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CN111864913A - 一种升压型无线电能传输线圈及线圈的绕制方法 - Google Patents

一种升压型无线电能传输线圈及线圈的绕制方法 Download PDF

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CN111864913A
CN111864913A CN202010578268.9A CN202010578268A CN111864913A CN 111864913 A CN111864913 A CN 111864913A CN 202010578268 A CN202010578268 A CN 202010578268A CN 111864913 A CN111864913 A CN 111864913A
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CN
China
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coil
layer
lead
wire
wireless power
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李志忠
梁培伟
张俊
李优新
梁嘉潮
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Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
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Abstract

本发明提供一种升压型无线电能传输线圈及线圈的绕制方法，包括发射端线圈和接收端线圈，其中接收端线圈的层数比发射端线圈层数多，在进行无线电能传输时，能在接收端起到升压的作用。接收端线圈和发射端线圈的一侧均贴有隔磁片，使本发明具有传输距离远、范围广、抗偏移能力强、传输效率高的优点。

Description

一种升压型无线电能传输线圈及线圈的绕制方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，特别涉及一种升压型无线电能传输线圈及线圈的绕制方法。
背景技术
从19世纪70年代电被发明开始，电力的发明和应用掀起了第二次工业革命的浪潮。随着经济和科技的高速发展，全世界对电力的需求越来越大，对电力的依赖性也越来越高，电能已经成为现代社会不可或缺的能源。一直以来电能传输都是以电缆电线等输电线作为传输媒介。而人们物质财富的不断丰富，每个人身边的电子产品和用电设备都在不断增多，人们开始更多的关注用电的安全问题。这使得传统有线供电的弊端日渐凸显，比如拔插插头所产生的电火花，漏电等危险；某些电线因耐腐蚀耐氧化能力差而导致电线损坏的问题发生。无线电能传输技术的出现为上述问题的发生而烦恼的使用者带来福音。无线电能传输技术是依靠磁场、电场或微波等电磁波进行能量传输，其实现了空间结构上的无线，因此可以应用在不合适和不容易导线接触的场合，从而能解决传统有线电能传输所带来的弊端。也能为一些诸如水下，体内植入的产品提供安全可靠且方便的充电途径。
磁耦合谐振式是如今无线电能传输的主流技术。应用该技术的无线传输系统，其能量通过耦合线圈来传输。所以耦合线圈在该无线电能传输系统中扮演着相当重要的角色。
现有的，如申请号：CN201920484579.1、申请公布号：CN 209545259 U、名称为“一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈”的实用新型公开了一种用于电能传输的线圈结构：一种复合型磁耦合谐振式无线电能传输线圈。
