CN106549508B - 一种空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输方法。本发明提供一种由三轴正交亥姆霍兹线圈所叠加出的空间线极化交变磁场的方向可任意调整的驱动方法与具体操作途径，调节三轴正交亥姆霍兹线圈中三股交流电的电流幅值与相位，使叠加出的线极化磁矢量方向与感应线圈轴线方向重合并发生电磁感应，满足能量接收装置的供能需求，从而实现高效、安全、稳定的定向性无线能量传输；同时能量接收装置内置的感应线圈体积可大大减小，为日后胶囊机器人的功能扩展奠定了坚实的基础。

Description

一种空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输方法

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，以及医疗领域的迫切需求，取代传统内窥镜技术的胶囊机器人应运而生。胶囊机器人是一种将摄像头、驱动器、电池等元件封装到胶囊大小塑料外壳中的微型机器人。其外壳经过特殊处理，具有无毒无害、耐腐蚀、可吞服等特点。在病人服下胶囊机器人后，医生可以借助胶囊机器人回传的影像，对病人的消化道进行检查、诊断以及微创手术等工作。胶囊机器人的优点在于可以对人消化道进行无创无痛式的全面检查，克服了传统内窥镜技术存在检查盲区以及易使病人痛苦并造成组织损伤的缺陷。

胶囊机器人按驱动类型可以分为主动式与被动式两种。目前投入临床使用的胶囊机器人——例如以色列Given Imaging公司生产的Pillcam系列胶囊机器人以及重庆金山公司生产的OMOM胶囊机器人——均采用被动式驱动，即依靠人胃肠道自身的蠕动驱动机器人行走，存在机器人姿态不可控，可能出现漏检等缺陷。因此，对于主动驱动式胶囊机器人——机器人姿态可以人为控制——的探索研究，在国内外呈现出一种方兴未艾的态势。

由于磁驱动可望能够解决胶囊机器人的行走及姿态调整问题，基于无线磁驱动的主动式胶囊机器人日渐成为各国胶囊机器人研发的主流。意大利比萨大学Federico Carpi等人采用均匀外磁场驱动胶囊机器人，但实现磁场旋转轴改变的圆环形磁铁结构不够灵活；日本K.Ishiyama等人提出采用三轴亥姆霍兹线圈提供旋转磁场驱动内部具有永磁体的胶囊机器人，但其旋转磁场的轴线无法改变。中国科学院机械研究所提出用梯度磁场拉动机器人行走，但该方式容易对人体组织造成损伤。我们课题组在获得的国家发明专利“体内医疗微型机器人万向旋转磁场驱动控制方法”(专利授权号：ZL 200810011110.2)和“空间万向叠加旋转磁场旋转轴线方位与旋向的控制方法”(专利授权号：ZL 201210039753.4)中，提出的技术方案是分别向三轴亥姆霍兹线圈组施加与机器人运动方位角相关幅值和相位的同频率正弦电流信号，由三轴正交亥姆霍兹线圈叠加为一定区域内的旋转轴线与机器人运动方向一致的均匀万向旋转磁场，采用三轴亥姆霍兹线圈装置叠加实现了旋转磁场轴线、方位、旋向和转速的数字化控制，实现了胶囊机器人在弯曲环境内的转弯驱动。

此外，对于胶囊机器人来说，由于体积的限制，其内部电池只能携带十分有限的能量却占据了大量的空间。现有的胶囊机器人在进行内窥镜检测时只能持续供电8-10小时，受能量所限，不能实施全胃肠道图像检测，且当胶囊机器人在人体内部时，其电池无法即时更换，因此胶囊机器人需要无线充能。不仅如此，将来，胶囊机器人在实现药物释放、光动照射治疗、取样等功能或装载新型诊疗装置时均需要无线能量供给。由于体内胶囊机器人的姿态具有空间任意性，体外充能装置必须实现体内胶囊机器人的万向无线充能，才能有效地解决其无线能量供给问题。

