[发明专利]一种无线电能传输磁耦合结构及其电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输磁耦合结构及其电路，属于能源传输领域。 

背景技术

无线感应电能传输是通过非直接电传导传输电功率，目前主要通过高频磁场耦合将电功率从发射侧(TX)的磁结构经空间感应传输到接收(RX)侧的磁结构，为了提高无线电能传输效率和降低电磁干扰，发射和接收侧磁耦合结构成为无线电能传输的技术关键。尤其是在许多无线充电的应用场合下，如电动汽车无线感应充电，桌面型无线感应充电等，其接收侧一般为相对于发射侧平面有一定提离距离，并相对于发射侧平面可随意平行移动，这就要求其具有如下特殊性能： 

a:在发射和接收侧磁结构之间的耦合系数高，能够拾取尽量多的从发射侧磁结构发射的磁场，尤其当发射侧与接收侧的相对位置不是固定的，根据不同应用情况具有一定的提离（发射和接收线圈磁结构之间的距离）和水平任意偏移的情况下，仍然具有尽量高的耦合系数。

b:为了避免发射线圈磁场对环境造成电磁干扰，磁耦合结构对周围环境空间具有尽量小的电磁泄露干扰。 

现有技术方案：接收侧和发射侧线圈的相对位置是相对固定的，如固定接收侧摆放位置，或采用永磁铁定位，这样限制了无线充电装置的使用便捷性。在这种应用情况下，现有方案主要围绕通过磁结构的设计来提高耦合系数。图1为一种发射侧与接收侧的磁结构，但必须保证在垂直方向上两者没有错位；图2为了提高发射侧与接收侧的耦合系数，对接收侧的磁芯结构作端部扩展。图3（专利公开号CN101243593A）使用一个辅助线圈来补强原来矩形平面绕组所产生磁场的薄弱部分。图4通过圆环螺纹形线圈电流密度（延R径向方向）的不均匀分布，提高所产生磁场（h方向上）的均匀性（参考论文），该方案仅利用h方向上的磁场，且为了保证h方向上磁场的均匀性，将导致发射侧磁场扩散到较大的范围。虽然这些方案有助于提高耦合系数或提高提离距离，但都只能适用于发射和接收侧相对位置固定的情况，而且发射侧的磁场扩散距离很远，需要采取其他技术措施，如检测不存在接收侧时，则关闭发射侧电源。图5（专利公开号CN102005829A）采用伺服电机控制发射侧或接收侧线圈的转动，从而定位到最大的耦合系数，但成本高，体积大，控制复杂，也存在机械寿命问题。 

为了减少发射侧磁结构的磁场扩散到太远距离，图6（专利号US7,164,255,B2）采用多个发射线圈层叠排列（其中实线部分与虚线部分别为两个发射线圈层），虽然有助于将发射侧磁场扩散范围控制在一定距离内，但阵列化的线圈由于各线圈紧密或是交替排列，产生的磁场相互抵消了一部分，因而产生的总磁场强度与单个线圈相比，大大减弱了。为了达到一定的输出功率，就必须提高输入电压或是电流，这不仅加大了系统了电容量等级，功率半导体器件的电压电流应力，同时还会加大了系统的损耗，对系统的成本，性能等造成了很大的影响。 

图7（专利公开号CN1819397A）其接收侧使用三个方形小线圈作为接收侧线圈，发射侧采用直径相比于接收侧尺度大很多的螺管形线圈。虽然接收侧可以感应三个不同方向的磁场，提高总体耦合性能，但其发射侧线圈产生的磁场通常会扩散至较大的范围；其接收侧线圈通常在螺旋形发射侧线圈产生的空间磁场中可以有任意位移和旋转，如吞服在人体内的智能药丸等应用场合。 

总之，针对平面型无线电能传输的应用场合，目前技术的缺陷是： 

a.发射和接收侧磁感应耦合系数低，电能传输效率差；尤其不能很好地适用于接收侧磁结构相对于发射侧磁结构有任意偏移的情况；

b.发射侧磁结构产生的磁场泄漏辐射范围大，会带来很大范围的电磁干扰问题。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种无线电能传输磁耦合结构及其电路，本发明的发射和接收侧磁结构及其电路在两者具有较大提离和任意平移的情况下，具有更高的耦合系数和更高效的电能传输效率，同时对周围空间具有很小的电磁干扰。 

本发明的技术方案在于： 

一种无线电能传输磁耦合结构，包括发射侧磁结构及接收侧磁结构，其特征在于：所述发射侧磁结构由若干矩形线圈组成，所述矩形线圈呈品字形分布，使得其产生的电流流动分布形成相邻矩形回路之间呈相反的流动方向，发射侧的线圈构成一个磁场发射平面；所述接收侧磁结构包含分别设于三个正交方向上的线圈组，用以分别感应三个正交方向的磁场分量。

其中，所述发射侧磁结构还包含有平面型的高频磁芯底板，所述高频磁芯底板上设置矩形线圈。 

所述发射侧磁结构还包含有平面型的高频磁芯底板，所述高频磁芯底板上具有用于绕制矩形线圈的磁芯凸台。