一种基于矩形截面利兹线的长方形跑道线圈的设计方法与流程

1.本发明涉及电子通信技术领域，具体是一种基于矩形截面利兹线的长方形跑道线圈的设计方法。


背景技术：

2.随着无线充电技术在智能手机、蓝牙耳机等消费电子产品领域的广泛应用,其便利性和安全性等特点被逐渐认可。目前，无线电能传输技术也逐渐被其他工业电子领域产品所应用，如工业机器人等。然而，基于消费电子产品的小功率的无线充电应用无法满足工业电子产品，后者的功率是前者的数十倍，甚至数百倍，最高可到兆瓦级。
3.具体而言，上述技术上的无法满足主要表现在，(i)线圈的感值过低,(ii)线圈之间的隔空要求复杂(如动态的隔空距离变化，动态的横向错位，以及动态的角度偏差，等)，(iii)系统电能传输的效率极低，甚至无法达到相应的输出功率。
4.常用的有两种线圈设计，即正方形线圈和圆形线圈。
5.前者，通过使线圈长和宽分别增加相同尺寸,即加大线圈面积,从而提高电感值,以及增大磁场耦合面积,最终提高发射与接收线圈的错位冗余公差。它的优点是发射与接收线圈在平行且垂直地面隔空中，长宽边的错位冗余公差基本相同都有所增加,但缺点是在部分场景中,基于该方法的接收线圈尺寸过大，无法安装和使用。
6.类似的，圆形线圈设计时，通过加大线圈的直径,同样加大线圈面积从而提高电感值,以及增大磁场耦合面积,从而提高发射与接收线圈的错位冗余公差。然而，相对于上述方形线圈，其缺点是低于正方形线圈四个方角位置的错位距离，而且，接收线圈尺寸也往往超过了无线充电设备(如机器人)的可安装尺寸。
7.另一方面，虽然目前市面上有一些跑道型线圈，但其使用的利兹线为横截面为圆形。该类型线圈在实际中，仍无法满足上述要求。
8.重新设计线圈模块是解决上述问题的关键环节。其中，上述感值是线圈最直接的参数。一般而言，采用增粗线径且增大线圈尺寸面积方式可一定程度上解决感值不够的问题。不仅如此，还有助于提高发射与接收线圈间的错位冗余公差,并降低线圈发热。现有的基于矩形截面利兹线的长方形跑道线圈的设计方法不能够根据设计过程中出现的出现的情况作出分析，也没有针对具体的情况作出具体的处置，依旧采用直线式设计思路，导致最终设计出来的产品不符合要求，从而需要返回设计过程的初始阶段，重复进行，浪费较多的资源。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题就是克服以上的技术缺陷，提供一种基于矩形截面利兹线的长方形跑道线圈的设计方法，采用情况判断方法以及循环设计逻辑，能够及时发现问题，并做出相应的处置，在设计处符合要求的产品的同时还能减少资源的浪费。
10.为了解决上述问题，本发明的技术方案为：一种基于矩形截面利兹线的长方形跑
道线圈的设计方法，包括以下步骤：
11.(1)步骤一：无线充电发射端模块通电，发射端线圈不定期发射能量，建立一个交变电磁场，检测可能存在的接收端线圈；
12.(2)步骤二：当接收端线圈处于发射端线圈所产生的交变电磁场内，并接收到了该检测能量，并传给无线充电接收端模块，在该能量的激活下，接收端模块中的无线通信单元与发射端模块中的无线通信单元建立握手通信；
13.(3)步骤三：通过发射端模块线圈发射的既定能量被接收端模块线圈接收到，并把该能量传输给接收端模块，并进而传输给与接收端模块相连的负载单元；
14.(4)步骤四：通过观察接收端传给负载单元的能量是否能达到需求，或者在达到需求的情况下,效率值是否达到理想值，根据实际情况并做出处置；
15.(5)步骤五：分析步骤四作出的两种情况，以及处置结果为：
16.a、若负载单元接收到的能量达到需求且达到理想值，满载运行一定时间后，测量线圈温度在接受范围内，则继续下一步骤；
17.b、若负载单元接收到的能量未达到需求,或传输的效率值未达到理想值,则在线圈面积不变且相同股数线径的情况下,线径改为截面为矩形的线径,以短边为基础绕制线圈,增大匝数,提高感值,以达到输出参数和提高效率值，然后返回步骤四；
18.(6)步骤六：检测步骤五中的情况a中的线圈温度是否在规定的范围内，并对两种情况作出处置，处置方式为：
19.c、若线圈温度在接受范围内,确定了此无线充电项目的线圈参数；
20.d、若线圈温度超过接受范围，则在线圈面积不变且匝数不变的情况下,线径改为截面为矩形的线径,短边和之前圆形线径直径相同,长边加长，并以短边为基础绕制线圈，增大线径的股数，提高线径的耐流值，然后返回步骤四。
21.作为改进，所述步骤二中的接收端线圈在规定的隔空距离下，移动至发射端线圈上方，且保持两者中心点对齐。