综上，实现胶囊机器人的无线能量传输(Wireless Power Transmission,WPT)迫在眉睫。通过查阅相关资料，目前无线能量传输的方法有以下三种：1.通过微波或激光等超高频电磁波进行能量传输，这种无线能量传输方式具有生物危害性高，穿透性差等特点，显然不适合应用于医疗领域的胶囊机器人。2.磁耦合谐振式无线能量传输，此方法于2007年7月由美国麻省理工学院的Marin教授提出，其发射线圈与接收线圈正对且具有相同的固有频率，当发射线圈通有交流电时，接收线圈发生磁耦合谐振，产生交流电。磁耦合谐振式无线能量传输的距离可以达到中等水平(几十厘米)，传输效率高等特点。不过其对发射接收线圈的制作要求极其严格——二者要具有完全相同的固有频率，传输方向调节困难等缺点阻碍了该技术在胶囊机器人领域的进一步应用。3.松耦合变压器式无线能量传输，又称可分离变压器式，该技术的特征是采用高导磁材料以提高耦合磁场的耦合程度、减少漏磁通和增加耦合系数。其不足之处在于传输距离过短，对位置偏移敏感。上海交通大学颜国正等人对应用在胶囊机器人上的松耦合变压器模型进行了改进，将机器人内部的感应线圈改为三维正交缠绕，有效地克服了原模型对姿态偏移敏感的缺点，但三维结构感应线圈体积相对较大，会占用胶囊机器人给进行施药治疗等装置保留的扩展空间。

由于上述三种无线能量传输方法均存在不足，尤其是不能实现定向能量高效传输。事实上，在弯曲环境内采用磁场对胶囊机器人充能时，要求外交变磁场的方向可以任意调整，以保证外交变磁场的方向始终与在弯曲环境内的机器人轴线一致，才能实现有效充能。为了解决定向充能这一难题，我们课题组在实现空间万向旋转磁场控制胶囊在弯曲环境内驱动的基础上，再结合当输入三轴亥姆霍兹线圈的电流幅值相位参数满足一定条件时，空间万向旋转磁场空间末端轨迹也会极化为一条线段这一现象(空间万向旋转磁场方位误差的直线极化相位校正方法，专利授权号：ZL201510263117.3)，即旋转磁场变成沿着空间某个方向的交变磁场，又提出本专利所述之空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输方法，目的是利用旋转磁场的空间线极化现象，提供交变磁场方向的准确控制方法，实现弯曲环境胶囊机器人的定向无线能量传输，为最终实现三轴亥姆霍兹线圈装置对胶囊机器人的定向无线能量传输，以及胶囊机器人的功能扩展奠定基础。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种由三轴正交亥姆霍兹线圈所叠加出的空间线极化万向交变磁场的方向可任意调整的方法，即调节三轴正交亥姆霍兹线圈中三股同频交流电的电流相位与幅值，使构成空间线极化万向交变磁场的空间线极化磁矢量方向与能量接收装置内感应线圈的轴线方向重合并发生电磁感应，满足能量接收装置的供能需求，从而实现空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输。

本发明的技术方案是：

一种空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输方法，包括如下步骤：

第一步，以能量接收装置内感应线圈的轴线方向信息，作为构成空间线极化万向交变磁场的空间线极化磁矢量方向，即<cosα,cosβ,cosγ>，其中，α，β，γ分别为能量接收装置内感应线圈轴线与空间直角坐标系x，y，z轴之间的方向角；

第二步，以构成三轴正交亥姆霍兹线圈的x、y、z三轴线圈中任一轴线圈内的电流相位为基准相位，根据空间线极化磁矢量方向所在象限与三轴线圈内电流相位的对应关系，确定其余两轴线圈内电流相位与该基准相位之间的相位差等于π的奇数倍或者偶数倍，即相位差倍数的奇偶性；

第三步，通过空间线极化磁矢量方向与三轴线圈内电流幅值的关系，计算出所需的电流幅值；

第四步，根据第二步得到的相位差倍数的奇偶性和第三步得到的电流幅值，调节三轴正交亥姆霍兹线圈中三股同频交流电的电流相位和幅值，实现空间线极化磁矢量方向与能量接收装置内感应线圈的轴线方向重合，满足空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输。

上述第二步中，得到空间线极化磁矢量方向所在象限与三轴线圈内电流相位对应关系的原理为：

由三轴正交亥姆霍兹线圈所生成的三维磁矢量，如式(1)所示，其末端轨迹可视为空间参数曲线，如式(2)所示。

其中，B_i与θ_i，i＝x，y，z分别为x，y，z三轴线圈所生成的磁矢量幅值与相位，ω为角频率，t是时间。微分几何中，空间参数曲线的曲率公式为

若空间参数曲线发生线极化现象——其末端轨迹为一条线段，则其曲率恒为零，即

当以x轴线圈生成的磁矢量为基准时，式(4)的解为

其中，k₁、k₂分别为相位差倍数。相应地，空间参数曲线化简为

其中，k₁、k₂为奇数时，B_y、B_z前的符号为负；k₁、k₂为偶数时，B_y、B_z前的符号为正。令代入式(6)，得

由式(7)可知，当各相位之间的关系满足式(5)时，三维磁矢量极化为空间内沿方向，幅值为且作正弦交变的空间线极化磁矢量，其末端轨迹必为一条线段。若三个正弦磁矢量的幅值B_x、B_y、B_z均为正，根据上述原理，可以得到k₁、k₂奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在象限的对应关系，如表1所示。

