用于无线电能传输系统的磁芯结构

摘要

本发明公开了一种用于无线电能传输系统的磁芯结构，所述磁芯结构包括：原边发射线圈、原边磁芯、副边接收线圈、副边磁芯；所述原边发射线圈的尺寸与所述副边接收线圈的尺寸相对应；所述原边磁芯的尺寸与所述副边磁芯的尺寸相对应；所述原边发射线圈与所述副边接收线圈按预设距离相对设置；所述原边磁芯与所述副边磁芯按预设距离相对设置；所述原边磁芯开设有至少一个通孔，且所述通孔开设在小于所述副边接收线圈的内边区域内。本发明提供的用于无线电能传输系统的磁芯结构能有效降低系统磁阻，提高系统内部的传输效率，同时，还能有效降低系统外部磁泄露，减少系统对外部空间的电磁辐射。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁芯，特别涉及一种用于无线电能传输系统的磁芯结构。

背景技术

磁芯具有磁导率高和磁损耗低的特点，且能够提高松耦合变压器的传输效率，因而被广泛用于机器人无线充电系统中。在机器人无线充电系统中采用的磁芯结构有圆槽型、方型等。现有圆槽型磁芯因线圈间空隙较大，导致系统磁泄露严重；空气磁阻远大于磁芯磁阻，使得系统磁阻较大，导致系统效率不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中磁泄露严重，系统传输效率低的缺陷，提供一种用于无线电能传输系统的磁芯结构。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供一种用于无线电能传输系统的磁芯结构，所述磁芯结构包括：原边发射线圈、原边磁芯、副边接收线圈、副边磁芯；

所述原边发射线圈的尺寸与所述副边接收线圈的尺寸相对应；所述原边磁芯的尺寸与所述副边磁芯的尺寸相对应；

所述原边发射线圈与所述副边接收线圈按预设距离相对设置；

所述原边磁芯与所述副边磁芯按预设距离相对设置；

所述原边磁芯开设有至少一个通孔，且所述通孔开设在小于所述副边接收线圈的内边区域内。

较佳地，所述通孔的数量为一个。

较佳地，所述通孔的形状为圆形。

较佳地，所述通孔的直径小于所述副边接收线圈的内径。

较佳地，所述通孔的直径范围为24mm-36mm。

较佳地，所述通孔开设于所述原边磁芯的中心位置。

较佳地，磁芯结构还包括磁壁；

所述磁壁沿着所述原边磁芯的边缘垂直设置于所述原边磁芯上。

较佳地，所述磁壁为中空圆柱体。

较佳地，所述磁壁的厚度范围为6mm-10mm。

较佳地，所述磁壁的高度范围为25mm-35mm。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供一种用于无线电能传输系统的磁芯结构能有效降低系统磁阻，提高系统内部的传输效率，同时，还能有效降低系统外部磁泄露，减少系统对外部空间的电磁辐射。

附图说明

图1为实施例1和实施例2的用于无线电能传输系统的磁芯结构的结构示意图。

图2为实施例2的圆盘状磁芯磁场区域分布图。

图3为实施例2的等效磁路模型图。

图4为实施例2的磁环壁的结构示意图。

图5为实施例2的圆槽型磁芯结构的等效磁路模型图。

图6为实施例2的原边磁芯下10mm处径向磁通密度。

图7为实施例2的圆槽型磁芯环厚度对系统耦合系数的影响的示意图。

图8为实施例2的不同磁环壁厚度对应的原边磁芯下10mm处径向磁通密度示意图。

图9为实施例2的圆槽型磁芯环高度对系统耦合系数影响的示意图。

图10为实施例2的不同磁环壁高度对应的原边磁芯下10mm处径向磁通密度的示意图。

图11为实施例2的圆槽型磁芯内径对系统耦合系数影响的示意图。

图12为实施例2的不同磁芯内径对应的原边磁芯下10mm处径向磁通密度的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示，本实施例公开来了一种用于无线电能传输系统的磁芯结构，包括：原边发射线圈1、原边磁芯2、副边接收线圈3、副边磁芯4；

