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适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法

阅读：89发布：2020-05-13

专利汇可以提供适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法属于无线充电技术领域。本发明解决了现有高频无线电能传输应用中、大股数绝缘绞合线内电流分布依然不均匀的问题。本发明包括单股绝缘铜线的半径Rs选取依据、利兹线所需的高频导线的总绞合次数i、参与每次绞合的高频导线线束复数数量和绞距的确定。相对于现有无线充电系统利兹线，本发明的方法制备的利兹线结构可降低导线内部由于高频磁场作用导致的趋肤效应和内部邻近效应，起到抑制交流阻抗的作用，从而在无线电能传输系统中降低损耗，提升传输效率。，下面是适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
步骤一、确定利兹线所需的绝缘铜线的总股数n；
步骤二、确定利兹线所需的单股绝缘铜线的半径Rs；
步骤三、确定第一次绞合得到的一束高频导线中绝缘铜线的最大股数n1；
步骤四、确定利兹线所需的高频导线的总绞合次数i和参与每次绞合的高频导线线束复数数量；
当n＞5n1时，根据导线的总股数n进行复数次绞合；设定共需要绞合i次，参与第一次绞合的绝缘铜线的最大股数n1为：
其中，δ为单股绝缘铜线的趋肤深度，Rs为利兹线所需的单股绝缘铜线的半径，ω为单股绝缘铜线应用的无线电能传输系统的最大工作频率，μ为空气磁导率，σ为单股绝缘铜线的电导率；
参与第i次绞合的高频导线线束为复数数量的第i-1次绞合的高频导线线束，即第i-1次绞合得到的线束作为第i次绞合的基本单元，并且第i次绞合方向与第i-1次绞合方向相反；
高频导线线束绞合次数i与参与第i次绞合时参与绞合的线束单元数量ni关系，如下式所示：
n＝n1×n2×n3…×ni 2≤ni,i≠1≤5 (2)
其中，n代表利兹线所需的绝缘铜线的总股数，ni代表第i次绞合时参与绞合的线束单元数量，并且当i大于1时，ni的取值应保持在2至5之间。
2.根据权利要求1所述的适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法，其特征在于：所述的确定利兹线所需的单股绝缘铜线的半径Rs，Rs满足以下关系式：
其中，Rs为构成导线的单股绝缘铜线的半径；δ为单股绝缘铜线的趋肤深度；ω为单股绝缘铜线应用的无线电能传输系统的最大工作频率；μ为空气磁导率；σ为单股绝缘铜线的电导率。
3.根据权利要求1所述的适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法，其特征在于：所述的确定参与每次绞合的高频导线线束复数数量的过程如下：
首先确定利兹线所需的绝缘铜线的总股数n，然后并设定最后一次绞合的高频导线线束单元数量ni为最大值5，最后假设i-1次绞合对应的复数线束单元数量ni-1为5，依次向ni-2，ni-3···n2，n1赋值，最后根据公式2经过i-1次赋值后，若得到的第一次绞合的绝缘铜线股数为整数数值a，且a≤n1，则a为第一次绞合得到的一束高频导线中绝缘铜线的股数；
若得到的第一次绞合的绝缘铜线股数为非整数数值b，则从n2开始依次调整ni在2-5之间的整数取值，直到得到的第一次绞合的绝缘铜线股数为整数数值c，且c≤n1，此时c为第一次绞合得到的一束高频导线中绝缘铜线的股数。
4.根据权利要求1所述的适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法，其特征在于：所述的第i次绞合时所选用的绞距与第i-1次绞合的绞距长度之比为不小于4的整数倍关系。
5.根据权利要求1所述的适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法，其特征在于：该方法通过在绝缘铜线添加尼龙线芯的方式，将最外层绞合的线束单元数量ni取值范围扩大为2-6。