表1 k₁、k₂奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在象限的对应关系

当以y轴线圈生成的磁矢量为基准时，式(4)的解为

其中，k₃、k₄分别为相位差倍数。相应地，空间参数曲线化简为

其中，k₃、k₄为奇数时，B_x、B_z前的符号为负；k₃、k₄为偶数时，B_x、B_z前的符号为正。令代入式(9)，得

由式(10)可知，当各相位之间的关系满足式(8)时，三维磁矢量极化为空间内沿方向，幅值为且作正弦交变的空间线极化磁矢量，其末端轨迹必为一条线段。若三个正弦磁矢量的幅值B_x、B_y、B_z均为正，根据上述原理，可以得到k₃、k₄奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在象限的对应关系，如表2所示。

表2 k₃、k₄奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在象限的对应关系

当以z轴线圈生成的磁矢量为基准时，式(4)的解为

其中，k₅、k₆分别为相位差倍数。相应地，空间参数曲线化简为

其中，k₅、k₆为奇数时，B_x、B_y前的符号为负；k₅、k₆为偶数时，B_x、B_y前的符号为正。令代入式(12)，得

由式(13)可知，当各相位之间的关系满足式(11)时，三维磁矢量极化为空间内沿方向，幅值为且作正弦交变的空间线极化磁矢量，其末端轨迹必为一条线段。若三个正弦磁矢量的幅值B_x、B_y、B_z均为正，根据上述原理，可以得到k₅、k₆奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在象限的对应关系，如表3所示。

表3 k₅、k₆奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在象限的对应关系

根据毕奥萨法尔定律，在三轴正交亥姆霍兹线圈所包围均匀磁场区域空间内，x、y、z三轴线圈中任一轴线圈所通入的交变电流I与其所生成的交变磁场B成正比，比例系数即为该轴线圈的结构参数K：

B_i＝K_iI_i (14)

其中i＝x，y，z分别对应x轴线圈、y轴线圈、z轴线圈，结构参数K可由相关公式或实验得出。因此，x、y、z三轴线圈内的电流相位与其所生成的磁矢量相位相同，均为θ_i(i＝x，y，z)，则如表1、表2、表3所示的空间线极化磁矢量方向所在象限与三轴线圈所生成的磁矢量相位的对应关系即为空间线极化磁矢量方向所在象限与三轴线圈内电流相位的对应关系。

上述第三步中，计算所需电流幅值的原理为：

根据电磁感应原理，当能量接收装置内感应线圈中各匝回路所包围的面积恒定且具有同一轴线时，线圈中的感应电动势ε可由式(15)计算：

其中，N为线圈匝数，Φ_B为磁通量，B为磁场强度，A为单匝回路所包围的面积，φ是磁场强度矢量B与线圈轴线之间的夹角，t是时间。将如式(7)、(10)、(13)所示的空间线极化磁矢量代入式(15)得到感应电动势的幅值为

由式(16)可知，在其他条件相同的情况下，当线极化磁矢量方向与感应线圈轴线方向重合，即φ＝0°时，感应电动势幅值ε_m达到最大，即

由式(17)可知，当能量接收装置所需的交流电动势幅值ε_m，进行无线能量传输的角频率ω，线圈匝数N，单匝回路所包围的面积A均已知时，三轴正交亥姆霍兹线圈所产生的三个正弦磁矢量幅值B_x、B_y、B_z满足

又因为以能量接收装置内感应线圈的轴线方向信息，作为构成空间线极化万向交变磁场的空间线极化磁矢量方向，即<cosα,cosβ,cosγ>，其中，α，β，γ分别为能量接收装置内感应线圈轴线与空间直角坐标系x，y，z轴之间的方向角，则在三轴正交亥姆霍兹线圈所包围均匀磁场区域空间内，分别由x、y、z轴线圈所生成的磁矢量幅值B_x、B_y、B_z满足如下关系：

B_x:B_y:B_z＝|cosα|:|cosβ|:|cosγ| (19)

因此，结合式(18)与式(19)可以得到由x轴线圈、y轴线圈、z轴线圈所产生并满足能量接收装置供能需求的三个正弦磁矢量幅值B_x、B_y、B_z的具体数值。再将各轴线圈的结构参数K与三个正弦磁矢量幅值B_x、B_y、B_z的具体数值代入式(14)，即可得到x轴线圈、y轴线圈、z轴线圈中需通入的交流电电流幅值I_x、I_y、I_z。

