CN112018903A - 三相圆柱形曲面线圈及基于此的全空间无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种三相圆柱形曲面线圈及基于此的全空间无线电能传输系统，三相圆柱形曲面线圈包括尺寸相同、匝数相同、均匀分布而围合成一圆柱筒状的A相线圈绕组、B相线圈绕组、C相线圈绕组，各相线圈绕组自身围合角度为180°，任意两相线圈绕组之间的机械角度为120°。优点在于：当给与不同线圈绕组不同相位的电流激励时，各个线圈绕组产生不同方向的磁场，通过控制激励电流，使得整个三相圆柱形曲面线圈可产生全方向匀强旋转磁场，拾取线圈放置于该匀强旋转磁场中任意位置均可拾取到相同的电压，从而使得拾取线圈在全空间方位发生变化时的输出电压波动为最小，同时采用体积较小且重量较轻的单维线圈作为接收线圈。

Description

三相圆柱形曲面线圈及基于此的全空间无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种三相圆柱形曲面线圈、一种三相圆柱形曲面线圈的激励方法、一种全空间无线电能耦合机构和一种基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统。

背景技术

近年来，磁耦合无线电能传输(MC-WPT)技术在便携式电子设备[1]、植入式医疗设备[2]、电动汽车[3]、水下机器人[4]等领域得到了广泛的应用。然而，针对分布在空间中各个方位的移动电子设备无线供电的需求，由一对环形线圈组成的传统的无线供电系统因无法克服接收端的角度旋转或位置偏移的问题，已经无法满足对于分布式、多点化、大范围的移动电子设备全空间无线供电的需求，影响了无线电能传输技术的进一步推广。

全空间无线电能传输技术由于具有位置鲁棒性强、供电稳定性好等独特优势受到国内外研究机构和科研院所的广泛关注。其中电磁耦合机构是实现系统全空间无线电能传输的关键部分，其设计与优化主要包括三个方面：1)发射机构采用分布式发射线圈产生全空间多维运动磁场，拾取机构则采用单维线圈接收空间中各个方位的磁能以实现全向无线电能传输；2)发射机构采用单维线圈产生单个方向的磁场，拾取机构则采用分布式拾取线圈将拾取到的电能集中输出以实现全空间无线电能传输；3)发射机构采用分布式发射线圈产生空间多维运动磁场，拾取机构采用分布式拾取线圈将拾取到的电能集中输出以实现全空间无线电能传输。

针对第一种耦合机构模式，文献[5-7]采用二维和三维两两正交的环形线圈作为发射机构，推导了全空间无线电能传输的系统数学模型。文献[8]采用三相圆柱形线圈作为发射机构，对系统的软开关条件以及输出功率的波动性进行了分析，但该文中系统的输出功率波动较大。文献[9]针对手机等电子设备全空间无线供电的需求，设计了一种由5个发射线圈组成的充电碗。针对第二种耦合机构模式，文献[10]提出了一种基于正四面的无线电能传输系统多自由度拾取机构，但该拾取机构占用的空间体积较大。文献[11]提出了一种由交叉偶极线圈和平面环形线圈组成的正交形拾取线圈，相较于传统的三维拾取机构大大减小了空间体积。针对第三种耦合机构模式，文献[12]的发射线圈以及拾取线圈均采用长条形交叉偶极线圈实现了六自由度全空间无线电能传输。文献[13]的发射机构由阵列式的扁平方块形交叉偶极线圈组成，拾取机构采用扁平的方块形交叉偶极线圈，该文构建了一个宽范围全空间的无线传能区域。采用交叉偶极线圈相对于传统的三维线圈优势在于减小了空间体积，但是由于磁芯的引入增加了耦合机构的重量。

可见得，目前缺乏一种耦合机构及应用该耦合机构的无线传输系统，可有效减小拾取线圈在全空间方位发生变化时的输出电压波动，同时拾取线圈的体积和重量均比较小。

参考文献：

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发明内容

本发明提供一种三相圆柱形曲面线圈及基于此的全空间无线电能传输系统，解决的技术问题在于：如何有效减小体积和重量均比较小的拾取线圈在全空间方位发生变化时的输出电压波动。

