[发明专利]二维十字交叉型共振式无线供电区域结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于共振式无线供电中的磁场多方向分布较均匀的十字交叉型区域结构，属于变压器或电能变换领域。

背景技术

无线供电技术(Wireless Power Transfer, WPT)就是电源和电子接收设备之间没有任何物理上的连接，将电能无接触的传递给负载。WPT系统使用原副边分离的变压器，有效地克服了传统的接触式充电方式存在的安全隐患和实用性问题。根据电能传输原理，可将WPT 技术分为三种：微波式WPT、电磁感应式WPT、电磁共振式WPT。共振式WPT是在共振条件下利用线圈进行能量传输。与电磁感应式WPT相比，电磁共振式WPT对线圈相对位置的敏感度减小，且能够实现较远距离的无线能量传输。与微波式WPT相比，电磁共振式WPT工作频率相对较低，低电磁辐射，可满足电磁兼容的要求。

构建一个无线供电区域，在医用、商用，家用等方面都有实际的应用前景。电磁共振式凭借中距离传输、低电磁辐射的特点，适用于构建无线供电区域。

目前的共振式非接触供电区域，Solja?i? M, Kurs A, Karalis A, et al, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]”, Sciencexpress,2007,112(6):1-10所研究的单线圈激励的供电区域结构，磁场方向单一，不能保证接收线圈在多个方向都能够接收到足够的能量；为了解决磁场方向单一的问题，Toshio Ishizaki, Satoshi Nojiri, Tetsuya Ishida, Ikuo Awai, Ikuo Awai, “3-D Free-Access WPT system for charging movable terminals”, IEEE, 2012:219-222提出了两个垂直不穿插线圈激励的供电区域结构，在单个激励线圈的垂直方向增加一个激励线圈，区域磁场实现多方向，但是因为区域结构的不对称，磁场分布不均匀，垂直激励线圈内部区域磁场强度大，垂直激励线圈外部区域磁场强度小；K.O’Brien, G.Scheible, H.Gueldner, “Design of large air-gap transformers for wireless power supplies”, IEEE, 2003:1557-1562 ABB公司所研究的四边形供电区域，四个激励线圈区域结构实现了磁场的多方向，但是内部区域磁场强度大，外部区域磁场强度小，磁场分布不均匀。在为多个移动终端供电等这种需要磁场多方向且分布较均匀的场合并不适用。如何构建一个磁场多方向且分布均匀的区域，成为共振式非接触供电区域的一个值得考虑的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有供电区域磁场分布不均匀，存在明显磁场强弱区域的问题，设计的一种实现在空间上磁场由中心点向外发散的多方向且分布较均匀的的共振式无线供电区域结构。

一种二维十字交叉型用于共振式非接触供电的区域结构，包括支撑板组成的区域结构和原边绕组，其特征在于：所述的区域结构由四块支撑板组成，四块支撑板相交于同一轴线处形成十字交叉结构，相邻支撑板彼此垂直；设四块支撑板沿顺时针依次记作板一、板二、板三、板四，所述轴线称作共轴线；上述板一和板二上均匀绕有第一螺旋型原边绕组，板三和板四上均匀绕有第二螺旋型原边绕组；上述第一螺旋型原边绕组在板一上的绕线布局和第二螺旋型原边绕组在板四上的绕线布局相同；上述第一螺旋型原边绕组在板二上的绕线布局和第二螺旋型原边绕组在板三上的绕线布局相同；上述板一上的第一螺旋型原边绕组和板三上的第二螺旋型原边绕组在共轴线处的电流方向完全一致；上述板二上的第一螺旋型原边绕组和板四上的第二螺旋型原边绕组在共轴线处的电流方向完全一致；上述第一螺旋型原边绕组和第二螺旋型原边绕组物理上互不接触，并联供电。

本发明与现有共振式非接触供电区域结构相比的主要技术特点是，两个原边绕组并联供电；区域结构对称，采用两个原边绕组分别绕在两个相差180°的十字交叉的直角垂直面上的方式，在两个原边绕组没有物理接触的情况下，根据磁场唯一性定理，介质和电流方向决定唯一磁场，实现了在不破坏绕阻连接的同时两个原边绕组正交，从而原边绕组在区域内实现对称。两个原边绕组正交避免了两板不穿插垂直区域因为结构不对称而引起的垂直激励线圈内部区域和垂直激励线圈外部区域的磁场强弱差异问题，实现了十字交叉结构的四个区域磁场多方向且分布均匀。适用于大多数非接触式电能传输场合。