本發(fā)明涉及無線電能傳輸領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于實(shí)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(shí)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(shí)線路老化、尖端放電等因素也易導(dǎo)致電火花，大大降低了設(shè)備供電的可靠性和安全性，縮短設(shè)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(diǎn)往往有時(shí)將是致命的，嚴(yán)重時(shí)會引起爆炸、火災(zāi)及設(shè)備的損壞等，帶來了極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。這些問題都在呼喚一種脫離金屬導(dǎo)線的電能傳輸方式，即無線電能傳輸。實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸將使人類應(yīng)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(fù)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(shí)就期待著一種能實(shí)現(xiàn)將電力能量無線輸送的方式。早在19世紀(jì)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(cái)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(lán)圖和奠定了一定的研究基礎(chǔ)。到20世紀(jì)80年代，以電磁感應(yīng)耦合方式為主的非接觸能量傳輸技術(shù)開始被學(xué)者們關(guān)注，并逐漸應(yīng)用到電動牙刷、手機(jī)、電動汽車等產(chǎn)品的無線供電中。但感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)對磁路的設(shè)計(jì)要求比較苛刻，導(dǎo)致傳輸距離較低(多在厘米范圍內(nèi))，導(dǎo)致該技術(shù)在大功率無線能量傳輸?shù)膽?yīng)用中具有很大的局限性。

此后，經(jīng)過漫長的科技發(fā)展，2007年，美國麻省理工學(xué)院的馬林·索爾賈?？私淌诤退难芯繄F(tuán)隊(duì)在磁耦合諧振式無線電能傳輸領(lǐng)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(diǎn)。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(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)，由于具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸效率高等特點(diǎn)，成功開辟了無線電能傳輸技術(shù)的一個(gè)新方向，也促進(jìn)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(lǐng)域的應(yīng)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(xué)術(shù)界、工業(yè)界乃至民間都備受關(guān)注的熱點(diǎn)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(diǎn)。

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(shí)際無線充電過程中。當(dāng)電源輸出電壓一定時(shí)，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(fù)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(fù)載的恒壓充電顯得十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述缺陷，本發(fā)明提供了一種用于實(shí)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(fù)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(shí)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(dǎo)線繞成；在同一平面內(nèi)，導(dǎo)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(dǎo)線繞制方向相同；相鄰兩層線圈的繞制方向相反。

進(jìn)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(jìn)一步的，所述發(fā)射線圈的層數(shù)n不小于3。

進(jìn)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(jìn)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(dǎo)線之間的匝間距為0～0.05a。

進(jìn)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(dǎo)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(jìn)一步的，所述發(fā)射線圈當(dāng)繞制線圈的層數(shù)大于3時(shí)，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(dāng)次層上一層的匝數(shù)x不能被整除時(shí)，選取0.5x～0.25x之間的匝數(shù)。

進(jìn)一步的，所述發(fā)射線圈繞制線圈的匝數(shù)大于3時(shí)，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(dǎo)線之間的匝間距為0～0.05a。

進(jìn)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(shí)完全相同的，我們這里面說是上方，是因?yàn)槲覀兡J(rèn)的接受線圈和充電負(fù)載是位于發(fā)射線圈上方的。

進(jìn)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(qiáng)的導(dǎo)電能力且自身能量損耗較??；選取利茲線，可進(jìn)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(jī)玻璃板，選用刻槽的有機(jī)玻璃板可在保證線圈基板足夠強(qiáng)度的同時(shí)，有效固定線圈結(jié)構(gòu)，便于實(shí)用化推廣。

進(jìn)一步地，線圈基板為非金屬的低損耗的玻璃或者有機(jī)玻璃。采用玻璃或者有機(jī)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(shí)用化。

充電平面上的磁場強(qiáng)度是發(fā)射線圈每層線圈磁場強(qiáng)度的疊加。當(dāng)發(fā)射線圈內(nèi)流通交流電流時(shí)，最外側(cè)逆時(shí)針平行線圈于充電平面上產(chǎn)生中間強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)兩層線圈無法完全平衡充電平面內(nèi)磁場分布時(shí)，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(qiáng)度。由于整體線圈由多層繞制方向不同的導(dǎo)線構(gòu)成，其充電平面內(nèi)部的磁場可得到有效調(diào)控，實(shí)現(xiàn)有效充電平面上的均勻的磁場分布，由此實(shí)現(xiàn)充電平面內(nèi)接受負(fù)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(dāng)接受線圈位置變化時(shí)，其接受的磁通量還是相同的，此時(shí)系統(tǒng)負(fù)載的功率和充電電壓均不發(fā)生變化，即實(shí)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(shí)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(fù)載位置變化時(shí)的充電電壓以及功率抖動，在電動汽車無線充電領(lǐng)域以及便攜式電子設(shè)備的無線充電平臺充電中具有廣闊的應(yīng)用前景。將該發(fā)射線圈應(yīng)用于高度為0.25a的便攜式電子設(shè)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(shí)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(qiáng)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(shí)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(diǎn)磁場分布示意圖；

