CN109067012B - 一种评估影响无线电能传输效率因素的装置及方法 - Google Patents

一种评估影响无线电能传输效率因素的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种评估影响无线电能传输效率因素的装置及方法，动力装置及支撑轴均设置于总控台内，支撑轴的下端与动力装置相连接，支撑轴的上端穿出总控台，伸缩轴的下端沿支撑轴的上端插入于支撑轴内，操作杆的一端连接于伸缩轴上，第一放置盘位于总控台上，发射线圈位于第一放置盘内，第二放置盘固定于操作杆的另一端上，接收线圈位于第二放置盘内，第二放置盘位于第一放置盘的正上方，工频电源与发射线圈相连接，万用表与接收线圈相连接，计算机与万用表的输出端、动力装置的控制端及伸缩轴的控制端相连接，该装置及方法能够评估多个影响因素对无线电能传输效率的影响，并且试验效率高，测试精度较高。

Description

一种评估影响无线电能传输效率因素的装置及方法
技术领域
本发明属于无线性能传输性能检测领域，涉及一种评估影响无线电能传输效率因素的装置及方法。
背景技术
近年来，无线电能传输技术得到了人们原来越多的关注，其中基于互感技术的无线电能传输技术尤其得到重视。在无线电能技术高速发展的同时，也出现了一系列的问题，其中较为基础的是探究无线电能传输效率的影响因素及其影响程度的问题。目前，世界范围内缺乏针对研究无线电能传输效率的影响因素系统的试验装置及评价方法，故本发明提出一种评估影响无线电能传输效率因素的装置及方法，用以系统地评价不同影响因素对无线电能传输的影响程度。
基于互感技术的无线电能传输技术又分为电磁感应式和磁场共振式电磁感应式无线充电技术是基于电磁感应原理，利用一次、二次分离的变压器，在较近的距离条件下进行无线电能传输的技术；电磁共振式无线充电技术的基本思想是拥有相同自谐振频率的两个线圈可以通过电磁场高效传能，而频率不同的物体却基本不受磁场的影响，它是一种近场非辐射电能传输技术。然而影响二者电能传输效率的因素却大致相同即线圈间距、线圈形状、线圈匝数、线圈角度等。目前，国内外均缺乏针对研究无线电能传输效率的影响因素系统的试验装置及评价方法，已有实验装置较为简单，试验结果误差较大且缺乏一套评价体系。
目前，世界范围内缺乏针对研究无线电能传输效率的影响因素系统的试验装置及评价方法，现有装置较为简单且分析因素单一。现有技术主要缺点如下所示：
1)现有试验装置较为简单，一般采用刻度尺作为线圈间距判断尺度，采用量角器作为角度判断标准，不仅缺乏精度，更因为人为读数容易出现误差，故存在较大不足，须改进。
2)现有试验装置进行试验效率太低，通常一次试验仅能得到一个试验数据，且手动控制试验进行，不仅繁琐而且耗时耗力，故需要采用机械化改进，弥补不足。
3)现有试验装置分析影响因素单一，一种试验装置仅针对一个影响因素进行试验，分析多个因素则需多套装置进行多次试验，繁琐且耗时耗力，故需改进。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种评估影响无线电能传输效率因素的装置及方法，该装置及方法能够评估多个影响因素对无线电能传输效率的影响，并且试验效率高，测试精度较高。
为达到上述目的，本发明所述的种评估影响无线电能传输效率因素的装置包括动力装置、支撑轴、总控台、伸缩轴、操作杆、第一放置盘、发射线圈、第二放置盘、接收线圈、工频电源、万用表及计算机；
动力装置及支撑轴均设置于总控台内，支撑轴的下端与动力装置相连接，支撑轴的上端穿出总控台，伸缩轴的下端沿支撑轴的上端插入于支撑轴内，操作杆的一端连接于伸缩轴上，第一放置盘位于总控台上，发射线圈位于第一放置盘内，第二放置盘固定于操作杆的另一端上，接收线圈位于第二放置盘内，第二放置盘位于第一放置盘的正上方，工频电源与发射线圈相连接，万用表与接收线圈相连接，计算机与万用表的输出端、动力装置的控制端及伸缩轴的控制端相连接。
第一放置盘通过第一固定螺母固定于总控台上，第二放置盘通过第二固定螺母固定于操作杆上。