以上述专利为代表的现有磁耦合谐振式无线电能传输线圈的缺点是：现有磁耦合谐振式无线电能传输发射端线圈和接收端线圈组合大多数是降压或者等压，即无线电能传输线圈的组合使得输出电压小于或者等于输入电压，这样导致了无线电能传输应用在一些需要输出电压比输入电压高的场合受到了限制。因此，亟待一种升压型无线电能传输线圈的出现。
发明内容
本发明提供一种升压型无线电能传输线圈及线圈的绕制方法，能够在接收端使电路达到升压的效果。
为了能够达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种升压型无线电能传输线圈，其中发射端包括发射端线圈；接收端包括接收端线圈，其特征在于：所述的发射端线圈与接收端线圈均为同轴绕制且接收端线圈的层数多于发射端线圈的层数。
可选的，所述的发射端线圈为单层线圈；其中，该单层线圈包括第一引线头、线圈层以及第一引线尾；所述的线圈层的最外圈尾端与第一引线头连接；该线圈层最内圈尾端连接第一引线尾。
可选的，所述的接收端线圈为双层线圈或多层线圈；其中，该双层线圈包括第二引线头、第一线圈层、跨层线段、第二线圈层和第二引线尾；其中，第一线圈层的最外圈尾端与第二引线头连接；第一线圈层的最内圈尾端与跨层线段的一端连接；该跨层线段的另一端与第二线圈层的最内圈尾端连接；第二线圈层的最外圈尾端与第二引线尾连接；其中，跨层线段向第一线圈层上方延伸且所述的第二线圈层设置在第一线圈层线之间的凹陷上。
可选的，所述的发射端线圈和接收端线圈为平面螺旋线圈、平面圆角矩形线圈和螺线管状线圈之中的一种。
可选的，所述的发射端线圈和接收端线圈的轴向外侧面上均贴有隔磁片。
可选的，所述的发射端线圈与接收端线圈基本线圈结构几何方程和升压型无线电能传输线圈升压倍数方程如下：
a.所述的发射端线圈与接收端线圈为平面螺旋线圈，其单层结构方程为：
Figure BDA0002552093770000021
根据线圈的工作空间和场地确定线圈外直径Do；根据线圈所需形成的磁场确定线圈内直径Di，且Di＝Do-2N(w+p)；根据线圈的外直径、内直径以及匝数确定线圈所用到的线的总长度l，且
Figure BDA0002552093770000022
线圈部分的宽度c，且
Figure BDA0002552093770000023
线圈宽度中部到中心轴的距离a，且
Figure BDA0002552093770000024
其中，p为每匝线圈之间的距离，w为线的直径，N为线圈匝数，π为圆周率。
b.所述的发射端线圈与接收端线圈为平面圆角矩形线圈，根据线圈的工作空间和场地确定线圈的外长Lo和线圈的外宽Wo；根据线圈所需形成的磁场确定线圈的内长Li和线圈的内宽Wi，且Li＝Lo-2N(w+p),Wi＝Wo-2N(w+p)；根据线圈的外长、外宽以及匝数确定线圈所用到的线的总长度l，且l＝2N(Lo+Wo)-4N(N-1)(w+p)；其中，p为每匝线圈之间的距离，w为线的直径，N为线圈匝数。
c.所述的发射端线圈与接收端线圈为螺线管状线圈，其单层结构方程为：
Figure BDA0002552093770000031
根据线圈的工作空间和场地确定接收线圈与发射线圈的直径d和线圈高度H，且H＝N(w+p)；根据线圈的直径d和高度H确定线圈所用到的线的总长度l，且
Figure BDA0002552093770000032
其中，p为每匝线圈之间的距离，w为线的直径，N为线圈匝数，π为圆周率。
d.升压型无线电能传输线圈的升压倍数为：
Figure BDA0002552093770000033
其中，ni≥1，no>ni；UO：输出电压；Ui：输入电压；no：接收端线圈的层数；ni：发射端线圈的层数；τ：变量，该变量与接受线圈和发射线圈的形状、结构和位置有关。
可选的，所述的线圈的绕制方法如下：取一段导线，在导线的一端弯折后形成引线头，然后将引线头后方的导线以同一中心轴平面绕制；
