本發(fā)明涉及無線電能傳輸領域，具體地，涉及一種用于實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的電力輸送采用有線的方式實現(xiàn)(即利用電纜線作為傳輸媒介)，因此在電力的傳輸過程中不可避免的會產(chǎn)生傳輸損耗，同時線路老化、尖端放電等因素也易導致電火花，大大降低了設備供電的可靠性和安全性，縮短設備的使用壽命。一方面在礦場、海底等一些特殊場合，傳統(tǒng)的電纜線供電方式所產(chǎn)生這些缺點往往有時將是致命的，嚴重時會引起爆炸、火災及設備的損壞等，帶來了極大的安全隱患和經(jīng)濟損失。這些問題都在呼喚一種脫離金屬導線的電能傳輸方式，即無線電能傳輸。實現(xiàn)無線電能傳輸將使人類應用電能更加寬廣、更加靈活。

無線電能傳輸(wirelesspowertransfer，wpt)又稱為無線接觸式電能傳輸(contactlesspowertransfer，cpt)，指的是電能從電源到負載的一種沒有經(jīng)過電氣直接接觸的能量傳輸方式。人類從剛開始利用電能時就期待著一種能實現(xiàn)將電力能量無線輸送的方式。早在19世紀中后期，著名的電氣工程師尼古拉·特斯拉就提出了無線電能傳輸構(gòu)想。受早期技術(shù)、財力等因素的限制，該技術(shù)僅僅局限于構(gòu)想階段，但同樣為后來無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展繪制了美好的藍圖和奠定了一定的研究基礎。到20世紀80年代，以電磁感應耦合方式為主的非接觸能量傳輸技術(shù)開始被學者們關(guān)注，并逐漸應用到電動牙刷、手機、電動汽車等產(chǎn)品的無線供電中。但感應式無線電能傳輸技術(shù)對磁路的設計要求比較苛刻，導致傳輸距離較低(多在厘米范圍內(nèi))，導致該技術(shù)在大功率無線能量傳輸?shù)膽弥芯哂泻艽蟮木窒扌浴?/p>

此后，經(jīng)過漫長的科技發(fā)展，2007年，美國麻省理工學院的馬林·索爾賈?？私淌诤退难芯繄F隊在磁耦合諧振式無線電能傳輸領域取得重大突破。從此，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)成為了研究熱點。磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)(wpt/mrc)作為一種新興的中等距離無線電能傳輸技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的感應式無線電能傳輸技術(shù)，由于具有傳輸距離遠、傳輸效率高等特點，成功開辟了無線電能傳輸技術(shù)的一個新方向，也促進了其在電動汽車、便攜式電子、智能家居、植入醫(yī)療器械等充電領域的應用和高速發(fā)展。目前，磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)已成為在國內(nèi)外學術(shù)界、工業(yè)界乃至民間都備受關(guān)注的熱點技術(shù)，全球各國均投入大量的人力和物力資源，競相爭奪和搶占這一科技制高點。

較高的傳輸效率，穩(wěn)定的功率輸出是無線輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵。而在實際無線充電過程中。當電源輸出電壓一定時，兩線圈位置如果出現(xiàn)相對位置的改變，會引起充電系統(tǒng)負載電壓劇烈的變化。過高的充電電壓或者過低的充電電壓均極度不利于電池的恒壓充電，對電池會產(chǎn)生損害。由此可知，無線充電過程中，在一定充電平面內(nèi)維持電池負載的恒壓充電顯得十分重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述缺陷，本發(fā)明提供了一種用于實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈，旨在解決由于線圈位置變化引起的傳統(tǒng)無線充電平面內(nèi)充電負載的充電電壓和功率抖動問題。

本發(fā)明提出的一種用于實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈，為同一平面的多層方形螺旋狀的發(fā)射線圈，其中：

所述發(fā)射線圈(2)為單根金屬導線繞成；在同一平面內(nèi)，導線按正方形軌跡，繞制成多層線圈；同一層線圈可以是多匝結(jié)構(gòu)，同一層內(nèi)各匝導線繞制方向相同；相鄰兩層線圈的繞制方向相反。

進一步的，所述發(fā)射線圈所用金屬線的線徑為0.5mm～0.02a；其中，a為第一層線圈的最外匝最大邊長；所述第一層線圈指最外層線圈。

進一步的，所述發(fā)射線圈的層數(shù)n不小于3。

進一步的，所述發(fā)射線圈第一層線圈匝數(shù)為1～20，層內(nèi)線圈的匝間距為0～0.02a；繞制方向相同的相鄰線圈，不論匝數(shù)多少，均為一層。

