[发明专利]基于铁氧体磁芯模块化设计的磁耦合结构

说明书

本发明公开了一种基于铁氧体磁芯模块化设计的磁耦合结构，涉及磁耦合线圈制作领域。该磁耦合结构由下至上依次为铝制底板、磁芯边框、铁氧体磁芯模块化单元、中间支撑架、磁耦合线圈和线圈顶盖。其中，铁氧体磁芯模块化单元由铁氧体磁芯模组拼装成为凹形结构，可以使位于磁耦合线圈内径区域的磁芯厚度较大，可有效减少DD线圈的互耦区磁阻，提高耦合系数。本发明磁耦合结构可以实现铁氧体磁芯模块化设计以及磁芯经过模块化后的结构装配，提高了铁氧体磁芯的抗震能力和散热能力，便于车载端磁芯结构的拆卸组装，满足了将铁氧体磁芯应用于电动汽车无线充电系统的要求。

技术领域

本发明涉及磁耦合线圈制作领域，尤其涉及到一种基于铁氧体磁芯模块化设计的磁耦合结构。

背景技术

无线电能传输系统的基本工作原理是通过发射端逆变电路产生高频交流电能，经过谐振补偿电路作用于发射端磁耦合线圈部分，接收端磁耦合线圈在发射端线圈的高频交变磁场下接收磁场能量，并产生感应电动势。发射、接收端磁耦合线圈是一种松耦合变压器，其漏感较大，线圈之间的耦合系数较小，因此传输能量的效率较低，因此必须设计符合磁耦合线圈聚磁要求的磁芯，减小线圈互耦区的磁阻，从而提高耦合系数。铁氧体因其成本低，矫顽力与剩磁小，具有高电阻率而被广泛用于电动汽车无线充电，但铁氧体的脆性易碎裂特点使其不适用于车载接收端的应用场景，铁氧体磁芯的结构容易因受到行驶颠簸以及飞石冲击的影响而损坏，这会改变磁耦合线圈的参数进而导致无线电能传输系统的谐振网络失谐。并且铁氧体的延展性差，这使得对铁氧体磁芯进行工艺加工时的形状和大小受到了限制，而无线电能传输系统中满足线圈聚磁要求的磁芯大多为非常规的奇异形状，通常该磁芯是由若干个铁氧体磁芯拼接成符合线圈聚磁要求的形状后和线圈进行整体封装，但这样的封装体由于整体固定很难再改变磁芯和线圈的形状以适应不同的工况条件，且整体封装后遇到意外冲击可能会导致整个封装体都需要替换，替换成本较大。针对磁芯结构与排布对无线传输的性能影响，国内外专家学者们提出了一些结构，主要有：

题为“Optimization，design，and modeling of ferrite core geometry forinductive wireless power transfer”【《International Journal of AppliedE1ectromagnetics and Mechanics》，2015，49(1)：145】；题为《无线感应电能传输用铁氧体磁芯结构的优化、设计和建模》(《国际应用电磁学与力学杂志》，2015年第49卷第1期145页)的文章分别提出了基于圆形线圈下的辐射条状磁芯，并分析了磁芯夹角、磁芯距离圆心和单条磁芯长、宽、高对耦合系数和磁芯体积的影响，但并未提出应用到电动汽车车载端的磁芯装配及抗震设计的方案。题为“电动汽车无线充电系统磁芯结构的设计及优化”(《电机与控制学报》，2018年第22卷第1期8页)的文章提出了在DD(double—D)线圈的两空心区域增添磁芯的双凸型磁芯，有效提高了线圈之间的耦合系数，然而文章中的实验平台仅仅是将大量条状铁氧体放置在线圈底部，拼凑成双凸型的磁芯，对于如何将磁芯固定在磁耦合结构上并未给出相应方案。题为“高饱和柔性纳米晶磁芯在电动汽车无线充电中的应用”(《同济大学学报》，2020年第48卷第11期1638—1648页的文章研究了典型Mn—Zn铁氧体存在的问题，该铁氧体磁饱和限值较低，达到磁饱和后发热严重，同时也提到了铁氧体脆性易碎裂的特性不适合应用到电动汽车的无线电能传输上，但文章并没有对铁氧体磁芯本身进行优化而是直接采用了更高柔性和饱和限值的纳米晶材料替代铁氧体，纳米晶材料虽然性能优异，但其工艺加工成本太高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，针对应用在电动汽车无线电能传输时铁氧体磁芯脆性易碎裂、磁芯结构不易拆卸等问题，提供一种能够提高铁氧体磁芯抗震能力、便于组装拆卸的磁耦合结构。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于铁氧体磁芯模块化设计的磁耦合结构，所述磁耦合结构由下至上依次为铝制底板、磁芯边框、铁氧体磁芯模块化单元、中间支撑架、磁耦合线圈和线圈顶盖；