工频电源通过整流电路及高频逆变电路与发射线圈相连接。
接收线圈通过导线与万用表相连接。
第一放置盘上设置有第一凹槽，发射线圈位于所述第一凹槽内，第二放置盘上设置有第二凹槽，接收线圈位于所述第二凹槽内。
本发明所述的评估影响无线电能传输效率因素的方法包括以下步骤：
计算机控制伸缩轴进行伸缩，以调节接收线圈与发射线圈之间的间距，计算机控制动力装置工作，动力装置带动支撑轴及伸缩轴进行转动，以调节接收线圈与发射线圈之间的空间角度，同时调节发射线圈与接收线圈的形状、匝数及线径，然后计算机控制工频电源发出交流电并作用于发射线圈上，接收线圈与发射线圈相耦合，通过万用表检测接收线圈上的电流参数，得不同接收线圈与发射线圈之间间距、接收线圈与发射线圈之间的空间角度、发射线圈及接收线圈的形状、匝数及线径下的无线电能传输效率。
还包括获取距离影响因子k1、角度影响因子k2、线圈形状影响因子γ、第一线圈线径影响因子ε、第二线圈线径影响因子δ及无线电能传输效率因子β；
具体的，获取距离影响因子k1的具体操作为：
计算机计算无线电能传输效率随接收线圈与发射线圈之间距离的变化曲线，则距离影响因子k1为：
Figure BDA0001775377940000041
其中，p2为当前接收线圈与发射线圈之间间距对应的无线电能传输效率值，p1为接收线圈与发射线圈之间间距为O时对应的无线电能传输效率值，a2为当前接收线圈与发射线圈之间间距，a1＝0；
获取角度影响因子k2的具体操作为：
计算机计算无线电能传输效率随接收线圈与发射线圈之间空间角度的变化曲线，则角度影响因子k2为：
Figure BDA0001775377940000042
其中，p4为当前接收线圈与发射线圈之间空间角度对应的无线电能传输效率值，p3为接收线圈与发射线圈平行时的无线电能传输效率值，θ2为当前接收线圈与发射线圈之间的空间角度，θ1为0°；
获取线圈形状影响因子γ的具体操作为：
计算机计算不同接收线圈与发射线圈之间间距下接收线圈的接收效率随线圈形状的变化曲线，则线圈形状影响因子γ为：
Figure BDA0001775377940000051
其中，A1为采用圆形线圈时该变化曲线与坐标轴所围的面积值，A2为采用其他形状线圈时该变化曲线与坐标轴所围面积值；
获取第一线圈线径影响因子ε的具体操作为：
计算机计算不同接收线圈与发射线圈之间间距下接收线圈的接收效率随线圈匝数的变化曲线，则第一线圈线径影响因子ε为：
Figure BDA0001775377940000052
其中，A4为50匝圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值，A3为n匝圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值；
获取第二线圈线径影响因子δ的具体操作为：
计算机计算不同接收线圈与发射线圈之间间距下接收线圈的接收效率随线圈线径的变化曲线，则第二线圈线径影响因子δ为：
Figure BDA0001775377940000053
其中，A6为线径1mm的圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值，A5为线径为m毫米圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值；
获取无线电能传输效率因子β的具体操作为：
计算机计算不同线圈匝数、不同线径及不同形状下，接收线圈的接收效率随线圈随接收线圈与发射线圈之间间距的变化曲线，则无线电能传输效率因子β为：
β＝A，εγδ