進一步的，所述發(fā)射線圈第二層線圈繞制方向與第一層繞制方向相反，第二層的最外匝的線圈邊長為0.5a～0.9a，層內(nèi)導線之間的匝間距為0～0.05a。

進一步的，所述發(fā)射線圈第三層與第一層線圈繞制方向相同，第三層層內(nèi)最外匝線圈邊長為0.3a～0.4a，線圈匝數(shù)為1～10，第三層層內(nèi)導線之間的匝間距為0～0.05a。調(diào)節(jié)邊長可以調(diào)控充電平面內(nèi)均勻磁場的面積；改變匝數(shù)以及線圈匝間距可以調(diào)控此層線圈于充電平面上磁場豎直分量的大小。

進一步的，所述發(fā)射線圈當繞制線圈的層數(shù)大于3時，之后繞制的線圈層的匝數(shù)為其外一層匝數(shù)的0.25倍；當次層上一層的匝數(shù)x不能被整除時，選取0.5x～0.25x之間的匝數(shù)。

進一步的，所述發(fā)射線圈繞制線圈的匝數(shù)大于3時，之后繞制的層最外匝線圈的邊長為其外一層最外線圈邊長的0.8倍，且層內(nèi)線圈導線之間的匝間距為0～0.05a。

進一步的，所述發(fā)射線圈各線圈奇數(shù)層之間的繞制方向相同，偶數(shù)層之間繞制方向相同，奇數(shù)層與偶數(shù)層之間的繞制方向相反；有效充電平面為平行于線圈平面，位于線圈上方的具有較為均勻磁場分布的平面，此發(fā)射線圈上方的有效充電平面與發(fā)射線圈平面的豎直間距d≥0.25a。此類線圈上下磁場分布時完全相同的，我們這里面說是上方，是因為我們默認的接受線圈和充電負載是位于發(fā)射線圈上方的。

進一步的，所述發(fā)射線圈包含銅線、鐵線圈、漆包線或者利茲線，此類材料具備較強的導電能力且自身能量損耗較??；選取利茲線，可進一步降低線圈的內(nèi)阻損耗；所述發(fā)射線圈固定于線圈基板平面之上或者位于線圈槽內(nèi)；線圈基板為刻槽的有機玻璃板，選用刻槽的有機玻璃板可在保證線圈基板足夠強度的同時，有效固定線圈結(jié)構(gòu)，便于實用化推廣。

進一步地，線圈基板為非金屬的低損耗的玻璃或者有機玻璃。采用玻璃或者有機玻璃能較低發(fā)射線圈磁場傳播的能量損耗，且質(zhì)量小、體積小，便于實用化。

充電平面上的磁場強度是發(fā)射線圈每層線圈磁場強度的疊加。當發(fā)射線圈內(nèi)流通交流電流時，最外側(cè)逆時針平行線圈于充電平面上產(chǎn)生中間強兩邊弱的磁場分布，而相較內(nèi)層的反方向線圈于充電平面上回產(chǎn)生中間弱兩邊強的磁場分布。因此，反向的內(nèi)層線圈可抵消充電平面中間較大的磁場，調(diào)節(jié)充電平面的磁場均勻度。當兩層線圈無法完全平衡充電平面內(nèi)磁場分布時，其再內(nèi)層的方形線圈可調(diào)節(jié)其邊長、匝數(shù)、匝間距等參數(shù)調(diào)節(jié)磁場強度。由于整體線圈由多層繞制方向不同的導線構(gòu)成，其充電平面內(nèi)部的磁場可得到有效調(diào)控，實現(xiàn)有效充電平面上的均勻的磁場分布，由此實現(xiàn)充電平面內(nèi)接受負載的恒壓穩(wěn)定功率充電。有效充電平面距離發(fā)射線圈的高度d≥0.25a。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：

本發(fā)明中，由于充電平面上磁場是均勻分布的，當接受線圈位置變化時，其接受的磁通量還是相同的，此時系統(tǒng)負載的功率和充電電壓均不發(fā)生變化，即實現(xiàn)了動態(tài)的穩(wěn)定的功率以及恒壓充電。

