(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210850859.6 (22)申请日 2022.07.20 (71)申请人 广西电网有限责任公司电力科 学研 究院 地址 530013 广西壮 族自治区南宁市 兴宁 区民主路6 -2号 申请人 重庆大学 (72)发明人 吴晓锐　孙跃　李小飞　肖静　 陈绍南　左月　周远钊　韩帅　 莫宇鸿　吴宁　龚文兰　陈卫东　 郭敏　郭小璇　唐春森　 (74)专利代理 机构 重庆敏创专利代理事务所 (普通合伙) 50253 专利代理师 刘思言　黄梅(51)Int.Cl. H02J 50/00(2016.01) H02J 50/10(2016.01) H02J 50/12(2016.01) H01F 38/14(2006.01) H01F 27/28(2006.01) H01F 27/24(2006.01) G06F 30/20(2020.01) B60L 53/12(2019.01) (54)发明名称 双螺线管 型耦合机构及其 参数设计方法 (57)摘要 本发明涉及无线电能传输技术领域， 具体公 开了一种双螺线管型耦合机构及其参数设计方 法， 该耦合机构包括发射结构和接收结构， 发射 机构包括双螺线管型发射导轨， 双螺线管型发射 导轨包括垂直于路面的方形管状磁 芯， 以及分别 螺线式绕制在方形管状磁芯的内壁和外壁上的 内能量发射螺线管和外能量发射螺线管， 内能量 发射螺线管和外能量发射螺线管使用同一根利 兹线绕制， 但绕向相反。 本发明使得在发生大范 围偏移时系统的传输功率具有良好的稳定性， 提 高了系统的抗偏移能力。 配合对应的参数设计方 法， 可将磁耦合机构的横向抗偏移能力发挥至较 高的水平。 进一步将多 段双螺线管型发射导轨应 用于动态无线充电中， 则在导轨切换域， 不存在 明显的功率跌落。 权利要求书1页 说明书15页 附图11页 CN 115441593 A 2022.12.06 CN 115441593 A 1.双螺线管 型耦合机构， 包括发射结构和接收结构， 其特 征在于： 所述发射机构包括双螺线管型发射导轨， 所述双螺线管型发射导轨包括垂直于路面的 方形管状磁芯， 以及分别螺线式绕制在所述方形管状磁芯的内壁和外壁上的内能量 发射螺 线管和外能量发射螺线管， 所述内能量 发射螺线 管和所述外能量 发射螺线 管使用同一根利 兹线绕制， 但绕向相反； 所述接收结构包括层级设置的拾取线圈、 接收端磁芯和金属屏蔽板， 所述拾取线圈为 方形环状结构。 2.根据权利要求1所述的双螺线管 型耦合机构， 其特 征在于： 所述方形管状磁芯包括隔断的里层方形管状磁芯、 中层方形管状磁芯和外层方形管状 磁芯， 所述内能量发射螺线管缠绕在所述里层方形管状磁芯的内壁上， 所述外能量发射螺 线管缠绕在所述外层方 形管状磁芯的外壁上。 3.根据权利要求2所述的双螺线管 型耦合机构， 其特 征在于： 所述接收端磁芯的中心位置设置有方形凸起， 所述方形凸起与 所述拾取线 圈中心的方 形空隙嵌合。 4.根据权利要求1所述的双螺线管 型耦合机构， 其特 征在于： 所述双螺线管 型发射导轨设有 多个， 沿着道路方向等距离排布。 5.根据权利要求1所述的双螺线管型耦合机构， 其特征在于： 所述内能量发射螺线管、 所述外能量发射螺线管发射线圈和所述拾取线圈均选用0.1mm*1000股、 外径5mm规格的利 兹线绕制。 6.根据权利要求1所述的双螺线管型耦合机构， 其特征在于： 所述方形管状磁芯和所述 接收端磁芯选用PC95材质的锰锌铁氧体作为磁芯材 料。 7.权利要求1～6任一项所述的双螺线管型耦合机构的参数设计方法， 其特征在于， 记 所述外能量发射螺线管的匝数为 n1， 所述拾取线圈的匝数为 n2， 通过如下步骤确定n1、 n2： A1、 给定设计的目标互感值Mmin、 传输距离 h； A2、 结合所述外层方形管状磁芯和所述接收端磁芯的尺寸， 确定n1的最大值(n1)max、 n2 的最大值(n2)max； A3、 令n1＝n2＝1， 借助COMSOL有限元仿真软件计算所述磁耦合机构的互感M； A4、 判断M是否大于 Mmin， 若是则记录当前的n1、 n2值， 若否则进入下一 步； A5、 n2加1， 即n2＝n2+1； A6、 判断当前n2是否大于(n2)max， 若否则返回至所述 步骤A4， 若是则进入下一 步； A7、 令n2＝1， n1加1， 即n1＝n1+1； A8、 判断当前n1是否大于(n1)max， 若否则返回至所述 步骤A4， 若是则设计失败。 