所述原边发射线圈1的尺寸与所述副边接收线圈3的尺寸相对应；所述原边磁芯2的尺寸与所述副边磁芯4的尺寸相对应；

所述原边发射线圈1与所述副边接收线圈3按预设距离相对设置；

所述原边磁芯2与所述副边磁芯4按预设距离相对设置；

所述原边磁芯2开设有至少一个通孔，且所述通孔开设在小于所述副边接收线圈3的内边区域内。

在一可实施的方式中，通孔的数量为一个，该通孔的形状为圆形，通孔的直径小于所述副边接收线圈的内径。

在一实施方式中，通孔的直径范围为24mm-36mm。

优选地，通孔的直径为15mm，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的调整。

在一优选的实施方式中，通孔开设于所述原边磁芯的中心位置。

本实施例中，以用于无线电能传输系统的磁芯结构为圆槽型磁芯为例，通过分析等效磁路模型，得到降低线圈间互耦区域磁阻，同时增大线圈间自耦区域磁阻的方法，以此提高系统的耦合系数，从而得出最优的通孔半径，具体分析过程如下：

由于磁芯的磁导率远大于空气的磁导率，在磁路分析时，一般忽略磁芯中的磁阻，仅考虑空气中的磁阻。

一般WPT(Wireless Power Transmission，无线电能传输)系统磁场区域分为自耦区、互耦区和杂散区。如图2所示，图2为圆盘状磁芯磁场区域分布图，L区为自耦合区，m1，m2区为互耦区，Z区为杂散区。

假设L区磁阻为R

由等效磁路模型可得耦合系数k表达式为：

由式(1)可知，系统耦合系数与L区和m1，m2区的磁阻有关。为增大系统耦合系数，可通过降低R

由式(1)分析可知，增大系统自耦区域磁阻可增大系统的耦合系数，鉴于此考虑，在圆盘状磁芯中心做底面镂空处理，但考虑到线圈周围的磁通密度较高，故镂空处的磁芯的内径必须小于线圈的内径，以减小线圈周围的磁泄露。为分析不同磁芯镂空半径(5mm＜2r＜60mm)对系统性能的影响，采用参数扫描法对底面镂空半径进行扫描，扫描步长为5mm，扫描结果图如图11所示。由图11可知，系统耦合系数随着磁芯镂空半径的增大而变小，且当磁芯镂空半径大于30mm时，耦合系数下降较快；而由图12磁场强度变化可以看出，当磁芯镂空半径小于15mm时，磁泄露最低，随磁芯镂空半径的增大，磁泄露逐步增强。

本实施例公开了用于无线电能传输系统的磁芯结构，通过在原边磁芯开设有至少一个通孔，且所述通孔开设在小于副边接收线圈的内边区域内，以使得有效降低系统磁阻，提高系统内部的传输效率，同时，还能有效降低系统外部磁泄露，减少系统对外部空间的电磁辐射。

实施例2

如图1和图4所示，本实施例的用于无线电能传输系统的磁芯结构是对实施例1的进一步改进，具体地：

本实施例的用于无线电能传输系统的磁芯结构还包括磁壁5；

该磁壁5沿着所述原边磁芯2的边缘垂直设置于所述原边磁芯2上。

在一优选的实施方式中，所述磁壁5为中空圆柱体。

在一实施方式中，磁壁5的厚度范围为6mm-10mm。

优选地，磁壁5的厚度为8mm，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的调整。

在一实施方式中，磁壁5的高度范围为25mm-35mm。

优选地，磁壁5的高度为30mm，但并不仅限于此，可根据实际需求进行相应的调整。

本实施例中，以用于无线电能传输系统的磁芯结构为圆槽型磁芯为例，通过分析等效磁路模型，得到降低线圈间互耦区域磁阻，同时增大线圈间自耦区域磁阻的方法，以此提高系统的耦合系数；然后，根据等效磁路模型得到影响系统传输效率的性能参数，通过对影响系统传输效率性能参数的分析，建立圆槽型磁芯结构；最后，利用参数扫描法优化圆槽型磁芯结构，得到系统传输效率最优时的圆槽型磁芯结构。具体分析如下：

第一，对圆槽型磁芯WPT系统的分析

由于磁芯的磁导率远大于空气的磁导率，在磁路分析时，一般忽略磁芯中的磁阻，仅考虑空气中的磁阻。

一般WPT系统磁场区域分为自耦区、互耦区和杂散区。如图2所示，图2为圆盘状磁芯磁场区域分布图，L区为自耦合区，m1，m2区为互耦区，Z区为杂散区。

假设L区磁阻为R

由等效磁路模型可得耦合系数k表达式为：

由式(1)可知，系统耦合系数与L区和m1，m2区的磁阻有关。为增大系统耦合系数，可通过降低R

第二，圆槽型磁芯结构WPT系统等效磁路模型的分析

1、等效磁路模型分析

在对圆槽型磁芯结构WPT系统分析的基础上可知，在传输距离一定的情况下，增大L区磁阻、减少m1，m2区磁阻可提高系统的传输效率。在此基础上，本文提出了圆槽型磁芯结构。外侧环状磁芯结构可减少原、副线圈间空气磁路的长度，降低R