为解决以上技术问题，本发明提供一种三相圆柱形曲面线圈，包括尺寸相同、匝数相同、均匀分布而围合成一圆柱筒状的A相线圈绕组、B相线圈绕组、C相线圈绕组，各相线圈绕组自身围合角度为180°，任意两相线圈绕组之间的机械角度为120°。

这种三相圆柱形曲面线圈的优点在于：

当给与不同线圈绕组不同相位的电流激励时，各个线圈绕组能产生不同方向的磁场，通过控制激励电流，使得整个三相圆柱形曲面线圈可产生全方向匀强旋转磁场，拾取线圈放置于该匀强旋转磁场中任意位置均可拾取到相同的电压，从而使得拾取线圈在全空间方位发生变化时的输出电压波动为最小。

优选的，往往在实际应用时，所述三相圆柱形曲面线圈固定在一圆柱筒内侧壁，可保证线圈的形状不变，避免影响磁场。

本发明还提供一种三相圆柱形曲面线圈的激励方法，内容是采用幅值相同、相位差α∈(0,π)，的电流激励上述三相圆柱形曲面线圈。在这种电流激励下，各个线圈绕组能产生不同方向的磁场，供拾取线圈拾取。

优选的，α∈(0,π)，此时整个三相圆柱形曲面线圈可产生全方向匀强旋转磁场，拾取线圈放置于该匀强旋转磁场中任意位置均可拾取到相同的电压，从而使得拾取线圈在全空间方位发生变化时的输出电压波动为最小。

本发明还提供一种全空间无线电能耦合机构，包括上述三相圆柱形曲面线圈，还包括拾取线圈；所述拾取线圈任意角度安装于所述三相圆柱形曲面线圈的中空区域中。上述三相圆柱形曲面线圈的基础上，拾取线圈任意角度安装在三相圆柱形曲面线圈的中空区域(磁场)中，均可拾取到电压，特别通过控制三相圆柱形曲面线圈的激励电流，使得三相圆柱形曲面线圈产生匀强磁场时，拾取线圈在任意位置均可拾取到相同电压，保证了拾取线圈在全空间方位发生变化时的输出电压波动为最小。同时采用体积较小且重量较轻的单维线圈作为接收线圈就能满足电压拾取需求，又因拾取线圈安装于各负载设备上，可减轻设备的重量，减少成本，并且对于自重式移动电子设备(比如无人机)，还能减轻对应的耗能，延长使用时间。

本发明还提供一种基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统，包括发射电路和接收电路，所述发射电路包括顺序连接的直流电源、三相逆变器、原边谐振网络、三相发射线圈，所述接收电路包括顺序连接的接收线圈、副边谐振网络、整流滤波电路和负载；

所述三相发射线圈为上述全空间无线电能耦合机构中的三相圆柱形曲面线圈，所述接收线圈上述全空间无线电能耦合机构中的拾取线圈。

本系统在上述全空间无线电能耦合机构的基础上，设计对应的三相逆变器、原边谐振网络、副边谐振网络，通过三相逆变器改变输入三相发射线圈(三相圆柱形曲面线圈)的激励电流的相位差，在原边谐振网络、副边谐振网络的谐振作用下，该系统可以在接收线圈(拾取线圈)空间方位发生变化时的仍能维持稳定的输出特性。

优选的，所述原边谐振网络包括A相谐振网络、B相谐振网络、C相谐振网络；

所述A相谐振网络包括顺序连接在所述三相逆变器的A相输出端和所述A相线圈绕组的一端之间的A相滤波电感、A相串联补偿电容，还包括连接在所述A相滤波电感与所述A相串联补偿电容的共同连接端和所述A相线圈绕组的另一端之间的A相滤波电容，所述A相线圈绕组的另一端还连接所述直流电源；

所述B相谐振网络包括顺序连接在所述三相逆变器的B相输出端和所述B相线圈绕组的一端之间的B相滤波电感、B相串联补偿电容，还包括连接在所述B相滤波电感与所述B相串联补偿电容的共同连接端和所述B相线圈绕组的另一端之间的B相滤波电容，所述B相线圈绕组的另一端还连接所述A相线圈绕组的另一端；