说明书全文

适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法，属于无线充电技术领域。

背景技术

[0002] 近年来，基于电磁场传递能量的无线电能传输技术越来越得到广泛关注，应用该技术的产品在移动设备充电、医疗产品、电动汽车、轨道交通等众多领域得到应用和推广。为了提高无线电能传输系统的传输效率、降低线圈铜损，需要对作为线圈材料的多股绝缘铜绞线(也称利兹线)进行优化，以降低其在高频电流激励情况下的等效串联阻抗。影响导线高频阻抗的因素包括：通过导线的电流强度、电流的工作频率、导线电流在收到高频磁场激励情况下产生的趋肤效应和邻近效应。随着无线电能传输技术在功率等级方面的不断提高，要求线圈必须能够承受持续的高频率大电流激励，未经优化的导线将会带来严重的发热和功率损耗，还会导致传输效率的降低。因此，尽可能降低高频情况下的线圈内阻是无线电能传输系统设计中的一个重要部分。

[0003] 利兹线最早应用于变压器和高频电感器设计，通过将多股绝缘铜线并联使用，限制了线内的高频效应导致的电流分布变化现象，使电流保持均匀分布，从而降低高频阻抗。但随着功率等级的上升，更大股数、更大线径的利兹线开始被投入使用。仅进行简单分束、绞合的利兹线将无法保证电流的均匀分布，从而导致在高频情况下的性能如不预期。因此，需要进一步优化多股绝缘绞线的绞合模式，保证电流的均匀分布，充分利用导线内部的所有线束，降低导线的高频阻抗。

发明内容

[0004] 本发明为了解决现有高频无线电能传输应用中、大股数绝缘绞合线内电流分布依然不均匀的问题，提供了一种适用于高频无线电能传输系统的大股数绝缘绞合线制作方法。

[0005] 本发明的技术方案：

[0006] 适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤一、确定利兹线所需的绝缘铜线的总股数n；

[0008] 步骤二、确定利兹线所需的单股绝缘铜线的半径Rs；

[0009] 步骤三、确定第一次绞合得到的一束高频导线中绝缘铜线的最大股数n1；

[0010] 步骤四、确定利兹线所需的高频导线的总绞合次数i和参与每次绞合的高频导线线束复数数量；

[0011] 当n＞5n1时，根据导线的总股数a进行复数次绞合；设定共需要绞合i次，参与第一次绞合的绝缘铜线的最大股数n1为：

[0012]

[0013] 其中，δ为导体材料的趋肤深度，Rs为利兹线所需的单股绝缘铜线的半径，ω为导线应用的无线电能传输系统的最大工作频率，μ为空气磁导率，为导体的电导率；

[0014] 参与第i次绞合的高频导线线束为复数数量的第i-1次绞合的高频导线线束，即第i-1次绞合得到的线束作为第i次绞合的基本单元，并且第i次绞合方向与第i-1次绞合方向相反；

[0015] 高频导线线束绞合次数i与参与第i次绞合时参与绞合的线束单元数量ni关系，如下式所示：

[0016] n＝n1×n2×n3…×ni 2≤ni,i≠1≤5 (2)

[0017] 其中，n代表利兹线所需的绝缘铜线的总股数，ni代表第i次绞合时参与绞合的线束单元数量，并且当i大于1时，ni的取值应保持在2至5之间。

[0018] 优选的：所述的确定利兹线所需的单股绝缘铜线的半径Rs，Rs满足以下关系式：

[0019]

[0020] 其中，Rs为构成导线的单股绝缘铜线的半径；δ为导体材料的趋肤深度；ω为导线应用的无线电能传输系统的最大工作频率；μ为空气磁导率；σ为导体的电导率。

[0021] 优选的：所述的确定参与每次绞合的高频导线线束复数数量的过程如下：

[0022] 首先确定利兹线所需的绝缘铜线的总股数n，并设定最后一次绞合的高频导线线束数量ni为最大值5，然后假设i-1次绞合对应的复数线束单元数量ni-1为5，依次向ni-2，ni-3···n2，n1赋值，最后根据公式2经过i-1次赋值后，若得到的第一次绞合的绝缘铜线股数为整数数值a，且a≤n1，则a为第一次绞合得到的一束高频导线中绝缘铜线的股数；若得到的第一次绞合的绝缘铜线股数为非整数数值b，则从n2开始依次调整ni在2-5之间的整数取值，直到得到的第一次绞合的绝缘铜线股数为整数数值c，且c≤n1，此时c为第一次绞合得到的一束高频导线中绝缘铜线的股数。