其中，A7为该变化曲线与坐标轴所围区域的面积值，ε为线圈匝数影响因子，γ为线圈形状影响因子，δ为线圈线径影响因子。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的评估影响无线电能传输效率因素的装置及方法在具体操作时，计算机控制伸缩轴伸缩，以调节接收线圈与发射线圈之间的间距，计算机控制动力装置工作，动力装置带动支撑轴及伸缩轴转动，以调节接收线圈与发射线圈之间的空间角度，同时可以调节发射线圈及接收线圈的形状、匝数及线径，利用接收线圈与发射线圈相耦合，通过万用表测量接收线圈上的电流参数，以得到不同接收线圈与发射线圈之间间距、接收线圈与发射线圈之间的空间角度、接收线圈及接收线圈的形状、匝数及线径下的无线电能传输效率，实现多因素条件下无线电能传输效率的检测，操作简单方便，并且整个检测过程中，均通过计算机进行控制，并通过万用表进行电流参数的检测，因此检测的精准度及试验效率较高。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明中第一放置盘4的结构示意图；
图4为本发明中第二放置盘8的结构示意图。
其中，1为总控台、2为动力装置、3为支撑轴、4为第一放置盘、5为第一固定螺母、6为发射线圈、7为伸缩轴、8为第二放置盘、9为接收线圈、10为第二固定螺母、11为操作杆、12为计算机、13为导线、14为电路板、15为万用表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1至图4所示，本发明所述的评估影响无线电能传输效率因素的装置包括动力装置2、支撑轴3、总控台1、伸缩轴7、操作杆11、第一放置盘4、发射线圈6、第二放置盘8、接收线圈9、工频电源、万用表15及计算机12；动力装置2及支撑轴3均设置于总控台1内，支撑轴3的下端与动力装置2相连接，支撑轴3的上端穿出总控台1，伸缩轴7的下端沿支撑轴3的上端插入于支撑轴3内，操作杆11的一端连接于伸缩轴7上，第一放置盘4位于总控台1上，发射线圈6位于第一放置盘4内，第二放置盘8固定于操作杆11的另一端上，接收线圈9位于第二放置盘8内，第二放置盘8位于第一放置盘4的正上方，工频电源与发射线圈6相连接，万用表15与接收线圈9相连接，计算机12与万用表15的输出端、动力装置2的控制端及伸缩轴7的控制端相连接。
第一放置盘4通过第一固定螺母5固定于总控台1上，第二放置盘8通过第二固定螺母10固定于操作杆11上；工频电源通过整流电路及高频逆变电路与发射线圈6相连接；接收线圈9通过导线13与万用表15相连接；第一放置盘4上设置有第一凹槽，发射线圈6位于所述第一凹槽内，第二放置盘8上设置有第二凹槽，接收线圈9位于所述第二凹槽内。
本发明所述的评估影响无线电能传输效率因素的方法包括以下步骤：
计算机12控制伸缩轴7进行伸缩，以调节接收线圈9与发射线圈6之间的间距，计算机12控制动力装置2工作，动力装置2带动支撑轴3及伸缩轴7进行转动，以调节接收线圈9与发射线圈6之间的空间角度，同时调节发射线圈6与接收线圈9的形状、匝数及线径，然后计算机12控制工频电源发出交流电并作用于发射线圈6上，接收线圈9与发射线圈6相耦合，通过万用表15检测接收线圈9上的电流参数，得不同接收线圈9与发射线圈6之间间距、接收线圈9与发射线圈6之间的空间角度、发射线圈6及接收线圈9的形状、匝数及线径下的无线电能传输效率。
本发明还包括获取距离影响因子k1、角度影响因子k2、线圈形状影响因子γ、第一线圈线径影响因子ε、第二线圈线径影响因子δ及无线电能传输效率因子β；
具体的，获取距离影响因子k1的具体操作为：
计算机12计算无线电能传输效率随接收线圈9与发射线圈6之间距离的变化曲线，则距离影响因子k1为：
Figure BDA0001775377940000091
其中，p2为当前接收线圈9与发射线圈6之间间距对应的无线电能传输效率值，p1为接收线圈9与发射线圈6之间间距为O时对应的无线电能传输效率值，a2为当前接收线圈9与发射线圈6之间间距，a1＝0；
获取角度影响因子k2的具体操作为：
计算机12计算无线电能传输效率随接收线圈9与发射线圈6之间空间角度的变化曲线，则角度影响因子k2为：
Figure BDA0001775377940000092
其中，p4为当前接收线圈9与发射线圈6之间空间角度对应的无线电能传输效率值，p3为接收线圈9与发射线圈6平行时的无线电能传输效率值，θ2为当前接收线圈9与发射线圈6之间的空间角度，θ1为0°；