所述C相谐振网络包括顺序连接在所述三相逆变器的C相输出端和所述C相线圈绕组的一端之间的C相滤波电感、C相串联补偿电容，还包括连接在所述C相滤波电感与所述C相串联补偿电容的共同连接端和所述C相线圈绕组的另一端之间的C相滤波电容，所述C相线圈绕组的另一端还连接所述A相线圈绕组的另一端。

优选的，所述副边谐振网络包括串联在所述接收线圈的一端和所述整流滤波电路的第一输入端之间的副边补偿电容，所述接收线圈的另一端连接所述整流滤波电路的第二输入端。

每相线圈绕组都通过滤波电感、补偿电容、滤波电容、副边补偿电容组成LCC-S型谐振网络，保证每相线圈绕组谐振的一致性，便于探索输出电压随发射线圈激励电流相位差和拾取线圈机械旋转角的变化规律。

优选的，在所述三相逆变器中，每一个桥臂由两个MOS管以相同的占空比交替导通和关断独立控制，使得B相和C相电压分别滞后于A相电压的角度为β和2β，β∈(0,π)，每相电压的幅值为所述直流电源的电压U_dc的一半。三相逆变器的设计，便于探索系统输出电压随发射线圈激励电流相位差的变化规律。

优选的，β＝2π/3。实验结果表明，在激励电流相位差β(也即α)＝2π/3时，输出电压波动最小，输出电压波动限制在±15.6％以内。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的三相圆柱形曲面线圈的结构图；

图2是本发明实施例1提供的三相圆柱形曲面线圈在特定点处的磁场轨迹图；

图3是本发明实施例1提供的三相圆柱形曲面线圈中O点在α2π/3时的磁场分布图；

图4是本发明实施例2提供的三相圆柱形曲面线圈的激励方法中三相圆柱形曲面线圈在一个电流激励周期内的磁场分布；

图5是本发明实施例3提供的一种全空间无线电能耦合机构的结构图；

图6是本发明实施例3提供的一种全空间无线电能耦合机构的拾取线圈三种空间方位发生变化的状态图；

图7是本发明实施例3提供的一种全空间无线电能耦合机构的互感和拾取线圈的旋转角度的关系图；

图8是本发明实施例4提供的一种基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统的电路拓扑图；

图9是本发明实施例4提供的在不同α取值下图8所示系统输出电压与拾取线圈旋转角度的关系；

图10是本发明实施例4提供的对应图8所示系统的实验装置图；

图11是本发明实施例4提供的图10所示装置在不同α值下装置输出电压U_o与旋转角度的关系；

图12是本发明实施例4提供的图10所示装置三相逆变输出电压及线圈激励电流波形图；

图13是本发明实施例4提供的图10所示装置拾取线圈在任意位置样例传输距离公转和样例点处自转的模型图；

图14是本发明实施例4提供的图10所示装置拾取线圈在任意位置样例传输距离公转和样例点处自转的模型图；

图15是本发明实施例4提供的图14所示模型在样例点处输出电压随自转角度的关系图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

在全空间无线电能传输系统的实际应用中，大多受电设备(例如移动电子设备、工业传感器、医疗植入设备等)对拾取端的空间体积以及重量的限制较为严格，面向这类应用，通常需采用分布式发射线圈和单维接收线圈模式。另外，受电设备的方位发生变化时系统仍需维持较为稳定的输出。

针对上述应用需求，本实施例提出了一种三相圆柱形曲面线圈(实施例1)、一种三相圆柱形曲面线圈的激励方法(实施例2)、一种全空间无线电能耦合机构(实施例3)和一种基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统(实施例4)中进行说明。

实施例1

本发明实施例提供三相圆柱形曲面线圈，如图1(a)的立体图和(b)的俯视图所示，包括尺寸相同、匝数相同、均匀分布而围合成一圆柱筒状的A相线圈绕组(A1A2X1X2)、B相线圈绕组(B1B2Y1Y2)、C相线圈绕组(C1C2Z1Z2)，各相线圈绕组自身围合角度为180°，任意两相线圈绕组之间的机械角度为120°。各相线圈绕组均匀分布在半径为R、高为h的圆柱筒(未示出)内侧。