如果绕制单层线圈，在绕制足够的圈数后，在最内圈内将导线的另一端弯折后形成第一引线尾；
如果绕制多层线圈，在绕制足够的圈数后，形成第一线圈层；在该第一线圈层的最内圈，将导线向上弯折后，开始从内向外绕制第二线圈层；该第二线圈层设置于第一线圈层的线凹处；以上述方法绕制多层线圈，若是绕制奇数层，则最后一层线圈为由外向内绕制，在最内圈内将导线的另一端弯折后形成第二引线尾；若是绕制偶数层，则最后一层线圈为由内向外绕制，在最外圈外将导线的另一端弯折后形成第二引线尾。
本发明的有益效果是：本发明具有以下优点：
(1)本无线电能传输线圈由发射端线圈和接收端线圈组成，其中接收端线圈的层数比发射端线圈层数多。在进行无线电能传输时，能在接收端起到升压的作用。
(2)接收端线圈和发射端线圈的一侧均贴有隔磁片，隔磁片可以减少线圈发射得磁场对电路的影响，减少磁能的浪费，还能增强线圈无贴上隔磁片一面的磁场强度。减少磁能的浪费能提高无线电能传输的效率和减少漏磁；增强的磁场强度能使磁场的传输距离更远、范围更广，从而抗偏移能力更强。
(3)接收端线圈是多层结构，其电感量更大，则在接收端与接收端线圈串联的谐振电容容量更小，进而能选择更小体积的电容器件，进一步地，提高了接收端电路的功率密度。
附图说明
图1为基本线圈结构。
图2为图5的截面图。
图3为图6的截面图。
图4为图7的截面图。
图5为平面螺旋线圈。
图6为平面圆角矩形线圈。
图7为螺线管状线圈。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实例对本申请进行进一步的说明。
本发明考虑到现有磁耦合谐振式无线电能传输发射端线圈和接收端线圈组合大多数是降压或者等压，即无线电能传输线圈的组合使得输出电压小于或者等于输入电压，这样导致了无线电能传输应用在一些需要输出电压比输入电压高的场合受到了限制。从而提出了一种升压型无线电能传输线圈及线圈的绕制方法，能够在接收端使电路达到升压的效果。
具体实施例1：本发明所述的线圈的绕制方法，如图2所示。所述的发射端线圈为单层线圈，具体的，该单层线圈包括第一引线头a1、线圈层a2以及第一引线尾a3；所述的线圈层a2的最外圈与第一引线头a1连接；该线圈层a2最内圈连接第一引线尾a3。绕制方法如下：取一段导线，在导线的一端弯折后形成第一引线头a1，然后将第一引线头a1后方的导线以同一中心轴平面绕制；在绕制足够的圈数后，形成线圈层a2；在绕制足够的圈数后，在最内圈内将导线的另一端弯折后形成第一引线尾a3。
所述的接收端线圈为双层线圈，具体的，该双层线圈包括第二引线头b1、第一线圈层b2、跨层线段b3、第二线圈层b4和第二引线尾b5；其中，第一线圈层b2的最外圈与第二引线头b1连接；第一线圈层b2的最内圈与跨层线段b3的一端连接；该跨层线段b3的另一端与第二线圈层b4的最内圈连接；第二线圈层b4的最外圈与第二引线尾b5连接；其中，跨层线段b3向第一线圈层b2上方延伸且所述的第二线圈层b4设置在第一线圈层b2的线凹上。绕制方法如下：取一段导线，在导线的一端弯折后形成第二引线头b1，然后将引线头后方的导线以同一中心轴平面绕制；在绕制足够的圈数后，形成第一线圈层b2；在该第一线圈层的最内圈，将导线向上弯折后，开始从内向外绕制第二线圈层b4；该第二线圈层设置于第一线圈层的线凹处；最后在最外圈外将导线的另一端弯折后形成第二引线尾b5。
若绕制多层线圈，在绕制双层线圈的方法上，把第二线圈层设置于第一线圈层的线凹处后，若是绕制奇数层，则最后一层线圈为由外向内绕制，在最内圈内将导线的另一端弯折后形成引线尾；若是绕制偶数层，则最后一层线圈为由内向外绕制，在最外圈外将导线的另一端弯折后形成引线尾。
需要明确的是：上述的线凹指的是如图1中所示的第一线圈层b2中两根相邻的绕线之间的凹陷处为第二线圈层b4绕线的放置处。
需要明确的是：本文所述的单层线圈和双层(或多层)线圈均为多匝线圈。