获取线圈形状影响因子γ的具体操作为：
计算机12计算不同接收线圈9与发射线圈6之间间距下接收线圈9的接收效率随线圈形状的变化曲线，则线圈形状影响因子γ为：
Figure BDA0001775377940000093
其中，A1为采用圆形线圈时该变化曲线与坐标轴所围的面积值，A2为采用其他形状线圈时该变化曲线与坐标轴所围面积值；
获取第一线圈线径影响因子ε的具体操作为：
计算机12计算不同接收线圈9与发射线圈6之间间距下接收线圈9的接收效率随线圈匝数的变化曲线，则第一线圈线径影响因子ε为：
Figure BDA0001775377940000101
其中，A4为50匝圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值，A3为n匝圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值；
获取第二线圈线径影响因子δ的具体操作为：
计算机12计算不同接收线圈9与发射线圈6之间间距下接收线圈9的接收效率随线圈线径的变化曲线，则第二线圈线径影响因子δ为：
Figure BDA0001775377940000102
其中，A6为线径1mm的圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值，A5为线径为m毫米圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值；
获取无线电能传输效率因子β的具体操作为：
计算机12计算不同线圈匝数、不同线径及不同形状下，接收线圈9的接收效率随线圈随接收线圈9与发射线圈6之间间距的变化曲线，则无线电能传输效率因子β为：
β＝A7εγδ
其中，A7为该变化曲线与坐标轴所围区域的面积值，ε为线圈匝数影响因子，γ为线圈形状影响因子，δ为线圈线径影响因子。
整流电路及高频逆变电路集成于电路板14上，总控台1不仅起到保护部件、便于操作的作用，同样起到承压作用，由其承担试验装置荷载，故尺寸稍大。

Claims (6)

1.一种评估影响无线电能传输效率因素的装置，其特征在于，包括动力装置(2)、支撑轴(3)、总控台(1)、伸缩轴(7)、操作杆(11)、第一放置盘(4)、发射线圈(6)、第二放置盘(8)、接收线圈(9)、工频电源、万用表(15)及计算机(12)；
动力装置(2)及支撑轴(3)均设置于总控台(1)内，支撑轴(3)的下端与动力装置(2)相连接，支撑轴(3)的上端穿出总控台(1)，伸缩轴(7)的下端沿支撑轴(3)的上端插入于支撑轴(3)内，操作杆(11)的一端连接于伸缩轴(7)上，第一放置盘(4)位于总控台(1)上，发射线圈(6)位于第一放置盘(4)内，第二放置盘(8)固定于操作杆(11)的另一端上，接收线圈(9)位于第二放置盘(8)内，第二放置盘(8)位于第一放置盘(4)的正上方，工频电源与发射线圈(6)相连接，万用表(15)与接收线圈(9)相连接，计算机(12)与万用表(15)的输出端、动力装置(2)的控制端及伸缩轴(7)的控制端相连接。
2.根据权利要求1所述的评估影响无线电能传输效率因素的装置，其特征在于，第一放置盘(4)通过第一固定螺母(5)固定于总控台(1)上，第二放置盘(8)通过第二固定螺母(10)固定于操作杆(11)上。
3.根据权利要求1所述的评估影响无线电能传输效率因素的装置，其特征在于，工频电源通过整流电路及高频逆变电路与发射线圈(6)相连接。
4.根据权利要求1所述的评估影响无线电能传输效率因素的装置，其特征在于，接收线圈(9)通过导线(13)与万用表(15)相连接。
5.根据权利要求1所述的评估影响无线电能传输效率因素的装置，其特征在于，第一放置盘(4)上设置有第一凹槽，发射线圈(6)位于所述第一凹槽内，第二放置盘(8)上设置有第二凹槽，接收线圈(9)位于所述第二凹槽内。