实施例2

本实施例提供一种实施例1所述的三相圆柱形曲面线圈的激励方法，假设A相线圈绕组、B相线圈绕组、C相线圈绕组对应的激励电流分别为I_a、I_b、I_c。

根据毕奥-萨伐尔定律，位于(x,y,z)处的电流元Idl在场点(x₀,y₀,z₀)处产生的磁场强度为：

其中I表示线圈绕组的激励电流，r表示场点到电流元的距离，即r＝(x₀-x,y₀-y,z₀-z)。磁场强度H可在x、y、z轴上正交分解成三个分量，H＝(H_x,H_y,H_z)可表示为：

定义每相发射线圈(线圈绕组也简称线圈)上的任意一点投影到xoy平面上与x轴正方向的夹角为γ。定义圆柱筒内的任意一点P(x₀,y₀,z₀)。以A相线圈为例，则A相线圈的坐标可表示为

由式(1)～(3)可计算出A相线圈在P点产生的磁场强度H_a＝(H_ax,H_ay,H_az)为式(4)，其中I_a表示A相线圈的激励电流，同理可求出B相线圈的磁场强度H_b＝(H_bx,H_by,H_bz)和C相线圈的磁场强度H_c＝(H_cx,H_cy,H_cz)，由磁场的矢量叠加性可知：

下面分析该三相圆柱形曲面线圈在各激励电流下的磁场分布。

设三相线圈激励电流的幅值均为I_m，相位依次滞后α，α∈(0,π)，表示为：

其中ω＝2πf，f为激励电流的频率。

根据式(3)～(6)可以计算出柱体空间内任意一点的磁场分布，其中参数如下：R＝0.25m,h＝0.5m,N_p＝10,I_m＝10A。由于三相圆柱形曲面线圈产生的磁场主要由x轴方向的磁场(H_x)与y轴方向的磁场(H_y)矢量合成，而在z轴方向的磁场H_z较弱，因此本实施例仅分析x-y平面上的磁场。这里选取图1(b)中的两点O(0,0,0.5h),O₁(0.3R,0.4R,0.5h)作为代表说明激励电流相位差α与磁场分布特性的关系，其中O点处于圆柱筒的中心。在不同的激励电流相位差α下点O和O₁点处一个时间周期内的磁场轨迹如图2所示。

由图2(a)可知，当α＝0时，O点处的磁场为零。这是由于对称的三相曲面线圈在相同的激励电流下产生的磁场在圆筒中心处完全抵消。当α＝π/2时，O点处的磁场轨迹为椭圆形。当α＝2π/3时，O点处的磁场轨迹为圆形。当α＝π时，O点处的磁场轨迹为一条为直线。由图2(b)可知，当α＝0或π时，O₁点处的磁场轨迹为一条直线。在α＝π/2或2π/3时，O₁点处的磁场轨迹为椭圆形。而当α＝2π/3时，磁场轨迹更接近于圆形。

以O₁点在α＝2π/3时为例，对图2中的磁场轨迹所代表的磁场大小及方向进行说明，如图3所示。箭头的方向代表当前时刻的磁场方向，箭头的长度代表当前时刻的磁场大小。当ωt＝0时，磁场方向为y轴负方向；当ωt＝π/2时，磁场方向为x轴正方向；当ωt＝π时，磁场方向为x轴正方向；当ωt＝3π/2时，磁场方向为y轴正方向。磁场方向随时间沿着圆周逆时针旋转，磁场大小保持恒定。同理，当磁场轨迹为椭圆形时，磁场方向随时间沿着椭圆逆时针旋转，磁场大小随着时间改变。当磁场轨迹为直线时，不同时刻只改变了磁场的大小，不改变磁场方向。而磁场轨迹越接近于圆形，则各个方向的磁场强度分布更为均匀。

