CN102005829B - 用于无线电能传输系统的磁场跟踪伺服机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无线电能传输系统的磁场跟踪伺服机构，其特征在于：由第一电机、第二电机、外圈、内圈、定位基座以及拾取线圈组成，定位基座上设置有支撑架，在支撑架上安装第一电机，在第一电机的转轴上安装外圈，在外圈上固定第二电机，在第二电机的转轴上安装内圈，在内圈上绕制拾取线圈，所述第一电机和第二电机安装的位置和朝向均相互垂直，其显著效果是：通过第一电机和第二电机可以控制拾取线圈在三维空间内自由旋转，拾取机构的空间灵活性较高，保证了无线能量传输系统中的最大能量拾取与传输，实现的结构简单，控制方便，成本也比较低廉，具有非常广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电磁感应技术领域，具体地说，是一种用于无线电能传输系统的磁场跟踪伺服机构。
背景技术
基于电磁感应原理的能量传导，其传输能力主要是由拾取线圈与磁场的感应耦合面的有效面积(即感应线圈面与磁力线的等效垂直面)决定，由于磁场的空间传播特性以及强衰变特征，致使感应线圈与磁场的相对空间距离和方位受到非常严格的限制，特别是当拾取线圈的感应面和磁力线法平面出现较大的角度偏差时，感应耦合效率会大大降低，使得能量感应和传输效率受到非常大的影响。因此基于电磁感应耦合技术的无线电能传输系统对于能量拾取机构与能量发射磁场源的相对位置关系有着严格的限制，这就要求受电设备必须与源磁场保持一种紧密的空间关系。
目前的无线电能传输系统其拾取机构接入磁场的方式一般来说分为两种：一种是点对点拾取方式(通常叫做可分离变压器)，中国发明专利200610124129.9公开的一种感应耦合式无线电能传输装置便是采用这种方式，该方式主要针对受电设备的定点供电，设备的位置比较固定；第二种是基于固定电流导轨的贴近可滑动方式，该方式主要针对具有固定移动轨迹的移动供电，供电设备必须处在固定的移动轨迹上才能正常供电。
现有技术的缺点是：拾取机构的空间位置与方位相对固定，其拾取机构或者受电设备的移动灵活性差。提升无线电能传输系统中拾取机构的空间方位灵活性且又能保证最大能量拾取与传输，是无线电能传输系统研究的一个重要课题。关于提升拾取机构的多自由度拾取能力方面的研究，目前尚未见有报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于无线电能传输系统的磁场跟踪伺服机构，既要保证次级能量拾取机构在磁场空间拾取的灵活性，又要实现最大能量拾取与传输。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于无线电能传输系统的磁场跟踪伺服机构，由第一电机、第二电机、外圈、内圈、定位基座以及拾取线圈组成；
所述定位基座上设置有一个圆弧形的支撑架，在该圆弧形支撑架的一端安装所述第一电机，在该圆弧形支撑架的另一端还设置有定位支柱，所述第一电机的转轴与所述定位支柱相对设置，均朝向所述转轴与定位支柱连线的中心；
所述外圈为非金属圆环，该外圈与所述圆弧形的支撑架是同心圆，并且所述外圈的外径小于圆弧形的支撑架的内径，在外圈上相互正交的四个位置依次设置有第一轴孔、支撑杆、第一定位孔以及通孔，其中第一轴孔与第一定位孔的中心线连接形成直线AB，支撑杆与通孔的中心线连接形成直线CD，所述外圈上的第一轴孔固套在所述第一电机的转轴上，所述外圈上的第一定位孔插接在所述定位支柱上，通过所述定位基座上的第一电机带动所述外圈沿所述直线AB转动；
