CN113687275A - 一种基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置，主要包括电流互感器、取能互感器、整流模块、调压模块、微处理器、AD模块和显示模块，根据耦合器机械结构定义磁结构因子，计算磁结构因子参数，通过测量耦合器工作时发射线圈和接收线圈中流过的电流，得到耦合器在空间某点产生的磁场强度。由于实际应用中耦合器工作时的结构和位置相对固定，采用本发明可实现测量耦合器线圈中的电流的同时获取并显示耦合器周围的磁场，解决了无线电能传输系统应用时磁场测量对专业化仪器的依赖，易于实现，实用性强。

Description

一种基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场测量装置，适用于含无屏蔽耦合器的无线电能传输系统。

背景技术

能量的无线传输媒介包括电场、磁场、机械波、微波、激光等多种形式。磁场耦合式是目前应用较为广泛的无线电能传输技术的一种方式，比如手机、电动汽车、轨道交通、无人搬运车及植入式医疗设备等的无线充电。磁场耦合式无线电能传输技术在通过耦合器的发射线圈在空间中激发强磁场工作的。因此，磁场耦合式的无线电能传输系统周围的磁场安全性受到人们的广泛关注。传统的获取磁场的方法是通过在耦合器周围引入磁场测量仪器，在线实时监测得到的。这种方法通用性虽然较高，但专业集成度较大，不利于实际应用中公众对磁场的快速感知。为了进一步加强无线电能传输系统磁场获取的高效性，保证准确、便捷性，需要一种新的磁场快速获取方法，实现无线电能传输系统磁场的高效感知与公示。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置，用于含无屏蔽耦合器的无线电能传输系统，以实现耦合器磁场的快速高效获取与公示。

技术方案：本发明提出一种基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置，包括电流互感器、取能互感器、整流模块、调压模块、微处理器、AD模块和显示模块；所述电流互感器用于测量发射线圈或接收线圈中的电流；所述取能互感器用于从发射线圈或接收线圈中获取能量；所述整流模块用于将取能互感器获取的能量转换为直流；所述调压模块用于将整流模块后的直流调压稳压，并向AD模块、微处理器和显示模块供给能量；所述AD模块用于将电流互感器获取的模拟量转换为数字量；所述微处理器用于接收AD模块转换后的线圈电流数字量，用于获取空间坐标为(x,y,z)的M点的磁结构因子，将线圈电流数字量与空间M点的磁结构因子结合，通过计算得到耦合器周围空间M点的磁场。

进一步地，所述显示模块用于显示耦合器周围的磁场。

进一步地，所述M点的磁结构因子的获取方法如下：

当空间被测点M的位置固定时，单个线圈在空间中x、y、z方向的磁场强度表示为：

其中，H_{coil_x}、H_{coil_y}和H_{coil_z}分别表示线圈在空间M点的x、y和z方向产生的磁场强度，I表示线圈中流过的电流有效值，β_xi、β_yi和β_zi分别表示线圈第i匝在空间M点的x、y和z方向的磁结构因子，N表示线圈的匝数。

进一步地，所述耦合器周围空间M点的磁场计算方法如下：

耦合器的磁场包括发射线圈磁场和接收线圈磁场的叠加，线圈磁场是由电流产生的，即H＝f(I)；

当WPT系统工作在谐振状态时，发射线圈与接收线圈中流过的电流存在90度的相位差，设发射线圈中流过的电流瞬时值

则接收线圈中流过的电流瞬时值为

其中，I₁和I₂分别表示发射线圈和接收线圈中流过的电流有效值；

根据磁场强度瞬时值的定义，单个线圈在空间M点的x、y、z方向产生的磁场强度瞬时值为

其中，h_x(t)、h_y(t)和h_z(t)分别是单个线圈在空间M点的x、y、z方向产生的磁场强度瞬时值，i(t)表示线圈中流过电流的瞬时值，耦合器在空间M点产生的x方向的磁场瞬时值h_{coupler_x}(t)是将收发线圈产生的磁场瞬时值叠加计算得到的，即：

其中，

和

分别是耦合器的发射线圈和接收线圈在M点x方向的磁结构因子；磁场瞬时值h_{coupler_x}(t)的方均根值为：

同样的，耦合器在M点y方向和z方向产生的磁场强度分别为：

进一步地，所述耦合器周围M点的磁场强度表示为线圈电流与磁结构因子的关系：

其中：

当线圈结构和测量点M的坐标均不变时，β_coil1和β_coil2为固定值，所述自显示装置通过测量线圈电流和磁结构因子，即可快速显示耦合器周围固定点的磁场强度。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供了一种基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置，通过定义耦合器在空间某点产生的磁场强度的磁结构因子，将无线电能传输系统的电流与磁场的测量结合起来，可实现仅测量收发线圈中的电流获取空间某点磁场强度的效果，装置可通过耦合器实现自取能，解决了应用中磁场测量对专业化仪器的依赖，与传统的测量方法相比，本方法提高了测量效率，易于实现，实用性强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为无屏蔽平面耦合器的磁场强度计算示意图；

