CN110855025B - 无线能量传输的发射线圈定位对准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线能量传输领域，具体为一种无线能量传输的发射线圈定位对准装置，包括线圈支架、基座和控制器构成；所述线圈支架的一面固定安装有发射线圈，另一面与基座的一面之间连接有伸缩杆和控制器，基座的另一面连接有全向移动平台；所述控制器由通讯模块、程序处理器和伸缩装置驱动器构成，通讯模块与程序处理器相连，所述程序处理器与伸缩装置驱动器和电机驱动器相连；该装置可引导发射线圈准确的与任意一个选定的接收线圈进行定位对准，同时具有发射线圈姿态调整装置，保证发射线圈与该接收线圈的姿态契合精度，提高两线圈之间的耦合系数，解决了电动汽车无线充电的关键问题。

Description

无线能量传输的发射线圈定位对准装置

技术领域

本发明涉及无线能量传输领域，尤其适合应用于电动汽车、机器人等不适合接触式电能传输的一种无线能量传输的发射线圈定位对准装置。

背景技术

电动汽车应用已在我国广泛进行，电动汽车充电是电动汽车应用的基础，是电动汽车发展的支撑技术。目前主流的电动汽车充电是通过有线的方式、即通过接插头有接触的方式进行的。但由于接触电阻的存在，电能量在传输过程中难免出现一些问题，尤其在一些特殊场合，接触式电能量传输可能会出现传输不良、过热燃烧等问题。因此，在许多环境场合(如粉尘、潮湿环境下)有线充电方式受到了限制。随着无线电能量传输技术研究深入，电动汽车无线充电技术的研究也日益受到关注。由于具有传递功率大，结构简单等优点，感应耦合无线能量传输是电动汽车无线充电技术的主要方式。感应耦合无线电能量传输是基于电磁感应耦合原理：电能经变换器将直流电转变换成高频交流电驱动初级线圈，高频交流电在初级线圈产生交变磁场能量，通过电磁耦合，磁场能量被耦合到次级线圈；在次级线圈中，磁场能量被变换为高频交流电并送往负载。显然，如果初级线圈与次级线圈没有对准，或初次级线圈相互姿态不正确(如不平行)，两线圈之间的耦合能力就会受到很大的影响，导致传输效率大幅下降。因此，如提高发射线圈与接收线圈之间的对准精度和姿态契合精度是电动汽车无线充电的一个重要研究课题。

线圈之间的对准精度主要解决如何将发射线圈精确的移动到接收线圈处，并与之重合。线圈之间的姿态契合精度主要如何调节线圈的姿态(发射线圈与接收线圈的相对角度，使之相互平行)。

采用X轴、Y轴移动发射线圈可进行发射、接收线圈之间的对准精度调节。专利“感应式非接触充电定位对准装置及其定位方法”(103342101B)和“一种电动汽车用高效率无线充电装置及方法”(CN109159681A)都给出了利用X轴、Y轴丝杆带动发射线圈进行对准精度调节，但X轴、Y轴丝杆是一个相对复杂的结构，同时需要地面有一个安装的面积，需要进行地面施工，难以应用在实际场合。

发明内容

本发明提出了一种用于无线能量传输的发射线圈定位对准装置，该定位对准装置自身具有自治全向行走系统，该自治全向行走系统可引导发射线圈准确的与任意一个选定的接收线圈进行定位对准，与传统的发射线圈定位对准装置不同的是本定位对准装置无需进行地面施工就可正常工作；该定位对准装置同时具有发射线圈姿态调整装置，该发射线圈姿态调整装置可精确调节发射线圈与任意一个选定的接收线圈之间的相对关系，保证发射线圈与该接收线圈的姿态契合精度，提高两线圈之间的耦合系数，解决了电动汽车无线充电的关键问题。