本发明的效果和益处是：

在三轴正交亥姆霍兹线圈所包围均匀磁场区域空间内可叠加出任意方向的线极化交变磁场，即空间线极化万向交变磁场；可便利地通过参数调整使构成空间线极化万向交变磁场的空间线极化磁矢量方向与能量接收装置内任意已知轴线方向的感应线圈重合；可实现高效、安全、稳定的定向无线能量传输，能量接收装置内感应线圈的体积可大大减小，为日后胶囊机器人的功能扩展奠定了坚实的基础。

附图说明

图1是实施定向无线能量传输时整个系统的示意图。

图1中：1DSP控制系统；2计算机控制平台；

3装有姿态传感器的能量接收装置；4三轴正交亥姆霍兹线圈。

图2是k₁、k₂奇偶性组合与空间线极化磁矢量所在象限的对应关系示意图。

图2中：5k₁为偶数，k₂为奇数时线极化磁矢量所在的空间坐标系位置；

6k₁为奇数，k₂为奇数时线极化磁矢量所在的空间坐标系位置；

7k₁为偶数，k₂为偶数时线极化磁矢量所在的空间坐标系位置；

8k₁为奇数，k₂为偶数时线极化磁矢量所在的空间坐标系位置；

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ分别代表空间中八个卦限。

图3是三轴正交亥姆霍兹线圈的结构示意图。

图3中：9y轴线圈；10x轴线圈；11z轴线圈。

图4是构成三轴正交亥姆霍兹线圈的单轴方形亥姆霍兹线圈结构示意图。

图4中：a为单个亥姆霍兹线圈边长的一半；t为单个亥姆霍兹线圈厚度；

l为单个亥姆霍兹线圈宽度；b为两个亥姆霍兹线圈之间的距离；

d为两个亥姆霍兹线圈中心距离的一半，且满足d＝0.5445(a+t/2)。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1：

以通入三轴正交亥姆霍兹线圈交流电角频率ω＝5×10⁵rad/s，即频率f＝79.6kHz，x轴线圈为基准线圈；能量接收装置所需感生电动势幅值ε_m＝5V，感应线圈匝数N＝100，横截面为圆形且面积A＝1cm²，f＝79.6kHz下交流电阻为3.4Ω轴线方向<cos60°,cos120°,cos135°>为例，详述利用空间线极化万向交变磁场对能量接收装置进行定向无线能量传输的过程。

第一步，以能量接收装置内感应线圈的轴线方向信息，作为构成空间线极化万向交变磁场的空间线极化磁矢量方向，即<cos60°,cos120°,cos135°>，其中，α＝60°，β＝120°，γ＝135°分别为能量接收装置内感应线圈轴线与空间直角坐标系x，y，z轴之间的方向角，并对f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈中各轴线圈的结构参数K与相关电学参数进行计算；

课题组现有的三轴正交亥姆霍兹线圈整体结构如附图3所示，其所采用的单轴方形亥姆霍兹线圈结构与各轴线圈尺寸参数如附图4与表4所示。

表4各轴亥姆霍兹线圈尺寸参数

由于集肤效应和邻近效应的存在，导线在高频交流电下的电阻R_ac(交流电阻)不等于其在直流下的电阻R。欲计算导线的交流电阻R_ac，首先应考虑集肤效应，则导体中高频交流电流的穿透深度计算公式为

其中，Δ为穿透深度，ω为角频率，μ₀＝4π×10^-7N/A²为真空中磁导率，σ为导体的电导率，f为频率。由式(20)可知，当频率f＝79.6kHz时，铜导线的穿透深度Δ＝0.233mm。为消除集肤效应的影响，此时铜导线线芯直径不应超过2Δ＝0.466mm。因此，经查表得，f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈绕组采用线芯直径为0.450mm的漆包线重新绕制，此规格漆包线的最大外径为0.513mm，20℃时直流电阻为每千米107.5Ω。

在线圈框架结构不变的情况下，即表4中各参数除匝数N与厚度t外均保持不变，各轴线圈均采用0.450mm线芯直径漆包线单层绕制，并考虑邻近效应，由圆截面线圈单层绕组的Dowell公式计算出各轴线圈的邻近效应系数F_R约为1.4。各轴线圈的结构参数K可按照式(21)计算，即

其中i＝x，y，z分别对应x轴线圈、y轴线圈、z轴线圈；a为方形亥姆霍兹线圈内侧边长的一半，t为方形线圈厚度，d为两线圈中心距的一半，N为单个亥姆霍兹线圈的匝数，如附图4所示；μ₀＝4π×10^-7N/A²代表真空磁导率。最终得到f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈结构及电学参数，如表5所示。

