[发明专利]一种新型的高密度无线电能传输线圈结构

说明书

本发明公开了一种新型的高密度无线电能传输线圈结构，发射线圈由若干个强耦合的小线圈由同向旋转的缠绕方式将其同名端并联而构成的；接收线圈由若干个耦合的小线圈依序异向旋转的缠绕方式将其同名端串联而成；构成接收线圈的小线圈和构成发射线圈的小线圈的谐振频率一致。该结构的发射线圈通过两个强耦合的小线圈并联，彼此之间的互感系数比较大，接近于1，大大增强了发射线圈的磁通密度，为高效传能奠定了基础。构成接收线圈的两个小线圈串联在一起的电感量远远大于两个单独线圈的电感量的叠加，由此大大增加了传输效率。该结构在保证发射、接收两端所需空间、安全距离以及所需电能的前提下，增加耦合机构的传输距离和功率密度。

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，特别是涉及到一种新型的高密度无线电能传输线圈结构。

背景技术

自从1840年发现利用电磁感应现象及导线可以传输电能至今，电能的传输主要是由导线直接接触进行传输的。电工设备的充电一般是通过插头和插座来进行，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险。且由于存在摩擦和磨损，系统的安全性、可靠性及使用寿命较低，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的事故。新型无接触电能传输系统采用电磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合，实现了电能的无线传输，完全克服了以上限制。根据电能传输原理，无线电能传输大致上可以分为三类：第一类是变压器原理的直接耦合式，这种方式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类电波无线能量传输技术，直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生物都有严重伤害；第三类是非辐射耦合谐振方式，该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。

上世纪90年代，新西兰奥克兰大学的John Boys教授率先带领课题组对无线电能传输技术进行了广泛和深入的研究，2000年，他们将1.8kW电磁感应无线电能传输充电系统成功应用于新西兰著名的国家地热公园的游客电动运输车上。日产公司研发的电动车无线充电示范系统可以以90％的传输效率实现6kW无线电能传输，这一系统还装备了导航系统来解决发射端线圈与车载接收线圈的位置对准问题。德国奥姆富尔(WAMPELER)公司建造了世界上最大的电磁感应式无线电能传输系统，车上安装了6个输出为25kW的接收绕组，从而使得系统总容量达到150kW。美国橡树岭国家实验室于2010年启动了电磁感应原理的插入式电动车无线充电项目，计划开发3.6kW—60kW级的电动车静态及动态充电系统，其目标是在发射机构与接受机构距离在20cm时使系统传输效率能够保持在90％以上。美国往返于MGM-Hotels、MonteCarlo与LasVegas之间的电动火车，该系统采用单轨无线供电方式，导轨电流150A，交流电压480V。2014年，韩国铁路技术研究院在首尔试运行了其开发的无线供电列车，供电间距为3cm，供电容量达1MW，时速3-4km/h。

耦合机构是无线电能传输技术的重要组成部分，高品质的耦合线圈对无线电能传输系统的传输性能的影响是至关重要的，它的设计与优化对系统的传输效率、功率、传输距离等有着直接的影响。对于无线电能传输系统而言，耦合线圈在实际工作过程中其发射和接收部分之间存在很大的空气气隙，较高的漏磁会导致耦合性能下降，从而使得整个系统的传输效率大大下降，该现象在大功率传能系统的应用中尤为明显。为了提高WPT系统的传输效率，设计与优化耦合线圈的形状和结构显得尤为重要。有的学者对双DD线圈和单极线圈进行研究。专注于线圈结构设计与拓扑结构设计相结合，以达到最大耦合系数和效率。在众多线圈设计的研究中，采用了不同的评价标准与优化流程，进行了线圈设计与优化，使得线圈设计更为合理。但是，设计分析均基于一对一的两线圈模型。