本文所述的单层线圈的基本线圈结构如图1所示，其中，Do：线圈外直径；Di：线圈内直径；c：线圈部分的宽度；p：每匝线圈之间的距离；a：线圈宽度中部到中心轴的距离；w：线的直径；N：线圈匝数，其计算关系为：
Di＝Do-2N(w+p)
Figure BDA0002552093770000051
Figure BDA0002552093770000052
Figure BDA0002552093770000053
具体实施例2，本发明所述的一种升压型无线电能传输线圈为平面螺旋线圈，如图5所示：包括发射端线圈A1、接收端线圈A2、下隔磁片A3和上隔磁片A4。平面螺旋线圈的截面图如图2所示，其单层结构方程为：
Figure BDA0002552093770000054
根据线圈的工作空间和场地确定线圈外直径Do；根据线圈所需形成的磁场确定线圈内直径Di，且Di＝Do-2N(w+p)；根据线圈的外直径、内直径以及匝数确定线圈所用到的线的总长度l，且
Figure BDA0002552093770000055
线圈部分的宽度c，且
Figure BDA0002552093770000056
线圈宽度中部到中心轴的距离a，且
Figure BDA0002552093770000057
其中，p为每匝线圈之间的距离，w为线的直径，N为线圈匝数，π为圆周率；升压倍数：
Figure BDA0002552093770000058
其中，ni≥1，no>ni；UO：输出电压；Ui：输入电压；no：接收端线圈的层数；ni：发射端线圈的层数；τ：变量，该变量与接受线圈和发射线圈的结构和位置有关。
本具体实施例中，所述平面螺旋线圈由直径w1为3mm的铜质利兹线平面螺旋地绕制而成；为了减少线圈中寄生电容的影响，所述平面螺旋线圈线之间的距离p1为0.5mm；所述平面螺旋线圈的内直径Di为190mm；所述平面螺旋线圈的外直径Do为270mm；所述平面螺旋线圈每层的匝数N1为13匝；所述平面螺旋线圈为发射端线圈时的层数ni为1层；所述平面螺旋线圈为接收端线圈时的层数no为2层；所述平面螺旋线圈为接收端线圈时层之间的距离为0.2mm。所述下隔磁片为直径D1为280mm的圆片状隔磁片，并且紧贴在发射端线圈的一侧；所述上隔磁片为直径D2为280mm的圆片状隔磁片，并且紧贴在接收端线圈的一侧。在实际应用中，发射端线圈无隔磁片的一侧面向接收端无隔磁片的一侧。需要明确的是，接收端线圈与发射端线圈的线的种类、线的材料、线的直径、线之间的距离、线圈内直径、线圈外直径和线圈每层的匝数的几何参数均相同。
具体实施例3，本发明所述的一种升压型无线电能传输线圈为平面圆角矩形线圈，如图6所示：包括发射端线圈B1、接收端线圈B2、下隔磁片B3和上隔磁片B4。平面圆角矩形线圈的截面图如图3所示，根据线圈的工作空间和场地确定线圈的外长Lo和线圈的外宽Wo；根据线圈所需形成的磁场确定线圈的内长Li和线圈的内宽Wi，且Li＝Lo-2N(w+p),Wi＝Wo-2N(w+p)；根据线圈的外长、外宽以及匝数确定线圈所用到的线的总长度l，且l＝2N(Lo+Wo)-4N(N-1)(w+p)；其中，p为每匝线圈之间的距离，w为线的直径，N为线圈匝数；升压倍数：
Figure BDA0002552093770000061
其中，ni≥1，no>ni；UO：输出电压；Ui：输入电压；no：接收端线圈的层数；ni：发射端线圈的层数；τ：变量，该变量与接受线圈和发射线圈的结构和位置有关。