表5 f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈结构及电学参数

第二步，以构成三轴正交亥姆霍兹线圈的x、y、z三轴线圈中x轴线圈内的电流相位为基准相位，根据空间线极化磁矢量方向所在象限与三轴线圈内电流相位的对应关系，确定其余两轴线圈内电流相位与该基准相位之间的相位差等于π的奇数倍或者偶数倍，即相位差倍数的奇偶性；

以x轴线圈电流相位为基准相位时，其余y、z轴线圈的电流相位满足

其中，θ_i(i＝x，y，z)分别为x、y、z轴线圈的电流相位，k₁、k₂分别为相位差倍数。k₁、k₂奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在象限的对应关系，如表1与附图2所示。由表1可知，空间线极化磁矢量方向所在象限仅与k₁、k₂的奇偶性组合有关。根据感应线圈轴线方向<cos60°,cos120°,cos135°>所在的卦限，即第八卦限，查表1确定相位差倍数k₁、k₂均为奇数。

为方便计算机的控制与计算，令k₁、k₂等于0或1，即k₁、k₂等于0代表k₁、k₂为偶数的所有情况，k₁、k₂等于1代表k₁、k₂为奇数的所有情况。则在计算机控制平台2中所需输入的相位参数为k₁＝k₂＝1，即y，z轴线圈的电流相位跟x轴线圈内的电流相位相差π。

第三步，通过空间线极化磁矢量方向与三轴线圈内电流幅值的关系，计算出所需的电流幅值，并对f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈的运行安全性进行评估；

1)所需电流幅值的计算：

在三轴正交亥姆霍兹线圈所包围均匀磁场区域空间内，根据式(18)、(19)，分别由x、y、z轴线圈所生成的磁矢量幅值B_x、B_y、B_z满足如下关系：

联立式(22)、(23)，解得x，y，z轴线圈所生成的交变磁场幅值B_x、B_y、B_z的具体数值，如式(24)所示。

B_x＝0.500mT，B_y＝0.500mT，B_z＝0.707mT (24)

将表5中各轴线圈的结构参数K与式(24)代入式(14)，得到x，y，z轴线圈中需通入的交流电电流幅值为

I_x＝1.281A，I_y＝1.088A，I_z＝1.569A (25)

2)f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈的运行安全性评估：

由式(14)可知，对于单轴线圈，交变磁场强度B与所通入的交变电流I成正比。当三轴正交亥姆霍兹线圈产生如式(1)所示的正弦交变磁场，x，y，z各轴线圈加载的电压应为正弦交变电压，即

其中，V_m是电压的幅值，是初相位。对于任意阻抗Z＝R+jX的电路元件，其中R是电阻，X是电抗，j是虚部单位，当加载如式(26)所示之交变电压时，其相应的交变电流为

其中I_m为交变电流的幅值，根据电工学中相关定义，单轴线圈的有功功率P为

由式(28)可知，对于单轴线圈电路，频率一定时，其交流电阻为一定值。则当通入的交变电流幅值一定时，其有功功率P恒定。有功功率是电路元件对外做功的功率，而理想情况下线圈对外做功只是将电能转化热能，则其发热功率即为有功功率P。

由式(22)可知，各轴线圈发热功率的最大值发生在各自独立产生幅值为1mT的交变磁场时。因此，按照式(14)、(28)及表5中的数据可计算得到x，y，z轴线圈的最大发热功率分别为85.42W、128.87W、192.39W。则线圈整体发热功率最大值即为192.39W，故f＝79.6kHz时磁场发生装置不会发生过热现象，其运行安全可以得到保证。

第四步，根据第二步得到的相位差倍数的奇偶性和第三步得到的电流幅值，调节三轴正交亥姆霍兹线圈中三股同频交流电的电流相位和幅值，实现空间线极化磁矢量方向与能量接收装置内感应线圈的轴线方向重合，满足空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输。

将第二步中得到的相位参数k₁＝k₂＝1与第三步中得到的幅值参数I_x＝1.281A、I_y＝1.088A、I_z＝1.569A由计算机控制平台2下发给DSP控制系统1，配置通入三轴正交亥姆霍兹线圈4的三股同频正弦交流电的电流相位与幅值，即可得到与能量接收装置3内感应线圈轴线方向重合的空间线极化万向交变磁场，如附图1所示。从而满足实施例1中5V的电动势幅值需求。

