[发明专利]一种用于磁耦合无线电能传输的多线并绕线圈盘

说明书

本发明涉及一种用于磁耦合无线电能传输的多线并绕线圈盘，包括耦合线圈、高频软磁体、屏蔽铝板等组件。耦合线圈为平面型，由多根导线紧密并绕而成，可以是单线圈或多线圈。当为单线圈时，并绕的多根导线的起绕点和终绕点，旋转对称的分布在线圈平面内，即每根导线所绕成的单根线圈具有旋转对称性，且具有相同的电感量和电阻值，直接并联则能均衡每根导线的电流。当为多线圈时，构成该多线圈的各个线圈的环绕部分，以整个耦合线圈的中心旋转对称的分布在多线圈的平面内。本发明在满足电流密度的前提下，实现了线圈的最佳覆盖宽度和多线紧密并绕，能大大地提高耦合系数、减少电磁暴露；还可随意调整线圈匝数(可以是非整数)，得到准确的电感量。

技术领域

本发明涉及一种用于磁耦合无线电能传输的多线并绕线圈盘，属于电源/无线电能传输技术领域。

背景技术

近年来，无线电能传输(wireless power transfer,WPT)技术受到越来越广泛的关注。根据传输机理不同，无线电能传输有多种形式。当前电气领域中较成熟的无线电能传输技术是磁场耦合式；磁场耦合式又分为磁感应式和磁谐振式两种，都是通过发射线圈和接收线圈之间的交变耦合磁场实现电能传递。

2008年无线充电联盟(WPC)成立，并在国际上推出基于磁感应的Qi标准。2015年A4PW和PMA合并成立国际无线充电行业联盟(AirFuel Alliance)，拟兼容磁感应式和磁共振式的标准。至此，用于中小功率电子产品的无线电能传输技术加快了商业化步伐。2017年SAE(Society of Automotive Engineers)发布了SAE J2954_August 2017《轻型插入式/电动车的无线电力传输、自动充电和校准方法》。我国也在2017年开始制定电动汽车无线充电的国家标准，正式拉开了电动汽车无线充电产业化进程的序幕。

磁场耦合式无线电能传输系统，主要由(驱动磁场的)原边装置、磁耦合机构和(接收能量的)副边装置等部分组成。其中，磁耦合机构(包括耦合线圈物理结构和谐振补偿电路拓扑)是系统实现远距离电能传输的最关键部分，直接影响传输系统的功率和效率。

根据SAE J2954的描述(SAE J2954_August 2017的第8节)，耦合线圈可以设计成多种拓扑结构：非极化的、极化的或多线圈拓扑。线圈盘通过适当使用铁氧体或铝背衬来确保磁通量仅存在于一侧。1、非极化拓扑在线圈盘的中心有一个极柱，在外部周围有相反的极柱，可导致磁通量离开线圈盘中心并返回其所有外部边缘而形成闭合环路；当用作接收线圈时主要对空间中的垂直磁场敏感。2、极化拓扑在线圈盘的两端有N极和S极，可导致磁通量从N极到S极而形成闭合环路；当用作接收线圈时主要对水平磁场敏感。3、多线圈拓扑通常将极化和非极化两种结构组合，并且使用解耦线圈，以在作为发射端时能够产生极化或非极化场，而作为接收端时自然地捕获水平磁场和垂直磁场。SAE J2954列举推荐了五种线圈拓扑结构：(a)圆/方形非极化；(b)电磁极化；(c)DD极化；(d)多线圈DDQ；(e)多线圈双极。另外，无线电能传输系统的发射线圈和接收线圈可能是或不是由同一个制造商生产的；为确保互操作性的测试评价，SAE J2954的附录中规定了所有适用的主‐接收线圈(M-VA)和参考‐发射线圈(R-GAs)的机械与电气设计规格。

SAE推荐的线圈拓扑结构、机械和电气设计规格，以及现有的其他设计中，线圈的导线大都采用单根导线。这种单导线绕制设计在一定绕线匝数和线径情况下，不能满足线圈最佳覆盖宽度并且紧密绕线的要求。匝数由电感量要求决定，线径由电流要求决定；紧密绕线能减少漏磁并更好地符合制作工艺，而最佳覆盖宽度是为了高耦合系数。提高磁耦合线圈的耦合系数具有重要意义，不但提高了电能传输效率而且减少了电磁暴露，这是磁耦合无线电能传输技术产业化推广的关键性要求之一。为了同时满足最佳覆盖宽度和紧密绕线，提出了多线并绕的技术路线，但现有的多线并绕都是多根导线的起绕点在同一处和终绕点也在同一处，这样就出现了内圈导线的电感量小而外圈导线的电感量大的情况，这种电感量的差异导致并联后流过不同导线的电流不均衡。为了补偿这种电感量的差异，又出现了内圈导线串联补偿电感后再与外圈导线并联的设计方案，但这增加了成本、重量、损耗和设计复杂性。