图3为生物靠近耦合器外包络接触点的示意图；

图4为耦合器机械结构示意图；其中(a)为耦合器线圈绕制结构透视图；(b)为耦合器样机实物图；

图5为无屏蔽平面耦合器正对时的外包络示意图；其中(a)为距离耦合器机械封装30cm处的外包络示意图；(b)为生物体靠近时接触的测量点示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明提出一种基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置，如图1所示，Coil1为发射线圈，Coil2为接收线圈，Coil1和Coil2既可以为平面螺旋圆形线圈，也可以为平面螺旋方形线圈，如图2所示。基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置包括电流互感器、取能互感器、整流模块、调压模块、微处理器、AD模块和显示模块。电流互感器用于测量发射线圈或接收线圈中的电流；取能互感器用于从发射线圈或接收线圈中获取能量；整流模块用于将取能互感器获取的能量转换为直流；调压模块用于将整流模块后的直流调压稳压，并向AD模块、微处理器和显示模块供给能量；AD模块用于将电流互感器获取的模拟量转换为数字量；微处理器用于接收AD模块转换后的线圈电流数字量，用于获取空间坐标为(x,y,z)的M点的磁结构因子，将线圈电流数字量与空间M点的磁结构因子结合，通过计算得到耦合器周围空间M点的磁场；显示模块用于显示耦合器周围的磁场。

安装于发射线圈或接收线圈导线上的电流互感器，通过电磁感应的原理，以固定缩小比例感应出电流值模拟量，通过AD模块将电流值模拟量转换为电流值数字量，进而传输到微处理器中。

M点的磁结构因子的计算过程与微处理器获取磁结构因子的流程为：线圈在空间M点的磁场与电流的关系是与线圈的结构参数及测量点的坐标相关的，以耦合器的发射线圈中心为原点建立空间直角坐标系，基于麦克斯韦方程组可得到单个线圈在空间中M点的x、y、z方向的磁场与电流间的比例关系，即：

其中，H_{coil_x}、H_{coil_y}和H_{coil_z}分别表示线圈在空间M点的x、y和z方向产生的磁场强度，I表示线圈中流过的电流有效值，β_xi、β_yi和β_zi分别表示线圈第i匝在空间M点的x、y和z方向的磁结构因子，N表示线圈的匝数。

因此，单个线圈的磁结构因子β_xi、β_yi和β_zi是基于发射线圈中心原点的空间直角坐标系，通过将M点的坐标代入麦克斯韦方程组求解得到的。磁结构因子数值被得到后，可通过程序代码将磁结构因子数值固化到微处理器中。

有了单个线圈的磁结构因子，那么耦合器的磁场计算方法如下：耦合器的磁场包括发射线圈磁场和接收线圈磁场的叠加，线圈磁场是由电流产生的，即H＝f(I)。

当WPT系统工作在谐振状态时，发射线圈与接收线圈中流过的电流存在90度的相位差，设发射线圈中流过的电流瞬时值

则接收线圈中流过的电流瞬时值为

其中，I₁和I₂分别表示发射线圈和接收线圈中流过的电流有效值。

根据磁场强度瞬时值的定义，单个线圈在空间M点的x、y、z方向产生的磁场强度瞬时值为：

其中，h_x(t)、h_y(t)和h_z(t)分别是单个线圈在空间M点的x、y、z方向产生的磁场强度瞬时值，i(t)表示线圈中流过电流的瞬时值，耦合器在空间M点产生的x方向的磁场瞬时值h_{coupler_x}(t)是将收发线圈产生的磁场瞬时值叠加计算得到的，即：

其中，

和

分别是耦合器的发射线圈和接收线圈在M点x方向的磁结构因子。磁场瞬时值h_{coupler_x}(t)的方均根值为：

同样的，耦合器在M点y方向和z方向产生的磁场强度分别为：

目前，无线电能传输系统的耦合器在生产制造、出厂应用时，公众既对耦合器工作时的功率、效率、线圈电流等指标关心，也对耦合器周围的磁场非常关心。但实际应用中，测量耦合器的磁场需要用到专业化的仪器，专业化水平高，难以实现高频率的测量显示。考虑到在应用中，耦合器的发射线圈和接收线圈的位置固定，而空间某点的磁场是由线圈电流和被测点坐标决定的，因此在出厂时，将拟定的测量点的磁结构因子提前写入微处理器，这样在实际应用时，仅需要测量线圈中流过的电流即可获得测量点的磁场强度，无需借助专业化仪器，成本低，效率高，便于打消公众的疑虑。

由此，耦合器周围M点的磁场强度H_coupler可表示为线圈电流与磁结构因子的关系：

其中耦合器的磁结构因子的计算方法为：

因此，耦合器的磁结构因子获取流程：先定义单个线圈的磁结构因子，然后根据发射线圈和接收线圈中流过电流的相位差，计算发射线圈和接收线圈在x、y和z方向的磁结构因子，进而将三个方向叠加计算得到耦合器的磁结构因子。