本發(fā)明所提供的實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈能有效降低無線充電平面內(nèi)充電負載位置變化時的充電電壓以及功率抖動，在電動汽車無線充電領域以及便攜式電子設備的無線充電平臺充電中具有廣闊的應用前景。將該發(fā)射線圈應用于高度為0.25a的便攜式電子設備的無線充電裝置中，充電平臺中穩(wěn)定充電功率面積可提高77.8％。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的用于實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是方形單匝線圈上方平面磁場強度h與平面高度d的關(guān)系圖；

圖3是本發(fā)明提供的用于實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈上方無線充平面內(nèi)點磁場分布示意圖；

圖4為用于實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈的具體結(jié)構(gòu)圖；

圖5為具體發(fā)射線圈上方無線充平面內(nèi)面磁場分布示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-線圈基板，2-發(fā)射線圈，3-導線內(nèi)流通的電流，4-無線充電平面，5-充電平面中的點，6-充電平面中的點上磁場方向，7-第一層順時針繞制線圈，8-第二層層逆時針繞制線圈，9-第三層順時針繞制線圈，10-第四層逆時針繞制線圈。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的用于實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)示意圖，該發(fā)射線圈包括金屬導線、線圈基板，發(fā)射線圈為多層平面反平行方形螺旋狀的金屬導線，其特征是相鄰兩層線圈的繞制方向相反。發(fā)射線圈固定于線圈基板平面之上或者位于線圈槽內(nèi)。

圖2為方形單匝線圈上方平面磁場強度h與平面高度d的關(guān)系圖。如圖2所示：當充電平面高度d≤0.25a時，充電平面的磁場呈現(xiàn)兩邊強，中間弱的特征。當d較小時，充電平面上邊緣磁場強度明顯大于中間的磁場強度，此時隨著d的增大，充電平面中間與邊緣的磁場強度均呈現(xiàn)衰減趨勢，且中間磁場衰減速度小于邊緣的衰減速度；當充電平面高度d＝0.25a時，充電平面上的磁場呈現(xiàn)均勻分布的特征，但此時充電平面上磁場均勻分布為邊長為0.6a的正方形，其面積約為0.36a²；當充電平面高度d≥0.25a時，由于充電平面中間磁場衰減速度小于邊緣，故此時充電平面磁場呈現(xiàn)中間強兩邊弱的特征，且隨著d的繼續(xù)增大，充電平面中間磁場的強度愈發(fā)大于邊緣的磁場強度，充電平面的磁場均與度愈發(fā)較低。故當d≥0.25a時，可通過調(diào)節(jié)線圈繞制規(guī)則合理的調(diào)節(jié)充電平面上的磁場分布情況。

當發(fā)射線圈內(nèi)流通高頻交流電流時，最外側(cè)平行線圈于充電平面上產(chǎn)生中間強兩邊弱的磁場分布，而相較內(nèi)層的反方向線圈于充電平面上回產(chǎn)生中間弱兩邊強的磁場分布。當兩層線圈無法完全平衡充電平面內(nèi)磁場分布時，其再內(nèi)層的平行線圈可適當調(diào)節(jié)磁場強度。由于整體線圈由多層繞制方向不同的導線構(gòu)成，其充電平面內(nèi)部的磁場可綜合調(diào)控，實現(xiàn)均勻的磁場分布，由此實現(xiàn)充電平面內(nèi)接受負載的恒壓穩(wěn)定功率充電。此發(fā)射線圈由由外及內(nèi)的多層導線組成。繞制導線的方向的改變決定了層與層之間的區(qū)分，即：當導線繞制方向改變以后，即進入下一層線圈的繞制。繞制導線的方向的改變決定了層與層之間的區(qū)分，即：當導線繞制方向改變以后，即進入下一層線圈的繞制。將發(fā)射線圈的層數(shù)以由外及內(nèi)標號為1、2、3、、、n。發(fā)射線圈的層數(shù)n不小于3。所用金屬線的線徑為0.5mm～0.05a。假定發(fā)射線圈(2)第一層線圈的邊長為a，繞制線圈匝數(shù)為1～20，層內(nèi)線圈匝間距為0～0.02a；第二層線圈繞制方向與第一次方向相反，此時層內(nèi)最外線圈邊長為0.5a～0.9a，線圈匝數(shù)為1～20，層內(nèi)線圈匝間距為0～0.05a；第三層與第一層線圈繞制方向相同，層內(nèi)最外線圈邊長為0.3a～0.4a，線圈匝數(shù)為1～10，層內(nèi)線圈匝間距為0～0.05a。當繞制線圈的匝數(shù)大于3時，之后繞制的線圈層的匝數(shù)為上一層匝數(shù)的0.25倍。當次層上一層的匝數(shù)x不能被整除時，選取0.5x～0.25x之間的匝數(shù)。且層內(nèi)最外線圈的邊長為上一層線圈邊長的0.8倍，層內(nèi)線圈匝間距為0～0.05a。此放射線圈奇數(shù)層之間的繞制方向相同，偶數(shù)層之間繞制方向相同，奇數(shù)層與偶數(shù)層之間的繞制方向相反。有效充電平面為平行于線圈平面，位于線圈上方的具有較為均勻磁場分布的平面，此發(fā)射線圈上方的有效充電平面與發(fā)射線圈平面的豎直間距d≥0.25a。該發(fā)射線圈能有效提升無線充電平面內(nèi)磁場的均勻度，實現(xiàn)充電負載的恒壓充電。