6.一种评估影响无线电能传输效率因素的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的评估影响无线电能传输效率因素的装置，包括以下步骤：
计算机(12)控制伸缩轴(7)进行伸缩，以调节接收线圈(9)与发射线圈(6)之间的间距，计算机(12)控制动力装置(2)工作，动力装置(2)带动支撑轴(3)及伸缩轴(7)进行转动，以调节接收线圈(9)与发射线圈(6)之间的空间角度，同时调节发射线圈(6)与接收线圈(9)的形状、匝数及线径，然后计算机(12)控制工频电源发出交流电并作用于发射线圈(6)上，接收线圈(9)与发射线圈(6)相耦合，通过万用表(15)检测接收线圈(9)上的电流参数，得接收线圈(9)与发射线圈(6)之间不同间距、接收线圈(9)与发射线圈(6)之间的空间角度、发射线圈(6)及接收线圈(9)的形状、匝数及线径下的无线电能传输效率；
还包括获取距离影响因子k1、角度影响因子k2、线圈形状影响因子γ、第一线圈线径影响因子ε、第二线圈线径影响因子δ及无线电能传输效率因子β；
具体的，获取距离影响因子k1的具体操作为：
计算机(12)计算无线电能传输效率随接收线圈(9)与发射线圈(6)之间距离的变化曲线，则距离影响因子k1为：
Figure FDA0003590115450000031
其中，p2为当前接收线圈(9)与发射线圈(6)之间间距对应的无线电能传输效率值，p1为接收线圈(9)与发射线圈(6)之间间距为0时对应的无线电能传输效率值，a2为当前接收线圈(9)与发射线圈(6)之间间距，a1＝0；
获取角度影响因子k2的具体操作为：
计算机(12)计算无线电能传输效率随接收线圈(9)与发射线圈(6)之间空间角度的变化曲线，则角度影响因子k2为：
Figure FDA0003590115450000032
其中，p4为当前接收线圈(9)与发射线圈(6)之间空间角度对应的无线电能传输效率值，p3为接收线圈(9)与发射线圈(6)平行时的无线电能传输效率值，θ2为当前接收线圈(9)与发射线圈(6)之间的空间角度，θ1为0°；
获取线圈形状影响因子γ的具体操作为：
计算机(12)计算接收线圈(9)与发射线圈(6)之间不同间距下接收线圈(9)的接收效率随线圈形状的变化曲线，则线圈形状影响因子γ为：
Figure FDA0003590115450000033
其中，A1为采用圆形线圈时该变化曲线与坐标轴所围的面积值，A2为采用其他形状线圈时该变化曲线与坐标轴所围面积值；
获取第一线圈线径影响因子ε的具体操作为：
计算机(12)计算接收线圈(9)与发射线圈(6)之间不同间距下接收线圈(9)的接收效率随线圈匝数的变化曲线，则第一线圈线径影响因子ε为：
Figure FDA0003590115450000041
其中，A4为50匝圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值，A3为n匝圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值；
获取第二线圈线径影响因子δ的具体操作为：
计算机(12)计算接收线圈(9)与发射线圈(6)之间不同间距下接收线圈(9)的接收效率随线圈线径的变化曲线，则第二线圈线径影响因子δ为：
Figure FDA0003590115450000042
其中，A6为线径1mm的圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值，A5为线径为m毫米圆形线圈对应变化曲线与坐标轴所围区域的面积值；
获取无线电能传输效率因子β的具体操作为：
计算机(12)计算不同线圈匝数、不同线径及不同形状下，接收线圈(9)的接收效率随接收线圈(9)与发射线圈(6)之间间距的变化曲线，则无线电能传输效率因子β为：
β＝A7εγδ；
其中，A7为该变化曲线与坐标轴所围区域的面积值，ε为线圈匝数影响因子，γ为线圈形状影响因子，δ为线圈线径影响因子。
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