为了验证本实施例对三相圆柱形曲面线圈磁场分析的正确性，搭建了三相圆柱形曲面线圈电磁场仿真的COMSOL模型，在幅值相同，相位差α＝2π/3的激励电流下，仿真得到三相圆柱形曲面线圈在一个周期内的磁场分布如图4所示，为了便于观测圆柱筒内部的磁场分布，这里选取圆柱筒高度一半所在的x-y平面作为代表进行分析。

图4表示三相圆柱形曲面线圈在一个周期内的磁场分布，其中(a)ωt＝0，(b)ωt＝π/4，(c)ωt＝π/2，(d)ωt＝3π/4，(e)ωt＝π，(f)ωt＝5π/4，(g)ωt＝3π/2，(h)ωt＝7π/4。由图4可知，在幅值相同，相位差α＝2π/3的激励电流下，不同时刻下圆柱筒内的磁场指向不同的方向，圆柱筒内磁场方向随时间逆时针旋转，形成了旋转磁场，与理论分析相吻合。

因此，三相圆柱形曲面线圈在具有相位差的激励电流可在圆柱空间内各点处产生各个方位的磁场，可实现全空间无线电能传输。特别地，当激励电流相位差α＝2π/3时，各个方向的磁场强度分布更为均匀。一般地，各个方向的磁场强度分布越均匀，则全空间无线电能传输系统具有更稳定的输出特性。

实施例3

本发明实施例提供一种全空间无线电能耦合机构，如图5(a)、(b)所示的立体图和俯视图，包括实施例1所述的三相圆柱形曲面线圈，还包括拾取线圈；所述拾取线圈任意角度安装于所述三相圆柱形曲面线圈的中空区域(磁场空间)中。

由于三相圆柱形曲面线圈产生的磁场主要由x轴方向的磁场(H_x)与y轴方向的磁场(H_y)矢量合成，而在z轴方向的磁场H_z较弱，因此本实施例将拾取线圈竖直放置(即拾取线圈平面始终与xoy平面保持垂直)以捕获x与y轴方向的磁场分量。设拾取线圈Rx的半径为r，匝数为N_s，与圆柱筒的距离为d，拾取线圈的高度为h₁，绕z轴公转的角度为θ，拾取线圈自转的角度为δ，如图6(a)(b)所示。图6(b)中Rx0表示拾取线圈的初始位置，Rx1表示拾取线圈从Rx0处开始公转θ角度后的所在的位置，Rx2表示拾取线圈在Rx1处开始自转δ角度后的所在位置。

设拾取线圈上任意一点投影到x-y平面上的夹角为

则拾取线圈同时公转θ角度和自转δ角度后，拾取线圈上任意一点(x_s,y_s,z_s)的坐标可表示为：

根据诺依曼公式，互感可表示为：

其中N_p,N_s,l_p,l_s,dl_p,dl_s分别为每个发射线圈和接收线圈的匝数，每匝线圈的长度矢量以及长度矢量的微分。r_ps为dl_p与dl_s之间的距离，μ₀为真空磁导率。

结合式(7)和(8)，可计算出互感可表示如式(9)所示，其中x_s',y_s',z_s'表示坐标x_s,y_s,z_s关于的

微分。

为了便于分析，本实施例定义了图6所示的三种空间方位发生变化的状态，其中，(a)表示拾取线圈在点O(0,0,0.5h)自转，(b)表示拾取线圈在d＝0.5R,h₁＝0.5h处绕z轴公转，(c)表示拾取线圈在点O₁(0.3R,0.4R,0.5h)自转。当拾取线圈在中心点O自转时，公转角和自转角是相同的。根据式(7)～(9)可计算出拾取线圈在这三种空间方位发生变化的互感变化规律如图7所示，其中，(a)、(b)、(c)分别表示拾取线圈在O点自转、d＝0.5R,h₁＝0.5h处公转、O₁点自转。拾取线圈的参数取值如下：r＝50mm,N_s＝50。从图7可以看出，拾取线圈处于不同方位时，每个发射线圈对拾取线圈的互感值不同，这将会导致各发射线圈间提供的能量不均。