22.作为改进，所述步骤二中无线通信包括基于线圈本身的通信技术；基于2.4ghz或其他频段的无线通信，或蜂窝无线通信技术，所述基于2.4ghz或其他频段的无线通信包括蓝牙、wi
‑
fi、zigbee和nfc，所述蜂窝无线通信技术包括gsm3g、4g和5g。
23.作为改进，所述步骤五中的情况a中的一定时间具体为3小时。
24.本发明与现有的技术相比的优点在于：本发明提供了一种能够分析具体情况并做出正确处置的设计方法，避免了资源的浪费，缩短了设计周期，设计出来的矩形截面利兹线的长方形跑道线圈，解决了在线圈相同面积的情况下,左右方向错位冗余过小的问题。且能接受更大的电流，不会导致线圈因线径超过耐流值导致发热严中，且线圈的感值增大，加大了传输效率。
附图说明
25.图1是本发明的设计逻辑框图。
具体实施方式
26.以下通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明不仅仅限于以下实施例。在本
发明的范围内或者在不脱离本发明的内容、精神和范围内，对本发明进行的变更、组合或替换，对于本领域的技术人员来说是显而易见的，且包含在本发明的范围之内。
27.如图1所示，一种基于矩形截面利兹线的长方形跑道线圈的设计方法，包括以下步骤：
28.(1)步骤一：无线充电发射端模块通电，发射端线圈不定期发射能量，建立一个交变电磁场，检测可能存在的接收端线圈；
29.(2)步骤二：当接收端线圈处于发射端线圈所产生的交变电磁场内，并接收到了该检测能量，并传给无线充电接收端模块，在该能量的激活下，接收端模块中的无线通信单元与发射端模块中的无线通信单元建立握手通信；
30.(3)步骤三：通过发射端模块线圈发射的既定能量被接收端模块线圈接收到，并把该能量传输给接收端模块，并进而传输给与接收端模块相连的负载单元；
31.(4)步骤四：通过观察接收端传给负载单元的能量是否能达到需求，或者在达到需求的情况下,效率值是否达到理想值，根据实际情况并做出处置；
32.(5)步骤五：分析步骤四作出的两种情况，以及处置结果为；
33.a、若负载单元接收到的能量达到需求且达到理想值，满载运行一定时间后，测量线圈温度在接受范围内，则继续下一步骤；
34.b、若负载单元接收到的能量未达到需求,或传输的效率值未达到理想值,则在线圈面积不变且相同股数线径的情况下,线径改为截面为矩形的线径,以短边为基础绕制线圈,增大匝数,提高感值,以达到输出参数和提高效率值，然后返回步骤四；
35.(6)步骤六：检测步骤五中的情况a中的线圈温度是否在规定的范围内，并对两种情况作出处置，处置方式为；
36.c、若线圈温度在接受范围内,确定了此无线充电项目的线圈参数；
37.d、若线圈温度超过接受范围，则在线圈面积不变且匝数不变的情况下,线径改为截面为矩形的线径,短边和之前圆形线径直径相同,长边加长，并以短边为基础绕制线圈，增大线径的股数，提高线径的耐流值，然后返回步骤四。
38.本发明是一种针对于中高功率无线充电产品的线圈设计。因无线充电接收端所在的充电产品，体积高度过小，回归充电桩时左右对齐不精准或线圈面积太小，感值不够造成输出能量不足或实际使用环境等因素，目前需要无线充电产品接收端的线圈近可能小且能有足够的错位冗余，因此设计了一种利兹线的横截面为特定比例矩形的长方形跑道线圈。
39.通过以上方法设计出来的长方形跑道线圈解决了因线圈间平行错位误差而导致无法正常充电的问题，且长方形线圈的长边大大增加了长边的错位冗余；解决了如正方形或圆形线圈只能以机器人外形的最短边做边长或直径而导致线圈面积太小，感值不足，无法高效率的传输能量的问题；组成线圈的利兹线横截面设计为一定比例的矩形，解决了相同面积的长方形线圈,线径股数相同的情况下,可以多绕制几匝线圈,提高感值,增高传输能量的效率；组成线圈的利兹线，其线径的横截面设计为一定比例的矩形，解决了线圈线径耐流值不够,线圈发热的问题,在相同面积的长方形线圈,以短边为基础绕制,匝数相同,可以股数增加,提高线径耐力值。
40.实施例一
41.某产品需定制输出直流200w无线充电需求，且要求无线发射与接收线圈平行且垂
直地面隔空10
±
5mm，同时满足
±
30mm的错位冗余。常规的圆形或方形线圈，在基于圆形截面的利兹线情况下，即使增加面积，也无法满足安装尺寸和充电效率等需求。
42.本发明提出一种长宽比约4比1的长方形跑道线圈。不仅如此，利兹线也使用了矩形线径，线径截面。在满足线圈感值达到客户需求功率和线径能承受足够的电流且不发热的情况下，既满足了客户对线圈尺寸的要求，也满足了其对隔空距离和错位冗余的需求。
43.以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。