其中磁阻表达式为：

R＝l/μA (2)

l为磁路长度，μ为介质磁导率，A为磁路截面积。

如图5所示，图5为圆槽型磁芯结构的等效磁路模型图。R

R

式中：r为原边磁芯镂空半径，R为原边磁芯半径，h为外侧磁环壁高度，d为磁环壁厚度。由式(3)和式(4)可得到系统耦合系数k

由式(5)可知，k

本实施例中仅考虑对原边电子器件的影响，选取原边线圈下方10mm处径向磁通密度量化系统磁泄露程度。

为分析磁环壁对系统磁泄露的影响，本文建立四种磁环壁仿真模型，分别为无磁环壁(结构一)、加装外侧磁环壁(结构二)、加装内侧磁环壁(结构三)、加装外侧和内侧磁环壁(结构四)。由表1可知，加装外侧磁环壁时，线圈下10mm处的磁通密度明显降低；加装外侧磁环壁时，较加装内侧和外侧磁环壁屏蔽效果提升了8％，因此，对于圆槽型磁芯结构，只需加装外沿即可。且由图6可以看出，当只在外侧加装磁环壁时，圆槽型磁芯能将磁场约束在系统能量耦合区域内部，可明显减少磁场泄露，增强系统内部磁场耦合。

表1仿真结果

2、磁环壁厚度优化

为分析不同磁环壁厚度(1mm＜d＜15mm)对系统耦合系数的影响，采用参数扫描法对磁环壁厚度进行扫描，扫描步长为1mm，扫描结果如图7所示。由图7可知，随着外侧磁环厚度的增大，系统耦合系数也随之增大，但增大幅度相对较小。图8为不同磁环壁厚度对应的磁芯下方10mm处的磁通密度。由图可以看出，原边磁芯下方10mm处的磁通密度相对较低，但是系统外侧的磁通密度仍然较大，磁泄露较为严重。且由图8可看出，当外边沿磁芯厚度为8mm时，线圈下方磁通密度相对较低，系统外侧的磁通密度也相对较低，此时磁环壁厚度达到系统综合最优。

3、磁环壁高度优化

为分析不同圆槽型磁芯高度(10mm＜h＜50mm)对系统耦合系数的影响，采用参数扫描法对圆槽型磁芯高度进行扫描，扫描步长为5mm，扫描结果图如图9所示。由图9可知，随着磁环高度的增大，系统耦合系数逐渐增大，且当磁环高度大于30mm时，系统耦合系数增幅较大。由图10可以看出，当磁环高度大于30mm时，系统外侧的磁泄露程度降低约50％，极大的降低了系统漏磁。

4、底部磁芯镂空半径优化

由式(1)分析可知，增大系统自耦区域磁阻可增大系统的耦合系数，鉴于此考虑，在圆盘状磁芯中心做底面镂空处理，但考虑到线圈周围的磁通密度较高，故镂空处的磁芯的内径必须小于线圈的内径，以减小线圈周围的磁泄露。为分析不同磁芯镂空半径(5mm＜2r＜60mm)对系统性能的影响，采用参数扫描法对底面镂空半径进行扫描，扫描步长为5mm，扫描结果图如图11所示。由图11可知，系统耦合系数随着磁芯镂空半径的增大而变小，且当磁芯镂空半径大于30mm时，耦合系数下降较快；而由图12磁场强度变化可以看出，当磁芯镂空半径小于15mm时，磁泄露最低，随磁芯镂空半径的增大，磁泄露逐步增强。

本实施例公开了用于无线电能传输系统的磁芯结构，除了在原边磁芯开设通孔外，还在沿着原边磁芯的边缘垂直设置磁壁于原边磁芯上，进一步更加有效地降低系统磁阻，提高系统内部的传输效率，同时，也更加有效地降低系统外部磁泄露，减少系统对外部空间的电磁辐射。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。