无线能量传输的发射线圈定位对准装置，包括线圈支架(2)、基座(4)和控制器(6)构成；所述线圈支架(2)的一面固定安装有发射线圈(1)，用于向次级线圈发送交变电磁场，另一面与基座(4)的一面之间连接有伸缩杆(3)和控制器(6)，基座(4)的另一面连接有全向移动平台(5)；所述伸缩杆(3)依次设有万向连接器(31)、支杆(32)以及伸缩装置(33)，所述万向连接器(31)连接线圈支架(2)，所述伸缩装置(33)连接基座(4)、伸缩装置(3)改变伸缩杆的长度、调节线圈支架(2)；所述控制器(6)由通讯模块(61)、程序处理器(62)和伸缩装置驱动器(63)构成，通讯模块(61)与程序处理器(62)相连，所述程序处理器(62)与伸缩装置驱动器(63)和电机驱动器(64)相连；所述通讯模块(61)设有输入口A、并与外接控制系统相接，所述伸缩装置驱动器(63)设有连接口B、连接口B与电机(337)连接，所述电机驱动器(64)设有连接口C、连接口C与各全向电机(52)连接。

进一步的，所述全向移动平台(5)由全向轮(51)、全向电机(52)、安装支架(53)构成，全向轮(51)通过联轴器与全向电机(52)相连形成组合，全向电机(52)设置安装支架(53)上、全向电机(52)带动全向轮(51)可任意方向控制行走移动和旋转；所述全向轮(51)至少3个以上，优选四个、对角设置。

进一步的，所述万向连接器(31)为柔性连接。

进一步的，所述调节线圈支架(2)的伸缩杆(3)不少于2个，线圈支架(2)为非铁磁性材料。

进一步的，所述伸缩装置(3)由双向蜗杆(331)、左旋涡轮(332)、左连杆(333)、右连杆(334)、右旋涡轮(335)、联轴器(336)、电机(337)构成；双向蜗杆(331)由左旋蜗杆A、右旋蜗杆B构成，双向蜗杆(331)通过联轴器(336)与驱动电机(337)连接；左旋涡轮(332)与左旋蜗杆A配合，通过连接销M2与左连杆(333)连接；右旋涡轮(335)与右旋蜗杆B配合，通过连接销M3与右连杆(334)相连；左连杆(333)和右连杆(334)通过连接销M1与支杆(32)相连接。

进一步的，所述控制器(6)与外接控制系统(66)连接采用有线或无线，所述外接控制系统(66)为控制系统通过控制指令控制器(6)动作以下步骤：

1)改变伸缩杆长度H，进而通过伸缩杆长度的变化改变发射线圈的姿态；

2)控制全向移动平台的全向轮电机传动，进而带动发射线圈移动定位对准装置。

进一步的，所述伸缩杆长度H为基本高度H₀、可变高度H₁、支杆高度H₂之和：

H＝H₀+H₁+H₂ 公式(1)

通过改变H₁可改变伸缩杆长度H，伸缩杆长度H可被转换成驱动电机转动的圈数n表达，其转变为：

通过连接销M₁、M₂、M₃之间的距离M₁M₃、M₂M₃，计算H₁：

T₀为丝杆螺距长度，根据T₀将

距离转换成电机旋转的圈数n：

综合公式(1)、(2)和(3)，伸缩杆长度H与驱动电机转动的圈数n的关系可表达为：

进一步的，当全向轮电机组合个数为4个时，全向移动平台的运动速度ν分解为四个全向轮移动的速度ν₁、ν₂、ν₃、ν₄，分解如下：

1)建立坐标系：xoy坐标系原点o放置在全向移动平台中点，x轴为水平方向、y轴为垂直方向；全向轮w₁与w₄对角放置(中心连线经过坐标原点o)、全向轮w₂与w₃对角放置(中心连线经过坐标原点o)；

万向轮w₁、w₂、w₃、w₄中心与坐标原点o的距离为L，万向轮w₁、w₂、w₃、w₄中心与坐标原点o连线与x轴之间的夹角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄满足关系

θ₁＝θ、

θ₃＝θ+π、

2)速度分解：全向移动平台移动速度矢量ν位于坐标系原点，全向移动平台绕中心转动的角速度为ω，矢量ν与x轴夹角α；速度矢量ν被分解为x轴方向矢量ν_x和y轴方向矢量ν_y，有关系

结合公式(5)、公式(6)全向轮的速度为

其中A为转换矩阵

进一步的，所述控制器(6)与外接控制系统有线方式连接采用协议是RS232、RS485、CAN总线协议中的一种，无线方式连接采用协议是为WiFi、ZigBee、蓝牙总线协议中的一种。