本具体实施例中，所述平面圆角矩形线圈由直径w2为3mm的铜质利兹线绕制而成；为了减少线圈中寄生电容的影响，所述平面圆角矩形线圈之间的距离p1为0.5mm；所述平面圆角矩形线圈的内宽Wi为60mm；所述平面圆角矩形线圈的内长Li为100mm；所述平面圆角矩形线圈的外宽Wo为140mm；所述平面圆角矩形线圈的外长Lo为180mm；所述平面圆角矩形线圈每层的匝数N2为11匝；所述平面圆角矩形线圈为发射端线圈时的层数ni为1层；所述平面圆角矩形线圈为接收端线圈时的层数no为2层；所述平面圆角矩形线圈为接收端线圈时层之间的距离为0.2mm。所述下隔磁片为长L2为190mm宽W2为150mm的矩形隔磁片，并且紧贴在发射端线圈的一侧；所述上隔磁片为长L1为190mm宽W1为150mm的矩形隔磁片，并且紧贴在接收端线圈的一侧。在实际应用中，发射端线圈无隔磁片的一侧面向接收端无隔磁片的一侧。需要明确的是，接收端线圈与发射端线圈的线的种类、线的材料、线的内长、线的内宽、线之间的距离、线圈外长、线圈外宽和线圈每层的匝数的几何参数均相同。
具体实施例4，本发明所述的一种升压型无线电能传输线圈为螺线管状线圈，如图7所示：包括发射端线圈C1、接收端线圈C2。螺线管状线圈的截面图如图4所示，所述的发射端线圈与接收端线圈为螺线管状线圈，其单层结构方程为：
Figure BDA0002552093770000071
根据线圈的工作空间和场地确定接收线圈与发射线圈的直径d和线圈高度H，且H＝N(w+p)；根据线圈的直径d和高度H确定线圈所用到的线的总长度l，且
Figure BDA0002552093770000072
其中，p为每匝线圈之间的距离，w为线的直径，N为线圈匝数，π为圆周率；升压倍数：
Figure BDA0002552093770000073
其中，ni≥1，no>ni；UO：输出电压；Ui：输入电压；no：接收端线圈的层数；ni：发射端线圈的层数；τ：变量，该变量与接受线圈和发射线圈的结构和位置有关。
本具体实施例中，所述螺线管状线圈由直径w3为3mm的铜质利兹线螺旋上升绕制而成；为了减少线圈中寄生电容的影响，所述螺线管状线圈之间的距离p3为0.5mm；所述螺线管状线圈发射端线圈的直径d1为150mm；所述螺线管状线圈接收端线圈的直径d2为160mm；所述螺线管状线圈每层的匝数N3为10匝；所述螺线管状线圈的高度H为35mm；所述螺线管状线圈发射端线圈时的层数ni为1层；所述螺线管状线圈接收端线圈时的层数no为2层；所述螺线管状线圈接收端线圈层之间的距离为0.2mm。需要明确的是，接收端线圈与发射端线圈的线的种类、线的材料、线的直径、线圈高度、线之间的距离和线圈每层的匝数的几何参数均相同。
本发明接收端线圈的层数比发射端线圈层数多，发射端线圈和接收端线圈共同组成一种升压型无线充电线圈结构。
以此可以实现如下优点：
1.接收端线圈层数比发射端线圈层数多，在进行无线电能传输时，能在接收端起到升压的作用，应用更加广泛。
2.制作简单，该线圈绕制方法无论是用机器绕还是由人工绕都容易绕制而成。
3.形成磁场方面，接收端线圈和发射端线圈的一侧均贴有隔磁片，隔磁片可以减少线圈发射得磁场对电路的影响，减少磁能的浪费，还能增强线圈无贴上隔磁片一面的磁场强度。减少磁能的浪费能提高无线电能传输的效率和减少漏磁；增强的磁场强度能使磁场的传输距离更远、范围更广，从而抗偏移能力更强。
以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种升压型无线电能传输线圈，其中发射端包括发射端线圈；接收端包括接收端线圈，其特征在于：所述的发射端线圈与接收端线圈均为同轴绕制且接收端线圈的层数多于发射端线圈的层数。
2.根据权利要求1所述的一种升压型无线电能传输线圈，其特征在于：所述的发射端线圈为单层线圈；
其中，该单层线圈包括第一引线头、线圈层以及第一引线尾；所述的线圈层的最外圈尾端与第一引线头连接；该线圈层最内圈尾端连接第一引线尾。
3.根据权利要求1所述的一种升压型无线电能传输线圈，其特征在于：所述的接收端线圈为双层线圈或多层线圈；
其中，该双层线圈包括第二引线头、第一线圈层、跨层线段、第二线圈层和第二引线尾；
其中，第一线圈层的最外圈尾端与第二引线头连接；第一线圈层的最内圈尾端与跨层线段的一端连接；该跨层线段的另一端与第二线圈层的最内圈尾端连接；第二线圈层的最外圈尾端与第二引线尾连接；