[0023] 优选的：所述的第i次绞合时所选用的绞距与第i-1次绞合的绞距长度之比为不小于4的整数倍关系。

[0024] 优选的：该方法通过在绝缘铜线添加尼龙线芯的方式，将最外层绞合的线束数取值范围扩大为2-6。

[0025] 本发明具有以下有益效果：本发明涉及适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法，相对于现有无线充电系统利兹线本发明的方法制备的利兹线结构可降低导线内部由于高频磁场作用导致的趋肤效应和内部邻近效应，起到抑制交流阻抗的作用，从而在无线电能传输系统中降低损耗，提升传输效率。附图说明

[0026] 图1是适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法的流程图；

[0027] 图2是绝缘铜线的总股数为d×125股经过四次绞合加工后形成的利兹线截面图；

[0028] 图3是本实施例得到的利兹线与市面上现有的同样股数的导线的高频阻抗测量对比图；

具体实施方式

[0029] 结合附图1至图2说明本发明具体实施方式：本发明适用于高频磁耦合式无线充电系统的利兹线的制备方法，该方法包括单股绝缘铜线的半径Rs选取依据、利兹线所需的高频导线的总绞合次数i、参与每次绞合的高频导线线束复数数量和绞距的确定。由于在高频情况下导体的趋肤效应强度可以用趋肤深度系数来表示，当圆形导体半径小于该导体在特定频率下的趋肤深度时，便可以认为该导体依然满足导线内部电流均匀分布的条件。因此，利兹线所需的单股绝缘铜线的半径Rs应满足以下关系式：其中Rs为构成导线的单股绝缘铜线的半径；δ为导体材料的趋肤深度；ω为导线应用的无线电能传输系统的最大工作频率；μ为空气磁导率；σ为导体的电导率。

[0030] 由多股绝缘铜线通过绞合构成的线束称为第一次绞合线束，由复数根第一次绞合线束通过再次绞合构成的线束称为第二次绞合线束，之后的绞合以此类推，参与第一次绞合的绝缘铜线的最大股数n1为：其中δ为导体材料的趋肤深度，Rs为利兹线所需的单股绝缘铜线的半径，ω为导线应用的无线电能传输系统的最大工作频率，μ为空气磁导率，为导体的电导率。考虑到导线绞合次数过多带来的加工成本和复杂度问题，因此第一次绞合时应尽可能选取较多的单股铜线进行绞合，为了保证该层线束内电流分布均匀，需要保证第一次绞合完成后得到的线束半径略低于导线工作频率对应的趋肤深度δ。

[0031] 当导线所包含的股数大于n1的5倍时，需要在满足的前提下，根据导线的总股数进行复数次绞合，由于几何结构的稳定性，当绞合中参与的线束大于
5股时会使参与绞合的各股线束形成多层结构，因此，参与第i次绞合的线束数量为2-5个第i-1次绞合得到的线束，并且此时外层的线束会对内层的线束产生屏蔽作用，使得电流仅能通过外层线束流通，从而降低了导线的有效导通面积，提高了导线的高频阻抗。

[0032] 为了避免屏蔽效应的作用高频导线线束绞合次数i与参与第i次绞合时参与绞合的线束单元数量ni关系，如下式所示：n＝n1×n2×n3…×ni 2≤ni,i≠1≤5，其中，n代表利兹线所需的绝缘铜线的总股数，ni代表第i次绞合时参与绞合的线束单元数量，并且当i大于1时，ni的取值应保持在2至5之间。