实施例4

本实施例提供一种基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统，基于上述实施例3，其电路拓扑模型如图8所示，该系统主要由直流电源U_dc、三相逆变器、LCC-S型谐振网络(原边谐振网络+副边谐振网络)、三相发射线圈/三相圆柱形曲面线圈(L_a、L_b、L_c)和一个接收线圈/拾取线圈(L_s)组成。三相逆变器主要由6个MOSFETs组成。三相LCC-S型谐振网络主要由滤波电感L_fi、滤波电容C_fi，原边串联补偿电容C_i和副边串联补偿电容C_s组成，其中i＝a,b,c。三相发射线圈的自感分别为L_a、L_b、L_c，发射线圈的相间互感分别为M_ab、M_bc、M_ca，接收线圈的自感为L_s，每个发射线圈与拾取线圈的互感分别表示为M_as、M_bs、M_cs，发射线圈和拾取线圈的等效串联电阻分别为R_a、R_b、R_c、R_s。

更具体的，原边谐振网络包括A相谐振网络、B相谐振网络、C相谐振网络；

A相谐振网络包括顺序连接在三相逆变器的A相输出端和A相线圈绕组L_a的一端之间的A相滤波电感L_fa、A相串联补偿电容C_a，还包括连接在A相滤波电感L_fa与A相串联补偿电容C_a的共同连接端和A相线圈绕组L_a的另一端之间的A相滤波电容C_fa，A相线圈绕组L_a的另一端还连接直流电源U_dc；

B相谐振网络包括顺序连接在三相逆变器的B相输出端和B相线圈绕组L_b的一端之间的B相滤波电感L_fb、B相串联补偿电容C_b，还包括连接在B相滤波电感L_fb与B相串联补偿电容C_b的共同连接端和B相线圈绕组L_b的另一端之间的B相滤波电容C_fb，B相线圈绕组L_b的另一端还连接A相线圈绕组的另一端；

C相谐振网络包括顺序连接在三相逆变器的C相输出端和C相线圈绕组L_c的一端之间的C相滤波电感L_fc、C相串联补偿电容C_c，还包括连接在C相滤波电感L_fc与C相串联补偿电容C_c的共同连接端和C相线圈绕组L_c的另一端之间的C相滤波电容C_fc，C相线圈绕组L_c的另一端还连接A相线圈绕组的另一端。

副边谐振网络包括串联在接收线圈L_s的一端和整流滤波电路的第一输入端之间的副边补偿电容C_s，接收线圈L_s的另一端连接整流滤波电路的第二输入端。

由于三相线圈绕组尺寸和匝数相同，其结构在空间上对称，因此做如下假设：

1)各相线圈的自感相等，L_i＝L_p。

2)各相线圈的相间互感相等，M_ab＝M_bc＝M_ca＝M。

3)各相线圈的等效串联电阻相等，R_i＝R_p。

4)各相支路对应的谐振补偿网络参数相等，L_fi＝L_f，C_fi＝C_f，C_i＝C_p。

其中i＝a,b,c。

在三相逆变器中，每一个桥臂由两个MOSFETs以相同的占空比交替导通和关断独立控制。B相和C相电压分别滞后于A相电压的角度为β＝α和2α，每相电压的幅值为直流输入电压U_dc的一半。基于基波近似法，则逆变器的输出电压

可表示为：

对于图8中L_f和C_f回路应用KVL可得：

当

激励电流

和

可表示为：

由式(12)可知，各相线圈电流幅值相等，相位依次滞后的角度为α。

基于互感耦合理论，副边回路方程可写为：

其中，

为拾取线圈中的电流，R_eq为等效电阻，可表示为：

当

由式(12)～(14)可计算出系统输出电压U_o可表示为：

由式(15)可知，负载电压U_o是关于三相发射线圈对拾取线圈的互感M_as、M_bs、M_cs以及三相发射线圈激励电流相位差α的函数。当拾取线圈的空间方位发生变化时会导致互感发生变化，从而导致输出电压波动，然而存在一个最优的α值使输出电压波动最小。

