CN106953422B - 一种新型无线电能传输有限三维全向发射线圈装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型无线电能传输有限三维全向发射线圈装置，以三维立体结构作为发射线圈的承载机构；所述三维立体结构中选择若干个面用于放置平面螺旋线圈；此类型的发射装置能提升无线电能传输系统的自由度与灵活性，提高传输系统磁场的空间均匀性，减少接收系统对发射系统的依赖性，实现单源多负载系统及任意空间位置的接收装置的稳定电能传输。

Description

一种新型无线电能传输有限三维全向发射线圈装置
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，特别是涉及到一种新型无线电能传输有限三维全向发射线圈装置。
背景技术
自从1840年发现利用电磁感应现象及导线可以传输电能至今，电能的传输主要是由导线直接接触进行传输的。电工设备的充电一般是通过插头和插座来进行，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险。且由于存在摩擦和磨损，系统的安全性、可靠性及使用寿命较低，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的事故。新型无接触电能传输系统采用电磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合，实现了电能的无线传输，完全克服了以上限制。根据电能传输原理，无线电能传输大致上可以分为三类：第一类是变压器原理的直接耦合式，这种方式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类电波无线能量传输技术，直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生物都有严重伤害；第三类是非辐射耦合谐振方式，该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。
2007年，MIT的研究人员采用高频电磁谐振耦合方式实现了电能的中程无线传输，在间隔2m距离给60W灯泡供电时效率约为40％。这一重大进展又激起了国内外研究人员对磁耦合谐振式无线电能传输技术的兴趣，众多学者在提高传输功率和效率，以及传输距离等方面进行了深入的研究。然而无线电能传输技术在应用过程中其电能传输效率与稳定性受到两方面的制约:一是发射线圈与接收线圈空间位置变化带来的传输稳定性问题；二是在保证传输稳定的前提下希望无线电能传输系统的体积尽可能的小。在传统无线电能传输系统中，接收线圈与发射线圈对方向较为敏感，在单个方向上可以获得足够的传输功率，但方向改变时传输功率急剧下降，故其多为平行放置。然而在实际应用中，对于单源多负载系统及任意空间位置的接收机构，接收线圈和磁场的相对空间关系会发生变化，接收线圈的平面法向就会出现和磁场方向不平行甚至垂直的情况，那么接收线圈中的传输特性会随两线圈平面法向夹角的变化而变化，降低了系统的传输稳定性。如若要在任意空间位置条件下稳定的传输能量，又势必要增加发射线圈与接收线圈的体积。
目前对改善任意空间传输稳定性的研究多限制在二维平面内，对于三维空间灵活稳定传输的研究成果也存在很多弊端，如非同轴的多米诺骨牌谐振线圈阵列及自旋转式发射线圈装置，虽实现了多方向的稳定电能传输，但多数量的中继线圈及复杂的结构限制了灵活性与可控性，且没有从根本上改善任意方向传输稳定性。
如何在满足稳定传输能量的条件下减小系统体积并实现三维电能传输成为提高无线电能传输系统性能的关键。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种新型无线电能传输有限三维全向发射线圈装置，此类型的发射装置能提升无线电能传输系统的自由度与灵活性，提高传输系统磁场的空间均匀性，减少接收系统对发射系统的依赖性，实现单源多负载系统及任意空间位置的接收装置的稳定电能传输。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种新型无线电能传输有限三维发射线圈装置，以三维立体结构作为发射线圈的承载机构；所述三维立体结构为多面体，所述多面体中选择若干个面用于放置平面螺旋线圈；所述平面螺旋线圈包括共同构成电磁发射部分的单匝激励线圈和多匝发射线圈；所述单匝激励线圈并连或串联接于高频电源。
进一步的，所述选择的若干个面能够全向辐射覆盖周围空间。
进一步的，所述三维立体结构保留用于放置平面螺旋线圈的面，去除不用于放置平面螺旋线圈的面。
更进一步的，所述三维立体结构为正多面体，所述正多面体上半部分的面用于放置平面螺旋线圈，下半部分去除。
更进一步的，所述三维立体结构为由多边形组成的三维球体，所述三维球体上半部分的面用于放置平面螺旋线圈，下半部分去除，形成半球体三维结构。
进一步的，所述平面螺旋线圈中，单匝激励线圈位于平面中心，多匝发射线圈位于单匝激励线圈的外围，每匝线圈的几何中心均位于同一点。
进一步的，所述平面螺旋线圈中，多匝发射线圈位于平面中心，单匝激励线圈位于多匝发射线圈的外围，每匝线圈的几何中心均位于同一点。
更进一步的，所述平面螺旋线圈中，每匝线圈都为多边形或圆形。
再进一步，所述平面螺旋线圈中，每匝线圈都为与所在面对应的多边形。