在所述外圈的通孔位置上安装所述第二电机，该第二电机的机体固定在所述外圈上，该第二电机的转轴穿过所述通孔并朝向所述外圈的圆心；
所述内圈也为非金属圆环，该内圈的外径小于所述外圈的内径，在内圈相对的位置上设置有第二轴孔和第二定位孔，其中第二轴孔固套在所述第二电机的转轴上，第二定位孔插接在所述外圈的支撑杆上，通过所述第二电机带动所述内圈沿所述直线CD转动，在所述内圈的内壁上绕制所述拾取线圈，通过所述外圈和内圈的转动实现所述拾取线圈的方向调整。
定位基座主要是用于安装和固定所述线圈定位机构，定位基座通过设置一个圆弧形的支撑架来支撑和固定所述外圈，支撑架的一端安装电机，另一端设置定位支柱，外圈可以直接固套在电机的转轴上，定位支柱与外圈之间采用活动连接，即保证了线圈的自由旋转，又保持了线圈旋转时的受力平衡。
同理，为了在外圈上安装和固定内圈，在外圈上也设置了支撑杆，内圈可以直接套接在第二电机的转轴以及支撑杆上，保证内圈转动时的受力平衡。
外圈和内圈均为非金属圆环，其尺寸大小可以根据具体的应用环境设定，外圈固套在定位基座上面的第一电机的转轴上，内圈固套在外圈上面的第二电机的转轴上，由于第二电机的转轴穿过外圈上面的通孔并朝向外圈的圆心，通孔的孔径大于第二电机转轴的轴径，第二电机的机体固定在外圈的外壁上，第二电机的转轴与外圈通孔的孔壁之间留有缝隙，在第二电机转动的时候不会带动外圈旋转。又因为第一电机和第二电机的转轴所朝的方向相互垂直，通过第一电机可以控制外圈沿直线AB转动，通过第二电机可以控制内圈沿直线CD转动，将拾取线圈绕制在内圈上，这样就可以实现拾取线圈在三维空间内自由旋转，保证拾取线圈与任意方向的发射来的磁场保持垂直关系，达到拾取功率的最大化。
为了防止外圈和内圈旋转过程中第二电机的电源线以及拾取线圈的连接导线不会发生缠绕现象，结合定位支柱和支持杆的物理结构特征，在第一定位孔和定位支柱之间以及第二定位孔与支撑杆之间均设置有导线转接机构，其中：
所述第一定位孔的内壁上设置有4段相互隔离的金属环，其中两段作为所述第二电机的电源线端口，另外两段作为所述拾取线圈的引线端口，所述定位支柱的柱体也分为4段相互隔离的金属导体，分别与所述第一定位孔内壁上的金属环相互匹配，所述定位支柱上的4段金属导体分别连接有一根延长导线；
所述第二定位孔的内壁上设置有2段相互隔离的金属环，分别与所述拾取线圈的正负端连接，所述支撑杆上也设置有2段相互隔离的金属导体，分别与所述第二定位孔内壁上的金属环相互匹配，所述支撑杆上的两段金属导体分别通过导线与所述第一定位孔上作为拾取线圈的引线端口的两段金属环连接，作为所述拾取线圈的延长线。
本发明的显著效果是：拾取线圈可以在三维空间内自由旋转，拾取机构的空间灵活性较高，保证了无线能量传输系统中的最大能量拾取与传输，实现的结构简单，控制方便，成本也比较低廉，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中外圈3的结构示意图，包括第一定位孔33和支撑杆32剖视后的局部放大图；
图3是图1中内圈4的结构示意图，包括第二定位孔42剖视后的局部放大图；
图4是图1中定位支柱7与图2中第一定位孔33的匹配关系图；
图5是图2中支撑杆32与图3中第二定位孔42的匹配关系图；
图6是具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种用于无线电能传输系统的磁场跟踪伺服机构，由第一电机1、第二电机2、外圈3、内圈4、定位基座5以及拾取线圈6组成；