下面介绍激励电流相位差优化设计。

结合式(15)中的系统输出电压计算公式以及图7中的互感值，可以计算出不同α下系统输出电压与旋转角的关系，如图9所示。具体参数取值如下：U_dc＝60V,L_f＝14.7uH,R_L＝10Ω,Rs＝0.7Ω。当拾取线圈自转或公转时，系统的输出电压U_o会随着旋转角度的变化。在拾取线圈旋转一周的过程中，可计算出各个角度对应下的输出电压，这些电压的平均值记为U_oavg。当α＝0时，即三个发射线圈具有相同的激励电流，U_oavg较小。特别地，当拾取线圈在O点自转时，在任意旋转角度下的系统输出电压几乎都为零，这是由于三相圆柱型曲面线圈在相同的激励电流下提供的磁能相互抵消。当α＝π时，尽管在某些旋转角度U_o较大，但在另外一些旋转角度下U_o几乎为零。当α＝π/2时，U_o大于零，但U_oavg较低。当α＝2π/3时，系统输出电压波动最小并且U_oavg最大。因此，三相圆柱形曲面线圈在激励电流的相位差α＝2π/3时，全空间无线电能传输系统输出电压最稳定。

为验证本实施例提出的基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统输出电压稳定性能，搭建了系统的实验装置如图10所示。该系统主要由直流电源、三相逆变器、三相LCC谐振补偿网络、三相圆柱形曲面发射线圈、拾取线圈、拾取端谐振补偿及整流滤波电路、负载组成。其中实验参数如表1所示。

表1.系统参数

为了便于分析拾取线圈自转以及公转时输出电压的波动大小，本实验将拾取线圈置于一个旋转平台上，该旋转平台每旋转一周所需的时间为20秒。将示波器的扫描时间调为2.5s/div。因此可在示波器中显示出拾取线圈旋转一周对应的输出电压波形。

当拾取线圈在O点自转时，在不同α值下系统输出电压U_o与旋转角度的关系如图11所示，其中U_omin和U_omax分别表示拾取线圈旋转一周过程中系统输出电压的最小值和最大值。当α＝0时，接收线圈在任意旋转角度下的输出电压都几乎为零。当α＝π/2时，U_o在6.2V～12.2V之间波动。当α＝2π/3时，在任意旋转角度下的输出电压都约为10.5V。当α＝π时，U_o在0V～14.4V之间波动。因此，当α＝2π/3时，拾取线圈在任意旋转时系统的输出电压波动最小。

当α＝2π/3时，三相逆变输出电压及线圈激励电流波形如图12所示，可以看出三相逆变输出电压的幅值均约为30V，激励电流的幅值均约为4.2A，三相线圈激励电流较为对称。本实验考虑了接收线圈在4种样例传输距离(d＝R,d＝0.75R,d＝0.5R,d＝0.25R)公转和4个样例点(O,P₁,O₁,P₂)自转的情况，如图13所示。

当接收线圈绕z轴旋转时，系统输出电压U_o与旋转角θ在不同传输距离下的实验波形如图14所示，其中r_ov代表拾取线圈旋转一周时U_o的波动率。当传输距离d＝R、0.75R、0.5R、0.25R时，U_oavg分别为10.5V、11.4V、11.8V和12.2V，r_ov分别为±1.9％、±2.6％、±5.9％和±15.6％。图15显示了U_o在不同点相对于自转角δ的实验波形。当接收线圈处于O、P₁、O₁和P₂时，U_oavg分别为10.5V、10.8V、11.4V和12.6V，r_ov分别为±1.9％、±2.8％、±5.3％和±14.2％。特别是当接收线圈在O点自转时，即d＝R，系统输出电压保持在10.5V。

从以上实验结果可以看出，当接收线圈自转或绕z轴公转时，系统输出电压的波动率随传输距离的增加而急剧降低，但系统输出电压的平均值下降缓慢。另外，当接收线圈在圆柱筒的中心点自转时，系统输出电压几乎不变。

综上所有所述，本实施例提出了一种三相圆柱形曲面线圈、一种三相圆柱形曲面线圈的激励方法、一种全空间无线电能耦合机构和一种基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统，有效减小了拾取线圈在全空间方位发生变化时的输出电压波动。构建了耦合机构的全空间磁路，推导了互感随旋转角的数学模型，给出了基于三相LCC-S拓扑的MC-WPT输出电压模型，结合理论推导与实验验证了本实施例所提出的三相MC-WPT系统的可行性。本实施例所提出的基于三相圆柱形曲面线圈的全空间MC-WPT系统具有以下优点：

