一种电动汽车用无线充电发射线圈及其制作方法

技术领域

本发明涉及电动汽车的无线充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车用无线充电发射线圈及其制作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着电动汽车的不断普及，其充电问题一直是个弱项和用户的痛点。目前采用的充电枪存在着笨重和安全性等缺陷。而无线充电具有安全，可靠并可以实现全自动等优点，会是将来解决电动汽车充电的主要技术方向。

电动汽车的无线充电应用的是电磁感应的原理，其发射线圈作用类似于无线电通讯中的发射天线，在整个系统中起到了核心作用。目前电动汽车无线充电线圈主要有平板型的圆盘结构和矩形结构，绕制工艺主要为密绕方式和间隙绕制方式。密绕方式存在着匝间的互感和散热不良现象；间隙绕制方式不得不采用线槽来保证各部分的尺寸参数，工艺复杂且效率低下。由于电磁场发出后会在空间叠加，上述两种模式绕制的线圈还存在着在线圈的断面处存在电磁场分布不均匀的现象，如图1所示。这样在接收端也产生不均匀的接收效果，降低了发射/接收的效率。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种电动汽车用无线充电发射线圈及其制作方法，通过线圈绕制在导柱上的方式，计算导柱的合理排列位置，使发射线圈产生的电磁场强度更加均匀，并且提高接收效率。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明第一方面提供了一种电动汽车用无线充电发射线圈，包括基板和安装在基板上的线圈组件，所述基板包括最底层的铝板和在铝板上方导柱板，所述铝板和导柱板之间设置有铁氧体片层；所述线圈组件包括立兹线圈和导柱，所述导柱垂直设置在导柱板上，导柱上绕制立兹线圈，所述立兹线圈绕制成多个同轴八边形，每个八边形的顶点上都设置有导柱。

进一步的，所述立兹线圈由内到外进行绕制，并具有恒定的张力。

进一步的，所述导柱板为环氧树脂板，厚度范围为1mm到2mm，导柱的直径范围为5mm到8mm。

进一步的，所述铁氧体片层为铁氧体磁片，厚度范围为5mm到10mm。

进一步的，所述八边形为非正八边形，八边形的一组对边长于其余三组对边。

进一步的，所述导柱通过设置在导柱板上的通孔与导柱板连接。

更进一步的，所述导柱板上通孔的位置由电磁场分布几何关系计算得到。

本发明第二方面提供了一种第一方面所述的电动汽车用无线充电发射线圈的制作方法，包括以下步骤：

准备铝板，在铝板表面均匀涂覆若干层绝缘漆，并在每层绝缘漆上加贴牛皮纸；

将铁氧体片层贴到最后一层牛皮纸上，并在铁氧体表面均匀涂覆绝缘漆；

导柱板贴到铁氧体片层涂覆的绝缘漆上。并用平整光滑的压板压实，形成完整基板；

将制作好的基板进行干燥保温；

利用绕线机从内向外将立兹线圈绕制在导柱上，整体干燥保温后得到无线充电发射线圈。

进一步的，将制作好的基板放在干燥炉中进行干燥，干燥炉的温度控制在80度，保温3-5小时。

进一步的，立兹线圈绕制完成后整体放入干燥炉中，温度为90度，保温5小时。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明公开了一种电动汽车用无线充电发射线圈及其制作方法，通过线圈绕制在立柱上的方式，克服了现有技术中线圈绕制过程中匝间的互感和散热不良现象，并不需要线槽进行固定。通过计算导柱之间的间距和位置，确定线圈分布的最佳绕制方式，形成均匀的电磁场分布，提高了接收线圈对磁场的接收效率。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为现有技术中密绕方式电磁场分布曲线图；

图2为本发明实施例一中电动汽车用无线充电发射线圈的正视图；

图3为本发明实施例一中电动汽车用无线充电发射线圈的俯视图；

图4为本发明实施例一中电磁场分布曲线图；

图5为本发明实施例一中均匀磁场强度示意图；

其中，1.立兹线圈，2.牛皮纸，3.铁氧体片层，4.铝板，5.内端点，6.外端点。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