进一步的，所述三维立体结构为空心结构，便于电磁发射部分与导线之间的连接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果，本发明所述的一种新型无线电能传输有限三维全向发射线圈装置，克服了现有技术采用的传统线圈结构具有方向敏感性的局限，而是采用三维立体结构，并在三维立体结构中选择有限的面完成全向发射，这种有限三维立体结构发射线圈不仅能满足单源多负载供电系统的需要，满足接收装置高自由度移动的需求，还能保证在任意角度下能量传输的稳定性，减小系统体积，这种全向三维传输线圈装置适合于对任意空间位置的运动设备供电。
附图说明
图1是一种新型无线电能传输全向三维半正十二面体发射线圈装置示意图；
图2是一种新型无线电能传输全向三维半球体发射线圈装置示意图；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明所述的一种新型无线电能传输有限三维全向发射线圈装置，选择三维立体结构作为发射线圈的承载机构，所述三维立体结构具有对称性与稳定性，有利于实现多方向的稳定电能传输。
三维立体结构可以为多面体，每个面都为相应的一个多边形，选择若干个面，分别在每个面放置平面螺旋线圈，设置单匝的多边形激励线圈位于平面中心或外围，与外围或中心多匝的发射线圈共同构成电磁发射部分，其每匝都为多边形或圆形，且每匝线圈的几何中心均位于同一点，同一面内所有匝线圈均位于同一面内。
三维立体结构可以为正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体及正二十面体等正多面体，也可为一种或多种多边形组成的三维结构体，甚至为球体。
三维立体结构中被选择的若干个面可以全向辐射覆盖周围空间，而没有用于放置平面螺旋线圈的各面可以去除，形成更优化的三维立体结构。
各面单匝激励线圈并连或串联接于设置在底座的高频电源。
三维立体结构设定为空心结构，便于发射装置与导线之间的连接。
各面的螺旋平板线圈形状可以为相应多面体对应的多边形，也可为平板螺旋圆形线圈。
在各面有效面积一定，各面平板线圈结构、大小及谐振频率一定的情况下，多面体面数越多，发射线圈的传输方向自由度越高，发出的磁场分布越均匀。
下面分别以图1与图2作为具体应用的实例：
实施例1
如图1所示，本实施案例提供一种新型无线电能传输全向三维半正十二面体发射线圈装置，所述正十二面体包括12个正五边形构成，每个面都为相应的一个正五边形。
选择正十二面体上面的六个面，分别在这六个面的每个面放置平面螺旋线圈，设置单匝的正五边形激励线圈位于中心，与外围多匝的发射线圈共同构成电磁发射部分，其每匝都为正五边形，且每匝线圈的几何中心均位于同一点，同一面内所有匝线圈均位于同一面内。
该正十二面体下面的六个面去除，形成底座，底面放置在地面上，不影响电能的全向发射。
该正十二面体设定为空心结构，便于发射装置与其它导线之间的连接。
实施例2
如图2所示，本实施案例提供一种新型无线电能传输全向三维半球体发射线圈装置。球体的三维立体结构可为正多面体，各面的多边形边数均是一样的，边数越多越接近球；亦可为由多种多边形组成的三维球体，此实施案例采用由正六边形与正五边形组成的类足球几何半球体。
选择球体上半部分的各个面，分别在每个面放置平面螺旋线圈，在正六边形面内，设置单匝的正六边形激励线圈位于中心，与外围多匝的发射线圈共同构成电磁发射部分，其每匝都为正六边形；在正五边形面内，设置单匝的正五边形激励线圈位于中心，与外围多匝的发射线圈共同构成电磁发射部分，其每匝都为正五边形，每匝线圈的几何中心均位于同一点，同一面内所有匝线圈均位于同一面内。
该球体下面的面去除，形成底座，底面放置在地面上，成为半球体结构，不影响电能的全向发射。
该三维球体设定为空心结构，便于发射装置与其它导线之间的连接。
需要说明的是，在实施例1和实施例2中，都是单匝激励线圈位于平面中心，多匝发射线圈位于单匝激励线圈的外围；也可以采用多匝发射线圈位于平面中心，单匝激励线圈位于多匝发射线圈的外围，同样每匝线圈的几何中心均位于同一点。
另外，在实施例1和实施例2中，每匝线圈都为与其所在面对应的多边形；也可以采用每匝线圈都为圆形或其他多边形的技术方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种新型无线电能传输有限三维发射线圈装置，其特征在于：以三维立体结构作为发射线圈的承载机构；所述三维立体结构为多面体，所述多面体中选择若干个面用于放置平面螺旋线圈；所述平面螺旋线圈包括共同构成电磁发射部分的单匝激励线圈和多匝发射线圈；所述单匝激励线圈并连或串联接于高频电源；
所述选择的若干个面能够全向辐射覆盖周围空间；
所述三维立体结构保留用于放置平面螺旋线圈的面，去除不用于放置平面螺旋线圈的面；
所述三维立体结构为由多边形组成的三维球体，所述三维球体上半部分的面用于放置平面螺旋线圈，下半部分去除，形成半球体三维结构；发出磁场分布均匀；
各面有效面积一定，各面平面螺旋线圈结构、大小及谐振频率一定；
所述平面螺旋线圈中，单匝激励线圈位于平面中心，多匝发射线圈位于单匝激励线圈的外围，每匝线圈的几何中心均位于同一点；
或：所述平面螺旋线圈中，多匝发射线圈位于平面中心，单匝激励线圈位于多匝发射线圈的外围，每匝线圈的几何中心均位于同一点；
所述平面螺旋线圈中，每匝线圈都为多边形或圆形；
所述平面螺旋线圈中，每匝线圈都为与所在面对应的多边形。
2.如权利要求1所述的一种新型无线电能传输有限三维发射线圈装置，其特征在于：所述三维立体结构为正多面体，所述正多面体上半部分的面用于放置平面螺旋线圈，下半部分去除。
3.如权利要求1所述的一种新型无线电能传输有限三维发射线圈装置，其特征在于：所述三维立体结构为空心结构，便于电磁发射部分与导线之间的连接。
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