发射导磁片11的短边方向绕制在发射导磁片11的中部。发射结构中的任意两个发射线圈之间相互独立，或采用串联方式连接。
其中，第二发射线圈13和第三发射线圈14的匝数相等记为n，第一发射线圈12的匝数m为第二发射线圈13的匝数n的两倍，也即m＝2*n。第四发射线圈15的匝数p远小于第二发射线圈13的匝数n，也即1≤p＜＜n，远小于的程度可以根据需要配置。
接收结构2包括接收导磁片21以及两个接收线圈，接收导磁片21呈正方形结构，其边长为a。第一接收线圈22和第二接收线圈23以十字正交的方式绕制在接收导磁片的中部。接收结构中的两个接收线圈22和23之间相互独立，或采用串联方式连接。
发射导磁片11与接收导磁片21平行间隔设置，两个导磁片具体都可以采用铁氧体导磁片实现，而收发结构之间的距离可以在实际系统设计时，根据装置功率和效率的设计要求，进行适当调整，距离的大小会影响到耦合的大小以及恒定磁通区域的大小。发射导磁片的短边w和长边l均不小于接收导磁片的边长a。进一步的，发射导磁片的短边w与接收导磁片的边长a之间满足：0.8w≤a≤w。发射导磁片的长边l与接收导磁片的边长a之间满足a≤l≤3a。
本申请中采用尺寸不同的发射结构和接收结构，并对发射结构上线圈的绕设位置做了相应设计，使得发射线圈会产生一个较宽的恒定磁通区域。如图2所示，当不放置接收结构时，在发射结构上方10cm处，纵轴表示的磁感应强度B在横轴表示的5cm-53cm的范围内有290-310uT的磁感应强度分布，由此可以明显看出，发射结构会产生一个较宽的恒定磁通区域。而当存在接收结构的情况下，由于接收线圈以及接收导磁片会对磁场有汇集作用，这会使得接收结构接收到的能量更加稳定。
为了说明本申请结构的有效性，本申请提供如下一个实例，假设方案一中的第四发射线圈15的匝数p为0，方案二中的第四发射线圈15的匝数p为5，方案三中的第四发射线圈15的匝数p为1。除此之外，三个方案的其余条件均相同，均为：(1)发射导磁片11的短边w与接收导磁片21的边长a相等为w＝a＝20cm；(2)发射导磁片11的长边l为接收导磁片21的边长a的三倍，有l＝3*a＝60cm；(3)第二发射线圈13和第三发射线圈14的匝数均为5；(4)第一发射线圈12的匝数为10；(5)两个接收线圈22和23的匝数均为10；(6)接收结构和发射结构之间的传输距离为10cm。则对三个方案分别进行试验，将接收结构沿着发射结构的长边方向偏移，得到三个方案中收发结构之间的互感随偏移距离的变化曲线图如图3所示，由图3可以看出，方案一可以获得(-5cm——45cm)50cm偏移范围的恒定互感区域，但是在中间部分(20cm)存在一定的互感下降；方案二可以获得较大的互感值，但是没有较好的均匀磁场范围；方案三可以获得(-5cm——45cm)50cm偏移范围的恒定互感区域，且在中间部分(20cm)保持恒定，具有均匀的磁场分布，说明了本申请这种结构以及匝数匹配设计所产生的有效性。
另外，本申请还通过如下一个实例说明本申请相对于公开号为108962571A的专利(下称现有技术)这种对称性结构的有效性。基于本申请的结构，设置如下参数：(1)发射导磁片11的短边w与接收导磁片21的边长a相等为w＝a＝20cm；(2)发射导磁片11的长边l为接收导磁片21的边长a的三倍，有l＝1.5*a＝30cm；(3)第二发射线圈13和第三发射线圈14的匝数均为5；(4)第一发射线圈12的匝数为10；(5)两个接收线圈22和23的匝数均为10；(6)接收结构和发射结构之间的传输距离为10cm。
为了保证数据可比性，基于现有技术的结构进行微调，将其参数设置为本申请上述参数类似，以在同一纬度上进行对比，具体的：将现有技术中的副边磁芯3设置为30cm*20cm，原边磁芯设置为20cm*20cm，两个副边线圈的匝数均为10，两个原边线圈的匝数均为10，收发线圈之间的距离为10cm。
将现有技术以及本申请分别实验，将接收结构沿着发射结构的长边方向偏移，得到收发结构之间的耦合变化曲线如图4所示，由图4可以看出，与现有技术相比，本申请可以获得-5cm—15cm，共20cm的恒定磁通区域，且在此区域之外改进方案收发线圈之间耦合系数的衰减相对较慢，即说明基于本申请这种结构，接收结构可以在较宽的恒定磁通区域内任意偏移，收发结构之间的耦合仍然较好，使得系统的工作状态基本维持不变，抗偏移性能更好。
若想进一步扩大恒定磁通区域，可以进一步增大发射线圈长导磁体的长边长l，但是这会增加系统漏磁通，降低系统效率，故对发射线圈导磁体的长边长l以及接收线圈导磁体的边长a进行约束。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
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