进一步的，所述装置中的驱动的电机为步进电机或伺服电机。

本发明技术方案的有益效果是：

1、以双向蜗杆结合左、右旋涡轮构成的伸缩装置为基础，构造出长度可调的伸缩杆；通过伸缩杆与线圈支架结合控制发射线圈的姿态，可精确调节发射线圈与任意选定的接收线圈之间的相对关系，保证发射线圈与该线圈的姿态契合精度。

2、以全向轮和电机结合构成全向轮电机组合为基础，构造出全向移动平台，全向移动平台可自治全方位行走；全向移动平台带动发射线圈自治第全向行走移动，可精确将发射线圈与任意选定的接收线圈进行位置对准，保证发射线圈与该线圈的位置对准精度。

附图说明

图1为本发明无线能量传输的发射线圈定位对准装置的结构剖视图。

图2为本发明无线能量传输的发射线圈定位对准装置的伸缩杆结构示意图。

图3为本发明无线能量传输的发射线圈定位对准装置的全向移动平台中、全向轮电机组合与安装支架的关系示意图。

图4为本发明无线能量传输的发射线圈定位对准装置的全向移动平台坐标系示意图。

图5为本发明无线能量传输的发射线圈定位对准装置的控制器原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1～5，无线能量传输的发射线圈定位对准装置，包括线圈支架(2)、基座(4)和控制器(6)构成；所述线圈支架(2)的一面固定安装有发射线圈(1)，用于向次级线圈发送交变电磁场，实现无线能量传输，使用时发射线圈(1)与整流器(未图示)电性连接；另一面与基座(4)的一面之间连接有伸缩杆(3)和控制器(6)，基座(4)的另一面连接有全向移动平台(5)；所述伸缩杆(3)依次设有万向连接器(31)、支杆(32)以及伸缩装置(33)，所述万向连接器(31)为柔性连接、并与线圈支架(2)连接，所述线圈支架(2)为非铁磁性材料制作；所述伸缩装置(33)连接基座(4)，伸缩装置(3)可改变伸缩杆的长度；在伸缩杆(3)的带动下，线圈支架(2)可被调节，用于调节线圈支架的伸缩杆(3)不少于2个，优选3个；所述控制器(6)由通讯模块(61)、程序处理器(62)和伸缩装置驱动器(63)构成，通讯模块(61)与程序处理器(62)相连、相互传递数据和指令，所述通讯模块(61)设有输入口A、连接接受外接控制系统(66)送来的指令和将本地实时数据上传至外接控制系统(66)；

所述程序处理器(62)与伸缩装置驱动器(63)和电机驱动器(64)相连、相互传递数据和指令，所述伸缩装置驱动器(63)设有连接口B、连接口B与电机(337)连接、向其输出驱动电源和接收伸缩装置送来的数据，所述电机驱动器(64)设有连接口C、连接口C与各全向电机(52)连接，向其输出驱动电源和接全向移动平台送来的数据；所述控制器外接有线连接方式协议是RS232、RS485、CAN总线协议中的一种，控制器外接无线连接方式协议为WiFi、ZigBee、蓝牙总线协议中的一种。所述装置中的驱动电机为步进电机或伺服电机。

所述全向移动平台(5)由全向轮(51)、全向电机(52)、安装支架(53)构成。全向轮(51)通过联轴器(未图示)与全向电机(52)相连形成组合，全向电机(52)设置安装支架(53)上、全向电机(52)带动全向轮(51)可任意方向控制行走移动和旋转；所述全向轮(51)至少3个以上，优选四个、对角设置。

所述控制器(6)与外接控制系统(66)的连接方式可以是有线或无线，接受控制指令、输出实时数据，将接收到的控制指令送往程序处理器，同时接受实时数据。程序处理器根据接收到的控制指令进行解析、产生控制信号，这些控制信号分别送往伸缩装置电机驱动器和全向移动平台电机驱动器，同时接受由这两个驱动器送回的实时数据。外接控制系统(66)可以是任何一种无线能量传输装置的控制系统，通过指令控制控制器(6)完成以下动作：

1)改变伸缩杆长度H，进而通过不少于2个的伸缩杆长度的变化改变线圈支架(发射线圈)的姿态；

2)控制全向移动平台自治全向行走移动，进而带动本无线能量传输的发射线圈定位对准装置移动，通过不少于3个、优选4个的全向轮电机组合，全向轮移动平台可向任意方向自治行走移动。