所述定位基座5上设置有一个圆弧形的支撑架，在该圆弧形支撑架的一端安装所述第一电机1，在该圆弧形支撑架的另一端还设置有定位支柱7，所述第一电机1的转轴与所述定位支柱7相对设置，均朝向所述转轴与定位支柱7连线的中心；
如图1，图2所示，所述外圈3为非金属圆环，该外圈3与所述圆弧形的支撑架是同心圆，并且所述外圈3的外径小于圆弧形的支撑架的内径，在外圈3上相互正交的四个位置依次设置有第一轴孔31、支撑杆32、第一定位孔33以及通孔34，其中第一轴孔31与第一定位孔33的中心线连接形成直线AB，支撑杆32与通孔34的中心线连接形成直线CD，所述外圈3上的第一轴孔31固套在所述第一电机1的转轴上，所述外圈3上的第一定位孔33插接在所述定位支柱7上，通过所述定位基座5上的第一电机1带动所述外圈3沿所述直线AB转动；
在所述外圈3的通孔34位置上安装所述第二电机2，该第二电机2的机体固定在所述外圈3上，该第二电机2的转轴穿过所述通孔34并朝向所述外圈3的圆心；
如图3所示，所述内圈4也为非金属圆环，该内圈4的外径小于所述外圈3的内径，在内圈4相对的位置上设置有第二轴孔41和第二定位孔42，其中第二轴孔41固套在所述第二电机2的转轴上，第二定位孔42插接在所述外圈3的支撑杆32上，通过所述第二电机2带动所述内圈4沿所述直线CD转动，在所述内圈4的内壁上绕制所述拾取线圈6，通过所述外圈3和内圈4的转动实现所述拾取线圈6的方向调整。
如图4，图5所示，为了防止外圈和内圈旋转过程中第二电机的电源线以及拾取线圈的连接导线不会发生缠绕现象，结合定位支柱和支持杆的物理结构特征，在第一定位孔33和定位支柱7之间以及第二定位孔42与支撑杆32之间均设置有导线转接机构，其中：
所述第一定位孔33的内壁上设置有4段相互隔离的金属环，其中两段作为所述第二电机2的电源线端口，另外两段作为所述拾取线圈6的引线端口，所述定位支柱7的柱体也分为4段相互隔离的金属导体，分别与所述第一定位孔33内壁上的金属环相互匹配，所述定位支柱7上的4段金属导体分别连接有一根延长导线；
所述第二定位孔42的内壁上设置有2段相互隔离的金属环，分别与所述拾取线圈6的正负端连接，所述支撑杆32上也设置有2段相互隔离的金属导体，分别与所述第二定位孔42内壁上的金属环相互匹配，所述支撑杆32上的两段金属导体分别通过导线与所述第一定位孔33上作为拾取线圈6的引线端口的两段金属环连接，作为所述拾取线圈6的延长线。
如图6所示，以智能药丸为例对本发明的具体应用作进一步描述，将线圈定位机构通过定位基座5固定在智能药丸的一端，智能药丸的另一端安装能量转换电路8和负载电路9，所述智能药丸中的负载电路9具有一定的医疗探测作用，当患者吞食下该智能药丸后，需要通过体外的医疗装置产生磁场来为体内的负载电路9提供能量，由于患者体内的药丸会自由的游动，拾取线圈6的方向不能确定，本方案所提出的就是通过第一电机1和第二电机2的协调工作来调节拾取线圈6的方向，使得拾取线圈6能够与原边发射来的磁场相互垂直，实现能量的最大功率传输，从而保证智能药丸中的负载电路9正常工作。
本发明的工作原理是：
将拾取线圈绕制在内圈4上，将内圈4与外圈上面的第二电机2的转轴套接在一起，再将外圈3与定位基座5上面的第一电机1的转轴套接在一起，由于第一电机1和第二电机2安装的位置相互正交，第一电机1带动外圈3沿直线AB旋转，第二电机2带动内圈4沿直线CD转，直线AB与直线CD相互垂直，通过控制第一电机1和第二电机2的转角，可以实现内圈4在三维空间内自由旋转，这样就保证内圈4上面绕制的拾取线圈6能够与任意方向发射来的磁场保持垂直关系，达到拾取功率的最大化。