圖4為用于實(shí)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(biāo)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(dǎo)線內(nèi)流通的電流，4-無線充電平面，5-充電平面中的點(diǎn)，6-充電平面中的點(diǎn)上磁場方向，7-第一層順時(shí)針繞制線圈，8-第二層層逆時(shí)針繞制線圈，9-第三層順時(shí)針繞制線圈，10-第四層逆時(shí)針繞制線圈。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)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(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)度h與平面高度d的關(guān)系圖。如圖2所示：當(dāng)充電平面高度d≤0.25a時(shí)，充電平面的磁場呈現(xiàn)兩邊強(qiáng)，中間弱的特征。當(dāng)d較小時(shí)，充電平面上邊緣磁場強(qiáng)度明顯大于中間的磁場強(qiáng)度，此時(shí)隨著d的增大，充電平面中間與邊緣的磁場強(qiáng)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(dāng)充電平面高度d＝0.25a時(shí)，充電平面上的磁場呈現(xiàn)均勻分布的特征，但此時(shí)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(dāng)充電平面高度d≥0.25a時(shí)，由于充電平面中間磁場衰減速度小于邊緣，故此時(shí)充電平面磁場呈現(xiàn)中間強(qiáng)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(qiáng)度愈發(fā)大于邊緣的磁場強(qiáng)度，充電平面的磁場均與度愈發(fā)較低。故當(dāng)d≥0.25a時(shí)，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(dāng)發(fā)射線圈內(nèi)流通高頻交流電流時(shí)，最外側(cè)平行線圈于充電平面上產(chǎn)生中間強(qiáng)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(qiáng)的磁場分布。當(dāng)兩層線圈無法完全平衡充電平面內(nèi)磁場分布時(shí)，其再內(nèi)層的平行線圈可適當(dāng)調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度。由于整體線圈由多層繞制方向不同的導(dǎo)線構(gòu)成，其充電平面內(nèi)部的磁場可綜合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)均勻的磁場分布，由此實(shí)現(xiàn)充電平面內(nèi)接受負(fù)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(dǎo)線組成。繞制導(dǎo)線的方向的改變決定了層與層之間的區(qū)分，即：當(dāng)導(dǎo)線繞制方向改變以后，即進(jìn)入下一層線圈的繞制。繞制導(dǎo)線的方向的改變決定了層與層之間的區(qū)分，即：當(dāng)導(dǎo)線繞制方向改變以后，即進(jìn)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(biāo)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(shí)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(dāng)繞制線圈的匝數(shù)大于3時(shí)，之后繞制的線圈層的匝數(shù)為上一層匝數(shù)的0.25倍。當(dāng)次層上一層的匝數(shù)x不能被整除時(shí)，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(shí)現(xiàn)充電負(fù)載的恒壓充電。

如圖3為本發(fā)明提供的用于實(shí)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(diǎn)磁場分布示意圖。如圖中所示，最外層線圈的繞制方向?yàn)槟鏁r(shí)針，內(nèi)部線圈的繞制方向依次為順、逆。當(dāng)發(fā)射線圈中流過電流時(shí)，圖中最外層線圈在充電平面上點(diǎn)上產(chǎn)生向上方向較強(qiáng)的磁場，此外層在充電平面上點(diǎn)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(diǎn)的磁場的強(qiáng)度為此三個(gè)磁場的疊加。由于最外層線圈的磁場分布為兩邊弱中間強(qiáng)，此外層磁場分布為兩邊強(qiáng)中間弱，因此整個(gè)充電平面中的磁場均勻性就得到了提升，同時(shí)，第三層線圈或者第四層線圈可在此基礎(chǔ)上有效調(diào)節(jié)磁場的分布情況?？傊?，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(shí)現(xiàn)無線充電平面內(nèi)充電負(fù)載的恒壓充電。

圖4為用于實(shí)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(dǎo)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(jī)玻璃板。有機(jī)玻璃板厚度為1cm。

利用數(shù)值計(jì)算軟件matlab計(jì)算發(fā)射線圈平面上方5cm(0.25a)的磁場強(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)無線充電平面恒壓充電的發(fā)射線圈，可根據(jù)實(shí)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(dāng)充電平臺高度變化時(shí)，可適當(dāng)調(diào)節(jié)內(nèi)層線圈的特定參數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)充電平面內(nèi)均勻磁場的面積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電負(fù)載的恒壓充電。一般其實(shí)充電平面都是固定高度的，也就是一般一個(gè)發(fā)射線圈對應(yīng)一個(gè)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(dāng)?shù)倪m當(dāng)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(lǐng)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(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。