当线圈结构和测量点M的坐标均不变时，β_coil1和β_coil2为固定值，所述自显示装置通过测量线圈电流和磁结构因子，即可快速获取并显示耦合器周围空间M点的磁场强度。

当发射线圈Coil1和接收线圈Coil2中心位置正对时，设距离耦合器机械封装30cm处的外包络为磁场评估区，如图5(a)所示，当生物体逐渐靠近耦合器时，最可能先接触的点是测量点m、测量点p和测量点q，如图3所示。

以发射线圈中心为坐标原点，设发射线圈外边长为l_1W，接收线圈外边长为l_2W，线圈传输距离为d，通过几何变换计算，可得到m点的坐标为：(0,-(0.5l_2W+0.3),d)，q点的坐标为(0,-(0.5l_1W+0.3),0)，p点的坐标为：

而d_p则需要通过求解方程得到，方程为：

通过数学求解软件能够较为容易的求解方程得到d_p的值。

以如图4所示的耦合器机械结构进一步说明本发明，其中(a)为耦合器线圈绕制结构透视图；(b)为耦合器样机实物图。图4所示的耦合器机械结构的参数如表1所示，通过上述方法可得图5(b)中测量点m的坐标是(0,-0.515,0.2)，测量点p的坐标是(0,-0.498,0.1)，测量点q的坐标是(0,-0.515,0)。

根据耦合器线圈的参数可得测量点m、测量点p和测量点q分别对应的β_coil1和β_coil2，如表2所示。将实际应用中测得的收发线圈的电流代入

可得如表3所示的磁场评估值与实际测量值的对比。

表1 发射线圈与接收线圈参数

表2 三个测量点的磁结构因子

表3 三个测量点的计算值和测量值对比

根据表3中的结果对比可知，本发明提出的基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场快速评估方法可在无需专业磁场测试仪的情况下，快速、准确、高效的获取耦合器周围的磁场。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置，包括电流互感器、取能互感器、整流模块、调压模块、微处理器、AD模块和显示模块；其特征在于，所述电流互感器用于测量发射线圈或接收线圈中的电流；所述取能互感器用于从发射线圈或接收线圈中获取能量；所述整流模块用于将取能互感器获取的能量转换为直流；所述调压模块用于将整流模块后的直流调压稳压，并向AD模块、微处理器和显示模块供给能量；所述AD模块用于将电流互感器获取的模拟量转换为数字量；所述微处理器用于接收AD模块转换后的线圈电流数字量，用于获取空间坐标为(x,y,z)的M点的磁结构因子，将线圈电流数字量与空间M点的磁结构因子结合，通过计算得到耦合器周围空间M点的磁场。

2.根据权利要求1所述的基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置，其特征在于，所述显示模块用于显示耦合器周围的磁场。

3.根据权利要求1所述的基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置，其特征在于，所述M点的磁结构因子的获取方法如下：

当空间被测点M的位置固定时，单个线圈在空间中x、y、z方向的磁场强度表示为：

其中，H_{coil_x}、H_{coil_y}和H_{coil_z}分别表示线圈在空间M点的x、y和z方向产生的磁场强度，I表示线圈中流过的电流有效值，β_xi、β_yi和β_zi分别表示线圈第i匝在空间M点的x、y和z方向的磁结构因子，N表示线圈的匝数。

4.根据权利要求1所述的基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置，其特征在于，所述耦合器周围空间M点的磁场计算方法如下：

耦合器的磁场包括发射线圈磁场和接收线圈磁场的叠加，线圈磁场是由电流产生的，即H＝f(I)；

当WPT系统工作在谐振状态时，发射线圈与接收线圈中流过的电流存在90度的相位差，设发射线圈中流过的电流瞬时值

则接收线圈中流过的电流瞬时值为

其中，I₁和I₂分别表示发射线圈和接收线圈中流过的电流有效值；

根据磁场强度瞬时值的定义，单个线圈在空间M点的x、y、z方向产生的磁场强度瞬时值为：

其中，h_x(t)、h_y(t)和h_z(t)分别是单个线圈在空间M点的x、y、z方向产生的磁场强度瞬时值，i(t)表示线圈中流过电流的瞬时值，耦合器在空间M点产生的x方向的磁场瞬时值h_{coupler_x}(t)是将收发线圈产生的磁场瞬时值叠加计算得到的，即：

其中，

和

分别是耦合器的发射线圈和接收线圈在M点x方向的磁结构因子；磁场瞬时值h_{coupler_x}(t)的方均根值为：

同样的，耦合器在M点y方向和z方向产生的磁场强度分别为：

5.根据权利要求1所述的基于磁结构因子的无线电能传输系统磁场自显示装置，其特征在于，所述耦合器周围M点的磁场强度表示为线圈电流与磁结构因子的关系：

其中：

当线圈结构和测量点M的坐标均不变时，β_coil1和β_coil2为固定值，所述自显示装置通过测量线圈电流和磁结构因子，即可快速显示耦合器周围固定点的磁场强度。

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