其中，跨层线段向第一线圈层上方延伸且所述的第二线圈层设置在第一线圈层线之间的凹陷上。
4.根据权利要求1所述的一种升压型无线电能传输线圈，其特征在于：所述的发射端线圈和接收端线圈为平面螺旋线圈、平面圆角矩形线圈和螺线管状线圈之中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种升压型无线电能传输线圈，其特征在于：所述的发射端线圈和接收端线圈的轴向端面上均设有隔磁片。
6.根据权利要求1所述的一种升压型无线电能传输线圈，其特征在于：所述的发射端线圈与接收端线圈基本线圈结构几何方程和升压型无线电能传输线圈升压倍数方程如下：
a.所述的发射端线圈与接收端线圈为平面螺旋线圈，其单层结构方程为：
Figure FDA0002552093760000021
根据线圈的工作空间和场地确定线圈外直径Do；根据线圈所需形成的磁场确定线圈内直径Di，且Di＝Do-2N(w+p)；根据线圈的外直径、内直径以及匝数确定线圈所用到的线的总长度l，且
Figure FDA0002552093760000022
线圈部分的宽度c，且
Figure FDA0002552093760000023
线圈宽度中部到中心轴的距离a，且
Figure FDA0002552093760000024
其中，p为每匝线圈之间的距离，w为线的直径，N为线圈匝数，π为圆周率；
b.所述的发射端线圈与接收端线圈为平面圆角矩形线圈，根据线圈的工作空间和场地确定线圈的外长Lo和线圈的外宽Wo；根据线圈所需形成的磁场确定线圈的内长Li和线圈的内宽Wi，且Li＝Lo-2N(w+p),Wi＝Wo-2N(w+p)；根据线圈的外长、外宽以及匝数确定线圈所用到的线的总长度l，且l＝2N(Lo+Wo)-4N(N-1)(w+p)；其中，p为每匝线圈之间的距离，w为线的直径，N为线圈匝数；
c.所述的发射端线圈与接收端线圈为螺线管状线圈，其单层结构方程为：
Figure FDA0002552093760000025
根据线圈的工作空间和场地确定接收线圈与发射线圈的直径d和线圈高度H，且H＝N(w+p)；根据线圈的直径d和高度H确定线圈所用到的线的总长度l，且
Figure FDA0002552093760000026
其中，p为每匝线圈之间的距离，w为线的直径，N为线圈匝数，π为圆周率；
d.升压型无线电能传输线圈的升压倍数为：
Figure FDA0002552093760000027
其中，ni≥1，no>ni；UO：输出电压；Ui：输入电压；no：接收端线圈的层数；ni：发射端线圈的层数；τ：变量，该变量与接收线圈和发射线圈的形状、结构和位置有关。
7.根据权利要求1所述的一种升压型无线电能传输线圈的绕线方法，其特征在于：所述的线圈的绕制方法如下：取一段导线，在导线的一端弯折后形成引线头，然后将引线头后方的导线以同一中心轴平面绕制；
如果绕制单层线圈，在绕制足够的圈数后，在最内圈内将导线的另一端弯折后形成第一引线尾；
如果绕制多层线圈，在绕制足够的圈数后，形成第一线圈层；在该第一线圈层的最内圈，将导线向上弯折后，开始从内向外绕制第二线圈层；该第二线圈层设置于第一线圈层的线凹处；以上述方法绕制多层线圈，若是绕制奇数层，则最后一层线圈为由外向内绕制，在最内圈内将导线的另一端弯折后形成第二引线尾；若是绕制偶数层，则最后一层线圈为由内向外绕制，在最外圈外将导线的另一端弯折后形成第二引线尾。
8.根据权利要求7所述的一种线圈的绕线方法，其特征在于：所述的导线是漆包线、多股漆包线和利兹线中的一种。
9.根据权利要求8所述的一种线圈的绕线方法，其特征在于：所述的导线材料是铜质、铝质或银质中的一种。
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