一种具有屏蔽功能的Halbach型耦合器
阅读说明：本技术 一种具有屏蔽功能的Halbach型耦合器 (Halbach type coupler with shielding function ) 是由 李建贵 王隆扬 丁一硕 于 2021-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有屏蔽功能的Halbach型耦合器。该耦合器由一个发射端和一个接受端构成,其中发射端和接受端分别由两个主线圈和三个辅助线圈组成。发射端和接受端的五个线圈分别按照不同的Halbach阵列的顺序排列。在无线输电系统工作时,由于主线圈和辅助线圈产生磁场的叠加作用,使得该耦合器内部的耦合磁场增强,耦合器外部两侧的磁场减弱,从而即增加了发射端和接受端的耦合程度,又达到了磁屏蔽的目的。(The invention relates to a Halbach coupler with a shielding function. The coupler is composed of a transmitting end and a receiving end, wherein the transmitting end and the receiving end are respectively composed of two main coils and three auxiliary coils. The five coils of the transmitting end and the receiving end are respectively arranged according to different Halbach array sequences. When the wireless power transmission system works, the coupling magnetic field in the coupler is enhanced due to the superposition effect of the magnetic fields generated by the main coil and the auxiliary coil, and the magnetic fields on two sides outside the coupler are weakened, so that the coupling degree of the transmitting end and the receiving end is increased, and the purpose of magnetic shielding is achieved.)
技术领域
本发明属于无线输电
技术领域
背景技术
无线输电技术作为一种理想的电能传输方式，可以实现在非接触条件下把能量从电源侧向设备侧传输。由于其具有安全、可靠、灵活等优势，因此其被广泛应用于各种电能传输过程中，如手机充电，电动汽车充电、无人机充电等。
无线输电系统在工作过程中容易产生漏磁，进而导致能量传输效率的降低。同时，无线输电系统的磁通影响范围较大，当磁通穿过其他金属器件时，会产生涡流损耗，降低能量传输效率。大部分学者采用在耦合机构中添加铁氧体等导磁材料实现无线传能系统的磁屏蔽，这就不可避免的导致无线传能系统制造成本的增加，耦合机构重量的增加。
综上所述，提出一种具有磁屏蔽功能的耦合器显得尤为重要。
发明内容
未解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种具有屏蔽功能的Halbach型耦合器，其特征在于，包括：
发射端：包括两个主线圈和三个辅助线圈；
接收端：包括两个主线圈和三个辅助线圈；
发射端和接受端的五个线圈均按照Halbach阵列的顺序排列。
在上述的一种具有屏蔽功能的Halbach型耦合器，发射端包括线圈A、线圈B、线圈C、线圈D和线圈E；其中线圈B和线圈D为主线圈，线圈A、线圈C和线圈E为辅助线圈，五个线圈按照Halbach阵列的顺序排列，同时使其首尾相接，组成发射端。
在上述的一种具有屏蔽功能的Halbach型耦合器，接收端包括线圈A1、线圈B1、线圈C1、线圈D1和线圈E1；其中线圈B1和线圈D1为主线圈，线圈A1、线圈C1和线圈E1为辅助线圈，五个线圈按照逆向Halbach阵列的顺序排列，同时使其首尾相接，组成接收端。
在上述的一种具有屏蔽功能的Halbach型耦合器，对于发射端和接收端的Halbach阵列，在某一瞬间，根据右手螺旋定则，保证线圈内部产生的磁场的方向是右、上、左、下、右，或反向。
在上述的一种具有屏蔽功能的Halbach型耦合器，对于发射端和接收端的逆向Halbach阵列，在某一瞬间，根据右手螺旋定则，保证线圈内部产生的磁场的方向是左、上、右、下、左，或反向。
附图说明
图1是具有磁屏蔽功能的Halbach型耦合器整体结构图。
图2是发射端结构及其内部电流流向。
图3是接收端结构及其内部电流流向。
图4是发射端内部磁场方向。
图5是接收端内部磁场方向。
图6是耦合器工作时内部磁场方向及磁场削弱部位。
图7是发射线圈尺寸参数示意图。
具体实施方式
如图1-5所示，该耦合器有发射端5和接收端6组成，其中发射端5和接受端6分别由两个主线圈1、3和三个辅助线圈2、4组成。发射端和接受端的五个线圈分别按照不同的Halbach阵列的顺序排列。
所述的发射端，其特征在于：发射端由五个线圈组成，分别为线圈A7、线圈B8、线圈C9、线圈D10和线圈E11；其中线圈B8和线圈D10为主线圈，线圈A7、线圈C9和线圈E11为辅助线圈，五个线圈按照Halbach阵列的顺序排列，同时使其首尾相接，组成发射端。图2中箭头方向为发射端电流方向。
所述的接收端，其特征在于：接收端由五个线圈组成，分别为线圈A112、线圈B113、线圈C114、线圈D115和线圈E116；其中线圈B113和线圈D115为主线圈，线圈A112、线圈C114和线圈E116为辅助线圈，五个线圈按照逆向Halbach阵列的顺序排列，同时使其首尾相接，组成接收端。图3中箭头方向为接受端电流方向。
所述的Halbach阵列，其特征在于：在某一瞬间，根据右手螺旋定则，保证线圈内部产生的磁场的方向是右、上、左、下、右，或反向。
所述的逆向Halbach阵列，其特征在于：在某一瞬间，根据右手螺旋定则，保证线圈内部产生的磁场的方向是左、上、右、下、左，或反向。
图6表示耦合器工作时内部磁场方向及磁场削弱部位，图6中带箭头的虚线表示，耦合器在通入高频交流电后，在某一固定时刻各线圈所产生的磁场方向。其中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5以及Q6表示磁场互相抵消的区域，达到磁屏蔽的目的。
本实施方案采用铜芯截面积为0.75平方毫米的利兹线绕制耦合器，导线横截面中心之间的相邻距离为2mm。图7表示发射端的示意图，其中LA、LC、LE代表线圈A、线圈C和线圈E的匝数；WA、WC和WE代表线圈A、线圈C和线圈E的宽度；HA、HC和HE代表线圈A、线圈C和线圈E的高度；LB和LD代表线圈B和线圈D的长度；WB和WD代表线圈B和线圈D的宽度；HB和HD代表线圈B和线圈D的匝数。
对于发射端，本实施方案取：LA＝LE＝5,WA＝WE＝81.5mm，HA＝HE＝19.5mm，LC＝8，WC＝81.5mm，HC＝19.5mm，LB＝LD＝51.5mm，WB＝WD＝81.5mm，HB＝HD＝10。对于接收端，其对应尺寸与发射端相同。
本实施方案中发射端和接收端的自感分别为29.95μH和29.92μH。在发射端顶部到接受端底部的距离为11mm时，发射端和接收端的互感值约为8.2μH。
本实施方案采用S-S补偿结构的无线输电系统，发射端的补偿电容为130.2nf，接收端的补偿电容为132.3nf，在耦合器和补偿机构中通入频率为100kHz，电压为正负22V的方波电流，最终无线输电系统的功率为69.5W，传输效率为80.2％。
本发明的上述实施例，仅仅是清楚地说明本发明所做的举例，但不用来限制本发明的专利保护范围，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各项权利要求限定。
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