实施例一：

本发明实施例一提供了一种电动汽车用无线充电发射线圈，如图2所示，包括基板和安装在基板上的线圈组件，基板包括最底层的铝板4和在铝板上方导柱板，铝板4和导柱板之间设置有铁氧体片层3；线圈组件包括立兹线圈1和导柱，导柱垂直设置在导柱板上，导柱上绕制立兹线圈1，立兹线圈1绕制成多个同轴八边形，每个八边形的顶点上都设置有导柱，如图3所示。

本实施例中，铝板4和铁氧体片层3的制作过程为：准备铝板4，在铝板4表面均匀涂覆若干层绝缘漆，并在每层绝缘漆上加贴牛皮纸2。将铁氧体片层3贴到最后一层牛皮纸2上，并在铁氧体表面均匀涂覆绝缘漆。

本实施例中，导柱通过设置在导柱板上的通孔与导柱板连接。导柱板上通孔的位置由电磁场分布几何关系计算得到。立兹线圈由内到外进行绕制，从内端点5出发开始绕制，到外端点6结束。并具有恒定的张力。外端点根据线圈设计时所允许的最大尺寸确定，在工作频率为79到90kHz时，根据设计经验线圈的感量取值范围为35到45μH，对应的线圈匝数为12到18匝。八边形为非正八边形，八边形的一组对边长于其余三组对边。

具体的，导柱板上通孔的位置由电磁场分布几何关系计算得到的具体过程为：在八边形线圈中，根据对称性a1,a2,a3为各边长。当a1＝a2＝a3时为正八角形，但由于发射线圈与接收线圈的匹配需要，一般要采用长八角形。

L1，L2为长边的内、外长度；B1，B2为短边的内、外长度。而d0，d1，d2……dn为匝间距。

为了达到比较均匀的电磁场分布，对于线圈端面中心线n的以内部分，d1/d0的取值范围为1.1到1.3之间。对于几何中心线n的以外部分，dn/dn-1的取值范围为1.1到1.3之间。从1.1到1.3的取值需要根据线圈的几何尺寸，线径和匝数确定。

对于无线充电领域，发射和接收线圈一般采用了多匝平面密绕和间绕方式，所以整个线圈的电感值的技术比较复杂，一般都采用经验公式。一个线圈的电感值与几何尺寸，匝数，线径等有着强关系。根据多次实验，一般线圈的电感值在35μH到45μH之间会有比较理想的传输效果，同时针对汽车底盘本身的限制，对接收线圈的尺寸有比较固定的要求。同时由于传输距离的限制，一般发射和接收线圈的面积比在2-3之间。由于系统传输的功率、电压、电流都是初始的设计值，所以本实施例中线圈的计算转化为在确定基本参数的情况下确定线圈匝数和绕制方法的计算。

在一种具体的实施方式中，矩形线圈的电感计算公式：

经过简化和整理，对于多匝数的线圈的感值，可以简化为：

LN＝∑cμ0π[l n(mab/r)]，

其中，N为匝数，c和m为电磁场参数，都可以通过实验测试数据得到，a和b是每匝的尺寸。在实际应用中一般采用列表方式计算和确定匝数。这里需要说明的是，由于尺寸和生产工艺限制，一般匝数为11到23之间。在这些限制条件下就可以采用经验列表方式确定一些参数，从而避免复杂的理论推导。通过上述公式进行简单变形就可以计算合适得匝数。

对于发射和接收这一对耦合电磁场，在电磁场的磁场强度比较均匀的时候，接收的效率为最高，如图5所示，本实施例给出了一种均衡电磁场的线圈绕制参数，采用不同的间距来均衡电磁场的分布特性。