1)圆柱形发射机构内任意一点的旋转磁场在各个方向上均匀分布；

2)当拾取线圈在圆柱形发射机构中心自转时，系统输出电压几乎保持不变，无论接收线圈如何自转或绕z轴公转，都能有效地减小系统输出电压波动；

3)系统的输出电压对传输距离和旋转角的变化不敏感。

该系统可应用于要求用电设备在方位改变时仍能维持电能高效稳定传输的场合。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.三相圆柱形曲面线圈，其特征在于，包括尺寸相同、匝数相同、均匀分布而围合成一圆柱筒状的A相线圈绕组、B相线圈绕组、C相线圈绕组，各相线圈绕组自身围合角度为180°，任意两相线圈绕组之间的机械角度为120°。

2.如权利要求1所述的三相圆柱形曲面线圈，其特征在于：固定在一圆柱筒内侧壁。

3.三相圆柱形曲面线圈的激励方法，其特征在于：采用幅值相同、相位差α∈(0,π)的电流激励权利要求1至2任意一项所述的三相圆柱形曲面线圈。

4.如权利要求3所述的三相圆柱形曲面线圈的激励方法，其特征在于：α＝2π/3。

5.全空间无线电能耦合机构，其特征在于：包括权利要求1至2任意一项所述的三相圆柱形曲面线圈，还包括拾取线圈；所述拾取线圈任意角度安装于所述三相圆柱形曲面线圈的中空区域中。

6.基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统，包括发射电路和接收电路，其特征在于：所述发射电路包括顺序连接的直流电源、三相逆变器、原边谐振网络、三相发射线圈，所述接收电路包括顺序连接的接收线圈、副边谐振网络、整流滤波电路和负载；

所述三相发射线圈为权利要求1至2任意一项所述的三相圆柱形曲面线圈，所述接收线圈为权利要求4所述的拾取线圈。

7.如权利要求6所述的基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统，其特征在于：所述原边谐振网络包括A相谐振网络、B相谐振网络、C相谐振网络；

所述A相谐振网络包括顺序连接在所述三相逆变器的A相输出端和所述A相线圈绕组的一端之间的A相滤波电感、A相串联补偿电容，还包括连接在所述A相滤波电感与所述A相串联补偿电容的共同连接端和所述A相线圈绕组的另一端之间的A相滤波电容，所述A相线圈绕组的另一端还连接所述直流电源；

所述B相谐振网络包括顺序连接在所述三相逆变器的B相输出端和所述B相线圈绕组的一端之间的B相滤波电感、B相串联补偿电容，还包括连接在所述B相滤波电感与所述B相串联补偿电容的共同连接端和所述B相线圈绕组的另一端之间的B相滤波电容，所述B相线圈绕组的另一端还连接所述A相线圈绕组的另一端；

所述C相谐振网络包括顺序连接在所述三相逆变器的C相输出端和所述C相线圈绕组的一端之间的C相滤波电感、C相串联补偿电容，还包括连接在所述C相滤波电感与所述C相串联补偿电容的共同连接端和所述C相线圈绕组的另一端之间的C相滤波电容，所述C相线圈绕组的另一端还连接所述A相线圈绕组的另一端。

8.如权利要求6所述的基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统，其特征在于：所述副边谐振网络包括串联在所述接收线圈的一端和所述整流滤波电路的第一输入端之间的副边补偿电容，所述接收线圈的另一端连接所述整流滤波电路的第二输入端。

9.如权利要求6所述的基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统，其特征在于：在所述三相逆变器中，每一个桥臂由两个MOS管以相同的占空比交替导通和关断独立控制，使得B相和C相电压分别滞后于A相电压的角度为β和2β，β∈(0,π)，每相电压的幅值为所述直流电源的电压U_dc的一半。

10.如权利要求9所述的基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统，其特征在于：β＝2π/3。

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