如图2所示，所述伸缩装置(3)由双向蜗杆(331)、左旋涡轮(332)、左连杆(333)、右连杆(334)、右旋涡轮(335)、联轴器(336)、电机(337)构成；双向蜗杆(331)由左旋蜗杆A、右旋蜗杆B构成，双向蜗杆(331)通过联轴器(336)与驱动电机(337)连接；左旋涡轮(332)与左旋蜗杆A配合，通过连接销M2与左连杆(333)连接。右旋涡轮(335)与右旋蜗杆B配合，通过连接销M3与右连杆(334)相连。左连杆(333)和右连杆(334)通过连接销M1与支杆(32)相连接。实际使用时，驱动电机带动双向蜗杆转动，双向蜗杆带动左右涡轮相向(或相背)移动，以此方式调节H1的长度，进而调节伸缩杆长度H。

伸缩杆长度H为基本高度H₀、可变高度H₁、支杆高度H₂之和：

H＝H₀+H₁+H₂

通过改变H₁可改变伸缩杆长度H，伸缩杆长度H可被转换成驱动电机转动的圈数n表达，其转变方法为：

在电机的驱动下，连接销M₂、M₃之间的距离M₂M₃发生变化，结合连接销M₁、M₃之间的距离，H₁的长度可表达为：

由图2中可知，T₀为丝杆螺距长度，根据T₀可将

距离转换成电机旋转的圈数n：

经过上面几个环节的推导，伸缩杆长度H与驱动电机转动的圈数n的关系可表达为：

如图3和图4所示，全向轮电机组合个数为4个时，全向轮、电机、安装支架之间的安装关系示意图。全向轮w₁与w₄对角放置(中心连线经过安装支架中心o)、全向轮w₂与w₃对角放置(中心连线经过坐标原点o)全向轮与全向移动平台的运动速度ν可以分解为四个全向轮移动的速度ν₁、ν₂、ν₃、ν₄，分解的方法如下：

1)建立坐标系：xoy坐标系原点o放置在全向移动平台中点(安装支架中心o)，x轴为水平方向、y轴为垂直方向。万向轮w₁、w₂、w₃、w₄中心与坐标原点o的距离为L，万向轮w₁、w₂、w₃、w₄中心与坐标原点o连线与x轴之间的夹角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄满足关系

θ₁＝θ、

θ₃＝θ+π、

2)速度分解：全向移动平台移动速度矢量ν位于坐标系原点，全向移动平台绕中心转动的角速度为ω，矢量ν与x轴夹角α；速度矢量ν被分解为x轴方向矢量ν_x和y轴方向矢量ν_y，有关系

结合上述关系，全向轮的速度为

其中A为转换矩阵

本发明技术方案的有益效果是：1、以双向蜗杆结合左、右旋涡轮构成的伸缩装置为基础，构造出长度可调的伸缩杆；通过伸缩杆与线圈支架结合控制发射线圈的姿态，可精确调节发射线圈与任意选定的接收线圈之间的相对关系，保证发射线圈与该线圈的姿态契合精度。2、以全向轮和电机结合构成全向轮电机组合为基础，构造出全向移动平台，全向移动平台可自治全方位行走；全向移动平台带动发射线圈自治第全向行走移动，可精确将发射线圈与任意选定的接收线圈进行位置对准，保证发射线圈与该线圈的位置对准精度。

Claims (8)