根据磁场强度的公式和亥姆霍兹的线圈磁场定义，单股导线通过一定的交变电流时，其磁场强度与该点的距离有关，可以表示为：

B＝(μ0I)/(2πr)，

其中，B为磁感应强度，I为电流，μ0为真空磁感应常数，r为该点到导线的距离。

对于多股导线形成的电磁场，其某点的磁感应强度为各个导线的叠加。可以用下式表示：

Bp＝∑(μ0I)/(2πRn)。

如图5所示，在本实施例中计算的是从1到8线所产生的磁场强度。h为发射和接收线圈的工作距离，Ha和Hb为预估给定的磁场参数，da为中间部分的匝间距离，db为边缘部分的匝间距离。在实际应用中为了简化设计和制作，这里只规定了两种匝间距。一般根据线圈尺寸的限制，可以先给出da的值，然后通过三角关系的公式，由Ro计算出db的值。可以通过调整da的值，计算出不同的db值，最后综合考虑进行调整确定da和db的设计参数。

本实施例中，铝板用于散热和隔离经铁氧体漏掉的电磁场；导柱板为导热性能较好的环氧树脂板，用于在绕线时固定和确保立兹线的位置和匝间的距离，厚度范围为1mm到2mm，导柱为铁氧体材料，直径范围为5mm到8mm。铁氧体片层为铁氧体磁片，用于反射和加强电磁场的发射方向，使其方向朝着接收线圈，厚度范围为5mm到10mm。

电磁场的强度分布比较均匀的情况下，发射和接收组对的传输效率最高，如附图4所示。因此为了验证本发明电动汽车用无线充电发射线圈的电磁场分布效果，进行试验验证。经过实际测量，本申请绕制方法比密绕方式提高效率达5％以上，并且改进传热效率达20％以上。

实施例二：

本发明实施例二提供了一种实施例一所述的电动汽车用无线充电发射线圈的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，准备铝板，在铝板表面均匀涂覆若干层绝缘漆，并在每层绝缘漆上加贴牛皮纸。

步骤2，将铁氧体片层贴到最后一层牛皮纸上，并在铁氧体表面均匀涂覆绝缘漆。

步骤3，导柱板贴到铁氧体片层涂覆的绝缘漆上。并用平整光滑的压板压实，形成完整基板。

步骤4，将制作好的基板进行干燥保温。其中，将制作好的基板放在干燥炉中进行干燥，干燥炉的温度控制在80度，保温3-5小时。

步骤5，利用绕线机从内向外将立兹线圈绕制在导柱上，整体干燥保温后得到无线充电发射线圈。其中，立兹线圈绕制完成后整体放入干燥炉中，温度为90度，保温5小时。

在一种具体的实施方式中，在制作过程中，首先根据设计好的尺寸准备铝板，在铝板表面均匀涂刷绝缘漆，然后贴上一层牛皮纸，继续刷第二层绝缘漆，加贴一层牛皮纸。在涂第三遍绝缘漆后，将100mmx100mmx6mm的铁氧体磁片贴在牛皮纸上，在铁氧体上均匀涂一遍绝缘漆后，将导柱板贴上,然后用平整光滑的压板压实。整体放在干燥炉中进行干燥，干燥炉的温度控制在80度，保温3-5小时。

本实施中绝缘漆的作用是充填所有可能存在的空气缝隙，提高导热效果；同时对于不同层面间具有粘合作用和电气绝缘作用。制作好的基板固定在绕线机上。以内端点为线圈绕制的内端点，每到一个拐点处用人工或机械手自动的插入导柱，导柱的材料为铁氧体，在线圈的绕制过程中，立兹线会有张力装置施加恒定的张力，以保证各部分尺寸的准确性和产品的一致性。线圈绕制完成后整体放入干燥炉中，90度5个小时。彻底排除立兹线中的水分，到达充分干燥。进而喷涂绝缘漆、干燥和固化。

综上所述，本发明提供的无线充电的发射线圈分为两个部分，基板的准备和线圈绕制。基板由铝板、铁氧体和导柱板构成，为了达到散热、绝缘和粘合作用分几道工序加工制作。铝板，铁氧体的厚度可根据线圈实际的发热量确定，以增加足够的热容，降低线圈本身工作时的温度。

以上实施例二中涉及的各步骤与实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。