当正余弦交变电动势幅值为5V时，经过能量接收装置3内部电路稳压整流后，其有效值约为3.5V。根据最大功率传输定理，负载端电阻与线圈电阻相等时平均传输功率最大，此时负载端的最大平均功率为0.93W，可以满足对相关元件进行供电的需求。因此，本发明所提供的技术方案可实现实施例1所要求的定向无线能量传输，使能量接收装置3摆脱电池的束缚。

实施例2：

以通入三轴正交亥姆霍兹线圈交流电角频率ω＝5×10⁵rad/s，即频率f＝79.6kHz，y轴线圈为基准线圈；能量接收装置所需感生电动势幅值ε_m＝5V，感应线圈匝数N＝100，横截面为圆形且面积A＝1cm²，f＝79.6kHz下交流电阻为3.4Ω轴线方向<cos109.47°,cos109.47°,cos109.47°>为例，详述利用空间线极化万向交变磁场对能量接收装置进行定向无线能量传输的过程。

第一步，以能量接收装置内感应线圈的轴线方向信息，作为构成空间线极化万向交变磁场的空间线极化磁矢量方向，即<cos109.47°,cos109.47°,cos109.47°>，其中，α＝β＝γ＝109.47°分别为能量接收装置内感应线圈轴线与空间直角坐标系x，y，z轴之间的方向角，f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈中各轴线圈的结构参数K与相关电学参数如表5所示；

第二步，以构成三轴正交亥姆霍兹线圈的x、y、z三轴线圈中y轴线圈内的电流相位为基准相位，根据空间线极化磁矢量方向所在象限与三轴线圈内电流相位的对应关系，确定其余两轴线圈内电流相位与该基准相位之间的相位差等于π的奇数倍或者偶数倍，即相位差倍数的奇偶性；

以y轴线圈电流相位为基准相位时，其余x、z轴线圈的电流相位满足

其中，θ_i(i＝x，y，z)分别为x、y、z轴线圈的电流相位，k₃、k₄分别为相位差倍数。k₃、k₄奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在象限的对应关系，如表2所示。由表2可知，空间线极化磁矢量方向所在象限仅与k₃、k₄的奇偶性组合有关。根据感应线圈轴线方向<cos109.47°,cos109.47°,cos109.47°>所在的卦限，即第七卦限，查表2确定相位差倍数k₃、k₄均为偶数。

为方便计算机的控制与计算，令k₃、k₄等于0或1，即k₃、k₄等于0代表k₃、k₄为偶数的所有情况，k₃、k₄等于1代表k₃、k₄为奇数的所有情况。则在计算机控制平台2中所需输入的相位参数为k₃＝k₄＝0，即x，z轴线圈的电流相位跟y轴线圈内的电流相位相同。

第三步，通过空间线极化磁矢量方向与三轴线圈内电流幅值的关系，计算出所需的电流幅值，并对f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈的运行安全性进行评估；

1)所需电流幅值的计算：

在三轴正交亥姆霍兹线圈所包围均匀磁场区域空间内，根据式(18)、(19)，分别由x、y、z轴线圈所生成的磁矢量幅值B_x、B_y、B_z满足如下关系：

B_x:B_y:B_z＝|cos109.47°|:|cos109.47°|:|cos109.47°|＝1:1:1 (30)

联立式(29)、(30)，解得x，y，z轴线圈所生成的交变磁场幅值B_x、B_y、B_z的具体数值，如式(31)所示。

B_x＝0.577mT，B_y＝0.577mT，B_z＝0.577mT (31)

将表5中各轴线圈的结构参数K与式(31)代入式(14)，得到x，y，z轴线圈中需通入的交流电电流幅值为

I_x＝1.479A，I_y＝1.256A，I_z＝1.281A (32)

2)f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈的运行安全性评估：

由式(29)可知，各轴线圈发热功率的最大值发生在各自独立产生幅值为1mT的交变磁场时。因此，按照式(14)、(28)及表5中的数据可计算得到x，y，z轴线圈的最大发热功率分别为85.42W、128.87W、192.39W。则线圈整体发热功率最大值即为192.39W，故f＝79.6kHz时磁场发生装置不会发生过热现象，其运行安全可以得到保证。

第四步，根据第二步得到的相位差倍数的奇偶性和第三步得到的电流幅值，调节三轴正交亥姆霍兹线圈中三股同频交流电的电流相位和幅值，实现空间线极化磁矢量方向与能量接收装置内感应线圈的轴线方向重合，满足空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输。

将第二步中得到的相位参数k₃＝k₄＝0与第三步中得到的幅值参数I_x＝1.479A、I_y＝1.256A、I_z＝1.281A由计算机控制平台2下发给DSP控制系统1，配置通入三轴正交亥姆霍兹线圈4的三股同频正弦交流电的电流相位与幅值，即可得到与能量接收装置3内感应线圈轴线方向重合的空间线极化万向交变磁场，如附图1所示。从而满足实施例2中5V的电动势幅值需求。