如圖3為本發(fā)明提供的用于實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈上方無線充平面內(nèi)點磁場分布示意圖。如圖中所示，最外層線圈的繞制方向為逆時針，內(nèi)部線圈的繞制方向依次為順、逆。當發(fā)射線圈中流過電流時，圖中最外層線圈在充電平面上點上產(chǎn)生向上方向較強的磁場，此外層在充電平面上點上產(chǎn)生向下方向的磁場，而第三層在產(chǎn)生向上方向的磁場，因此，充電平面點的磁場的強度為此三個磁場的疊加。由于最外層線圈的磁場分布為兩邊弱中間強，此外層磁場分布為兩邊強中間弱，因此整個充電平面中的磁場均勻性就得到了提升，同時，第三層線圈或者第四層線圈可在此基礎上有效調(diào)節(jié)磁場的分布情況。總之，多層反平行的發(fā)射線圈其充電平面內(nèi)的磁場均勻性較高，可實現(xiàn)無線充電平面內(nèi)充電負載的恒壓充電。

圖4為用于實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈的具體結(jié)構(gòu)圖。其中，此發(fā)射線圈為4層反向平行方形螺旋結(jié)構(gòu)，其中導線為660股0.1*0.1mm的利茲線。線圈繞制方向由外到內(nèi)分別為順、逆、順、逆。其中，由外及內(nèi)，第一層層內(nèi)最大邊長為a＝20cm，匝間距為1mm，匝數(shù)為9；第二層層內(nèi)線圈最大邊長為14cm，匝間距為4mm，匝數(shù)為5；第三層層內(nèi)最大邊長為10.8cm，匝間距為4mm，匝數(shù)為4；第四層邊長為8cm，匝數(shù)為1。其中線圈基板為帶有2mm深度的刻槽的有機玻璃板。有機玻璃板厚度為1cm。

利用數(shù)值計算軟件matlab計算發(fā)射線圈平面上方5cm(0.25a)的磁場強度，其中線圈內(nèi)部的電流大小為1a。如圖5所示，由圖4中發(fā)射線圈發(fā)射的磁場，在充電平面中大約有16*16cm的面積的磁場分布都十分均勻。其中h為磁場在垂直于有效充電平面方向的數(shù)值大小。由于發(fā)射線圈特殊的繞制方式及其特定的結(jié)構(gòu)特征，使得充電平面中的磁場均勻性得到的大幅度提升，由此實現(xiàn)了無線充電平面內(nèi)恒壓充電的目的。從附圖2e與圖5的對比結(jié)果可以測算出，均勻磁場分布的面積提高的比例為(0.8a)²/(0.6a)²-1＝7/9＝0.778，即充電平臺中穩(wěn)定充電功率面積可提高77.8％。

另外，本發(fā)明提供的實現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈，可根據(jù)實際情況中無線充電平臺的高度，決定內(nèi)層線圈中的層數(shù)、匝數(shù)、線間距等參數(shù)。當充電平臺高度變化時，可適當調(diào)節(jié)內(nèi)層線圈的特定參數(shù)，由此實現(xiàn)充電平面內(nèi)均勻磁場的面積，進而實現(xiàn)充電負載的恒壓充電。一般其實充電平面都是固定高度的，也就是一般一個發(fā)射線圈對應一個無線充電平面的。如果充電平面再d大于0.25a的前提下，而且d還增大了一些，就適當?shù)倪m當減小由外到內(nèi)第二層以及第三層的最外線圈的邊長，或者減小第二層以及第三層的層間線圈圈數(shù)，亦或者增大內(nèi)層各層線圈的匝間距。這樣新的充電平面的磁場也可保持較好的均勻分布了，由此可有效提高新充電平面的磁場均勻度。

本領域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。