8.根据权利要求7所述的双螺线管型耦合机构的参数设计方法， 其特征在于， 在确定了 n1、 n2后， 通过如下步骤确定所述内能量发射螺线管的线圈尺寸： B1、 结合系统功率等级， 给定发射导轨内线圈匝数和偏移时互感的最大跌落ΔMmax， 给 出一线圈尺寸初始值； B2、 对系统的抗偏移特性进行仿真； B3、 分析偏移时互感的跌落ΔM是否小于ΔMmax， 若是则记录当前的线圈尺寸， 若否则调 整线圈尺寸并返回至步骤B2。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115441593 A 2双螺线管型耦合 机构及其参数设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及无线电能传输技术领域， 尤其涉及一种双螺线管型耦合机构及其参数 设计方法。 背景技术 [0002]无线电能传输(Wireless  Power Transfer,WPT)技术无需依靠插头、 导线等实物 载体， 就可完成用电装置和供电设施之间的无接触式电能传递， 大大增加了电能传输的安 全性和可靠性。 无线电能传输具有多种传输方式， 大致上可分成为微波式、 激光式、 磁场耦 合式、 电场耦合式等， 其中基于磁场耦合的无线电能传输(Magnetic  Coupling  Wireless   Power Transfer,MC ‑WPT)技术是WPT领域研究最成熟、 应用最广泛的一种技术， 具有系统结 构简单、 传输距离远、 传输功率和效率高等优点。 WPT技术作为对世界影响最大的十大新兴 技术之一， 不仅为很多产业的技术瓶颈提供了最佳解决方案， 还为全球的能源挑战提供了 新的解决途径， 进一 步推动了相关产业的快速发展。 [0003]电动汽车(Electrical  Vehicle,EV)传 统的电能补给方式采用有线充电模式， 其 充电过程需要在人 的配合下完成， 同时不可避免的系统线路老化、 在雨天充电时存在短路 风险等都大大降低了设备供电的安全性和可靠性。 MC ‑WPT技术可以很好地解决上述问题， 近年来得到了广泛的研究与应用。 当MC ‑WPT技术应用于电动汽车领域时， 主要可以分为静 态无线电能传输和动态无线电能传输两种模 式， 静态无线电能传输(Electrical  Vehicle  Stationary  Wireless  Power Transfer,EV‑SWPT)指电动汽车驻车于停车位或者专用停车 站点时对其进行电能补给， 电动汽车在整个充电过程中相对静止； 而电动汽车动态无线电 能传输(Electrical  Vehicle Dynamic Wireless  Power Transfer,EV ‑DWPT)是在电动汽 车行驶过程中对其进行无线充电， 在此模式下电动汽车无需携带大容量的储能电池， 节省 整车空间且可以降低汽车重量和汽车成本 。 [0004]EV‑DWPT系统的供电导轨有长导轨供电和分布式短导轨供电两种模式。 长导轨模 式系统通常由一套原 边电能变换装置、 长导轨、 能量接收线圈以及副边电能变换装置构成， 其结构和控制策略简单， 工程建设成本较低。 但是由于导轨长度一般达数十米， 导轨的等效 串联阻抗(Equal  Series Resistance,ESR)很大， 同时在没有车辆行驶的路段存在较大的 漏磁情况， 一方面造成系统耦合系数和传输效率的下降， 另一方面会造成严重的电磁污染， 给路上行人和动植物的健康带来危害。 在实际工程应用中， EV ‑DWPT系统常采用分布式短导 轨供电模式， 不同于长导轨供电模式， 系统原边由多套原边电能变换装置和多段分布式短 导轨构成， 每一段导轨的工作状态由一套单独的电能变换装置来控制， 当车辆行驶到某一 段导轨上方时， 对应的一段或多短导轨开启工作， 其它导轨处于休眠或者待机状态。 分布式 短导轨供电模式的耦合系数和系统传输效率高， 电磁辐射小， 但是工程建设成本较高， 此外 分布式短导轨的切换控制方法也相对更加复杂。 更重要的是， 分布式短导轨在导轨切换域 存在严重的互感跌落， 由此引发传输功 率的跌落， 不利于电动汽车在行驶过程中进 行高效、 可靠地电能补给， 严重影响车 载电池的使用寿命。说　明　书 1/15 页 3 CN 115441593 A 3