当正余弦交变电动势幅值为5V时，经过能量接收装置3内部电路稳压整流后，其有效值约为3.5V。根据最大功率传输定理，负载端电阻与线圈电阻相等时平均传输功率最大，此时负载端的最大平均功率为0.93W，可以满足对相关元件进行供电的需求。因此，本发明所提供的技术方案可实现实施例2所要求的定向无线能量传输，使能量接收装置3摆脱电池的束缚。

实施例3：

以通入三轴正交亥姆霍兹线圈交流电角频率ω＝5×10⁵rad/s，即频率f＝79.6kHz，z轴线圈为基准线圈；能量接收装置所需感生电动势幅值ε_m＝5V，感应线圈匝数N＝100，横截面为圆形且面积A＝1cm²，f＝79.6kHz下交流电阻为3.4Ω轴线方向<cos48.19°,cos131.81°,cos70.53°>为例，详述利用空间线极化万向交变磁场对能量接收装置进行定向无线能量传输的过程。

第一步，以能量接收装置内感应线圈的轴线方向信息，作为构成空间线极化万向交变磁场的空间线极化磁矢量方向，即<cos48.19°,cos131.81°,cos70.53°>，其中，α＝48.19°，β＝131.81°，γ＝70.53°分别为能量接收装置内感应线圈轴线与空间直角坐标系x，y，z轴之间的方向角，f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈中各轴线圈的结构参数K与相关电学参数如表5所示；

第二步，以构成三轴正交亥姆霍兹线圈的x、y、z三轴线圈中z轴线圈内的电流相位为基准相位，根据空间线极化磁矢量方向所在象限与三轴线圈内电流相位的对应关系，确定其余两轴线圈内电流相位与该基准相位之间的相位差等于π的奇数倍或者偶数倍，即相位差倍数的奇偶性；

以z轴线圈内电流相位为基准相位时，其余x、y轴线圈的电流相位满足

其中，θ_i(i＝x，y，z)分别为x、y、z轴线圈的电流相位，k₅、k₆分别为相位差倍数。k₅、k₆奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在象限的对应关系，如表3所示。由表3可知，空间线极化磁矢量方向所在象限仅与k₅、k₆的奇偶性组合有关。根据感应线圈轴线方向<cos48.19°,cos131.81°,cos70.53°>所在的卦限，即第四卦限，查表3确定k₅为偶数，k₆为奇数。

为方便计算机的控制与计算，令k₅、k₆等于0或1，即k₅、k₆等于0代表k₅、k₆为偶数的所有情况，k₅、k₆等于1代表k₅、k₆为奇数的所有情况。则在计算机控制平台2中所需输入的相位参数为k₅＝0、k₆＝1，即x轴线圈的电流相位跟z轴线圈的电流相位相同，y轴线圈的电流相位跟z轴线圈的电流相位相差π。

第三步，通过空间线极化磁矢量方向与三轴线圈内电流幅值的关系，计算出所需的电流幅值，并对f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈的运行安全性进行评估；

1)所需电流幅值的计算：

在三轴正交亥姆霍兹线圈所包围均匀磁场区域空间内，根据式(18)、(19)，分别由x、y、z轴线圈所生成的磁矢量幅值B_x、B_y、B_z满足如下关系：

Bx:B_y:B_z＝|cos48.19°|:|cos131.81°|:|cos70.53°|＝2:2:1 (34)

联立式(33)、(34)，解得x，y，z轴线圈所生成的交变磁场幅值B_x、B_y、B_z的具体数值，如式(35)所示。

B_x＝0.667mT，B_y＝0.667mT，B_z＝0.333mT (35)

将表5中各轴线圈的结构参数K与式(35)代入式(14)，得到x，y，z轴线圈中需通入的交流电电流幅值为

I_x＝1.709A，I_y＝1.452A，I_z＝0.739A (36)

2)f＝79.6kHz下三轴正交亥姆霍兹线圈的运行安全性评估：

由式(33)可知，各轴线圈发热功率的最大值发生在各自独立产生幅值为1mT的交变磁场时。因此，按照式(14)、(28)及表5中的数据可计算得到x，y，z轴线圈的最大发热功率分别为85.42W、128.87W、192.39W。则线圈整体发热功率最大值即为192.39W，故f＝79.6kHz时磁场发生装置不会发生过热现象，其运行安全可以得到保证。