[0033] 确定参与每次绞合的高频导线线束复数数量的过程为：首先确定利兹线所需的绝缘铜线的总股数n，然后并设定最后一次绞合的高频导线线束数量ni为最大值5，最后假设i-1次绞合对应的复数线束单元数量ni-1为5，依次向ni-2，ni-3···n2，n1赋值，最后根据公式2经过i-1次赋值后，若得到的第一次绞合的绝缘铜线股数为整数数值a，且a≤n1，则a为第一次绞合得到的一束高频导线中绝缘铜线的股数；若得到的第一次绞合的绝缘铜线股数为非整数数值b，则从n2开始依次调整ni在2-5之间的整数取值，直到得到的第一次绞合的绝缘铜线股数为整数数值c，且c≤n1，此时c为第一次绞合得到的一束高频导线中绝缘铜线的股数。

[0034] 参与第i次绞合的高频导线线束为复数数量的第i-1次绞合的高频导线线束，即第i-1次绞合得到的线束作为第i次绞合的基本单元，并且第i次绞合方向与第i-1次绞合方向相反。并且第i次绞合时所选用的绞距与第i-1次绞合的绞距长度之比为不小于4的整数倍关系。

[0035] 如图2所示，以绝缘铜线的总股数为d×125股为例，说明使用该方法制备利兹线的过程，总股数n为d×125股，根据公式d×125＝n1×n2×n3···ni，其中，2≤ni，i≠1≤5。设定当i＝1时，则n1＝d×125为整数，但d×125不满足公式(1)对参与第一次绞合的绝缘铜线的最大股数的要求；设定当i＝2时，最后一次绞合的高频导线线束数量n2取最大值5，则n1＝n/n2＝d×25为整数，但d×25不满足公式(1)对参与第一次绞合的绝缘铜线的最大股数的要求；设定当i＝3时，最后一次绞合的高频导线线束数量n3取最大值5，n2取最大值5，则n1＝n/n3/n2＝d×5为整数，但d×5不满足公式(1)对参与第一次绞合的绝缘铜线的最大股数的要求；设定当i＝4时，最后一次绞合的高频导线线束数量n4取最大值5，n2取最大值5，n1取最大值5，则n1＝n/n4/n3/n2＝d为整数，且d满足公式(1)对参与第一次绞合的绝缘铜线的最大股数的要求，故i＝4，并且n1＝d、n2＝5、n3＝5和n4＝5。由于参与第i次绞合的高频导线线束为复数数量的第i-1次绞合的高频导线线束，即第i-1次绞合得到的线束作为第i次绞合的基本单元，即第1次绞合为d绝缘铜线，第2次绞合为5个第1次绞合得到的线束，第3次绞合为5个第2次绞合得到的线束，第4次绞合为5个第3次绞合得到的线束。由于第i次绞合方向与第i-1次绞合方向相反，故当第1次绞合为逆时针时，第2次绞合为顺时针，第3次绞合为逆时针，第4次绞合为顺时针，并且第i次绞合时所选用的绞距与第i-1次绞合的绞距长度之比为不小于4的整数倍关系，完成导线绕制后，根据耐压等级的需要在导线外侧包裹聚酰亚胺薄膜。最终得到如图2所示的利兹线截面图。

[0036] 并且本发明还可通过为绝缘铜线添加尼龙线芯的方式，提高最外层绞合的线束数上限至6股。

[0037] 利用本发明的方法制作总股数为6000股，规格为6×5×5×44，添加了尼龙线芯的利兹线，对比市面上总股数为6000股，规格为20×3×100的现有利兹线。将本方法制得的利兹线与市面现有同股数利兹线进行高频阻抗测量，结果如图3所示，即在工作频率为0Hz-100000Hz之间，本实施例得到的利兹线的导线交流阻抗均低于市面上现有的同样股数为n的利兹线。

[0038] 本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

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