1.无线能量传输的发射线圈定位对准装置，包括线圈支架(2)、基座(4)和控制器(6)构成；其特征在于：所述线圈支架(2)的一面固定安装有发射线圈(1)，另一面与基座(4)的一面之间连接有伸缩杆(3)和控制器(6)，基座(4)的另一面连接有全向移动平台(5)；所述伸缩杆(3)依次设有万向连接器(31)、支杆(32)以及伸缩装置(33)，所述万向连接器(31)连接线圈支架(2)，所述伸缩装置(33)连接基座(4)，伸缩装置(3)改变伸缩杆的长度、调节线圈支架(2)；所述控制器(6)由通讯模块(61)、程序处理器(62)和伸缩装置驱动器(63)构成，通讯模块(61)与程序处理器(62)相连，所述程序处理器(62)与伸缩装置驱动器(63)和电机驱动器(64)相连；所述通讯模块(61)设有输入口A、并与外接控制系统相接(66)，所述伸缩装置驱动器(63)设有连接口B、连接口B与电机(337)连接，所述电机驱动器(64)设有连接口C、连接口C与各全向电机(52)连接；所述万向连接器(31)为柔性连接；所述伸缩装置(3)由双向蜗杆(331)、左旋涡轮(332)、左连杆(333)、右连杆(334)、右旋涡轮(335)、联轴器(336)、电机(337)构成；双向蜗杆(331)由左旋蜗杆A、右旋蜗杆B构成，双向蜗杆(331)通过联轴器(336)与驱动电机(337)连接；左旋涡轮(332)与左旋蜗杆A配合，通过连接销M2与左连杆(333)连接；右旋涡轮(335)与右旋蜗杆B配合，通过连接销M3与右连杆(334)相连；左连杆(333)和右连杆(334)通过连接销M1与支杆(32)相连接；所述全向移动平台(5)由全向轮(51)、全向电机(52)、安装支架(53)构成，全向轮(51)通过联轴器与全向电机(52)相连形成组合，全向电机(52)设置安装支架(53)上、全向电机(52)带动全向轮(51)移动。

2.根据权利要求1所述的无线能量传输的发射线圈定位对准装置，其特征在于：所述全向轮(51)至少3个以上。

3.根据权利要求1所述的无线能量传输的发射线圈定位对准装置，其特征在于：所述调节线圈支架(2)的伸缩杆(3)不少于2个，线圈支架(2)为非铁磁性材料。

4.根据权利要求1所述的无线能量传输的发射线圈定位对准装置，其特征在于：所述控制器(6)与外接控制系统(66)连接采用有线或无线，所述外接控制系统(66)为控制系统通过控制器(6)控制指令以下动作：

1)改变伸缩杆长度H，进而通过伸缩杆长度的变化改变发射线圈的姿态；

2)控制全向移动平台的全向轮电机传动，进而带动发射线圈移动定位对准装置。

5.根据权利要求4所述的无线能量传输的发射线圈定位对准装置，其特征在于：所述伸缩杆长度H为基本高度H₀、可变高度H₁、支杆高度H₂之和：

H＝H₀+H₁+H₂ (1)

通过改变H₁可改变伸缩杆长度H，伸缩杆长度H可被转换成驱动电机转动的圈数n表达，其转变为：

通过连接销M₁、M₂、M₃之间的距离M₁M₃、M₂M₃，计算H₁：

T₀为丝杆螺距长度，根据T₀将

距离转换成电机旋转的圈数n：

综合公式(1)、(2)和(3)，伸缩杆长度H与驱动电机转动的圈数n的关系可表达为：

6.根据权利要求2所述的无线能量传输的发射线圈定位对准装置，其特征在于：全向轮电机组合个数为4个，全向移动平台(5)的运动速度ν分解为四个全向轮移动的速度ν₁、ν₂、ν₃、ν₄，分解如下：

1)建立坐标系：xoy坐标系原点o放置在全向移动平台中点，x轴为水平方向、y轴为垂直方向；全向轮w₁与全向轮w₄对角放置、全向轮w₂与全向轮w₃对角放置；

全向轮w₁、w₂、w₃、w₄中心与坐标原点o的距离为L，全向轮w₁、w₂、w₃、w₄中心与坐标原点o连线与x轴之间的夹角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄满足关系

2)速度分解：全向移动平台移动速度矢量ν位于坐标系原点，全向移动平台绕中心转动的角速度为ω，矢量ν与x轴夹角α；速度矢量ν被分解为x轴方向矢量ν_x和y轴方向矢量ν_y，有关系

结合公式(5)和(6)全向轮的速度为

其中A为转换矩阵

7.根据权利要求4所述的无线能量传输的发射线圈定位对准装置，其特征在于：所述控制器(6)与外接控制系统(66)有线方式连接采用协议是RS232、RS485、CAN总线协议中的一种，无线方式连接采用协议是为WiFi、ZigBee、蓝牙总线协议中的一种。

8.根据权利要求1或4所述的无线能量传输的发射线圈定位对准装置，其特征在于：所述装置中的驱动的电机为步进电机或伺服电机。

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