第四步，根据第二步得到的相位差倍数的奇偶性和第三步得到的电流幅值，调节三轴正交亥姆霍兹线圈中三股同频交流电的电流相位和幅值，实现空间线极化磁矢量方向与能量接收装置内感应线圈的轴线方向重合，满足空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输。

将第二步中得到的相位参数k₅＝0、k₆＝1与第三步中得到的幅值参数I_x＝1.709A、I_y＝1.452A、I_z＝0.739A由计算机控制平台2下发给DSP控制系统1，配置通入三轴正交亥姆霍兹线圈4的三股同频正弦交流电的电流相位与幅值，即可得到与能量接收装置3内感应线圈轴线方向重合的空间线极化万向交变磁场，如附图1所示。从而满足实施例3中5V的电动势幅值需求。

当正余弦交变电动势幅值为5V时，经过能量接收装置3内部电路稳压整流后，其有效值约为3.5V。根据最大功率传输定理，负载端电阻与线圈电阻相等时平均传输功率最大，此时负载端的最大平均功率为0.93W，可以满足对相关元件进行供电的需求。因此，本发明所提供的技术方案可实现实施例3所要求的定向无线能量传输，使能量接收装置3摆脱电池的束缚。

Claims (2)

1.一种空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，以能量接收装置内感应线圈的轴线方向信息，作为构成空间线极化万向交变磁场的空间线极化磁矢量方向，即<cosα,cosβ,cosγ>，其中，α，β，γ分别为能量接收装置内感应线圈轴线与空间直角坐标系x，y，z轴之间的方向角；

第二步，以构成三轴正交亥姆霍兹线圈的x、y、z三轴线圈中任一轴线圈内的电流相位为基准相位，根据空间线极化磁矢量方向所在卦限与三轴线圈内电流相位的对应关系，确定其余两轴线圈内电流相位与该基准相位之间的相位差等于π的奇数倍或者偶数倍，即相位差倍数的奇偶性；

第三步，通过空间线极化磁矢量方向与三轴线圈内电流幅值的关系，计算出所需的电流幅值；

在三轴正交亥姆霍兹线圈所包围均匀磁场区域空间内，分别由x、y、z轴线圈所生成的磁矢量幅值B_x、B_y、B_z满足如下关系：

B_x:B_y:B_z＝|cosα|:|cosβ|:|cosγ| (2)

其中，ε_m是电动势幅值，N是感应线圈的匝数，A是线圈截面积，ω是交流电角频率；联立式(1)、(2)，解出B_x、B_y、B_z；再将B_x、B_y、B_z及x、y、z轴线圈的结构参数K_i代入下式：

B_i＝K_iI_i (3)

其中i＝x，y，z分别对应x轴线圈、y轴线圈、z轴线圈，I为电流，得到x轴线圈、y轴线圈、z轴线圈中需通入的交流电的电流幅值I_x、I_y、I_z；

第四步，根据第二步得到的相位差倍数的奇偶性和第三步得到的电流幅值，调节三轴正交亥姆霍兹线圈中三股同频交流电的电流相位和幅值，实现空间线极化磁矢量方向与能量接收装置内感应线圈的轴线方向重合，满足空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输。

2.根据权利要求1所述的一种空间线极化万向交变磁场的定向无线能量传输方法，其特征在于，第二步中所述的空间线极化磁矢量方向所在卦限与三轴线圈内电流相位的对应关系如下：

1)当以x轴线圈内电流相位为基准时，其余y、z轴线圈的电流相位满足

其中，θ_i(i＝x，y，z)分别为x、y、z轴线圈的电流相位，k₁、k₂分别为相位差倍数；k₁、k₂奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在卦限的对应关系如表1所示；

表1k₁、k₂奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在卦限的对应关系

2)当以y轴线圈内电流相位为基准时，其余x、z轴线圈的电流相位满足

其中，θ_i(i＝x，y，z)分别为x、y、z轴线圈的电流相位，k₃、k₄分别为相位差倍数；k₃、k₄奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在卦限的对应关系如表2所示；

表2：k₃、k₄奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在卦限的对应关系

k₃ k₄ 空间坐标系位置 奇 奇 第四、六卦限 奇 偶 第二、八卦限 偶 奇 第三、五卦限 偶 偶 第一、七卦限

3)当以z轴线圈内电流相位为基准时，其余x、y轴线圈的电流相位满足

其中，θ_i(i＝x，y，z)分别为x、y、z轴线圈的电流相位，k₅、k₆分别为相位差倍数；k₅、k₆奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在卦限的对应关系如表3所示；

表3k₅、k₆奇偶性组合与空间线极化磁矢量方向所在卦限的对应关系