尽管以上结构结合附图对本发明优选实施例进行了描述，但本发明不限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以作出多种类似的表示，比如更改内圈或外圈的形状，将其设置为矩形框，内圈也可以设置为圆形或方向的绕线板，还可以更改定位基座的结构或形状等等，这样的变换均落入本发明保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于无线电能传输系统的磁场跟踪伺服机构，其特征在于：由第一电机(1)、第二电机(2)、外圈(3)、内圈(4)、定位基座(5)以及拾取线圈(6)组成；
所述定位基座(5)上设置有一个圆弧形的支撑架，在该圆弧形支撑架的一端安装所述第一电机(1)，在该圆弧形支撑架的另一端还设置有定位支柱(7)，所述第一电机(1)的转轴与所述定位支柱(7)相对设置，均朝向所述转轴与定位支柱(7)连线的中心；
所述外圈(3)为非金属圆环，该外圈(3)与所述圆弧形的支撑架是同心圆，并且所述外圈(3)的外径小于圆弧形的支撑架的内径，在外圈(3)上相互正交的四个位置依次设置有第一轴孔(31)、支撑杆(32)、第一定位孔(33)以及通孔(34)，其中第一轴孔(31)与第一定位孔(33)的中心线连接形成直线AB，支撑杆(32)与通孔(34)的中心线连接形成直线CD，所述外圈(3)上的第一轴孔(31)固套在所述第一电机(1)的转轴上，所述外圈(3)上的第一定位孔(33)插接在所述定位支柱(7)上，通过所述定位基座(5)上的第一电机(1)带动所述外圈(3)沿所述直线AB转动；
在所述外圈(3)的通孔(34)位置上安装所述第二电机(2)，该第二电机(2)的机体固定在所述外圈(3)上，该第二电机(2)的转轴穿过所述通孔(34)并朝向所述外圈(3)的圆心；
所述内圈(4)也为非金属圆环，该内圈(4)的外径小于所述外圈(3)的内径，在内圈(4)相对的位置上设置有第二轴孔(41)和第二定位孔(42)，其中第二轴孔(41)固套在所述第二电机(2)的转轴上，第二定位孔(42)插接在所述外圈(3)的支撑杆(32)上，通过所述第二电机(2)带动所述内圈(4)沿所述直线CD转动，在所述内圈(4)的内壁上绕制所述拾取线圈(6)，通过所述外圈(3)和内圈(4)的转动实现所述拾取线圈(6)的方向调整。
2.根据权利要求1所述的用于无线电能传输系统的磁场跟踪伺服机构，其特征在于：所述第一定位孔(33)和定位支柱(7)之间以及第二定位孔(42)与支撑杆(32)之间均设置有导线转接机构，其中：
所述第一定位孔(33)的内壁上设置有4段相互隔离的金属环，其中两段作为所述第二电机(2)的电源线端口，另外两段作为所述拾取线圈(6)的引线端口，所述定位支柱(7)的柱体也分为4段相互隔离的金属导体，分别与所述第一定位孔(33)内壁上的金属环相互匹配，所述定位支柱(7)上的4段金属导体分别连接有一根延长导线；
所述第二定位孔(42)的内壁上设置有2段相互隔离的金属环，分别与所述拾取线圈(6)的正负端连接，所述支撑杆(32)上也设置有2段相互隔离的金属导体，分别与所述第二定位孔(42)内壁上的金属环相互匹配，所述支撑杆(32)上的两段金属导体分别通过导线与所述第一定位孔(33)上作为拾取线圈(6)的引线端口的两段金属环连接，作为所述拾取线圈(6)的延长线。
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