CN113991878B - 挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置 - Google Patents

挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置 Download PDF

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Abstract

挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，涉及动态无线供电领域。针对现有技术中随着移动负载对动态无线充电功能的迫切需求和地面式巡检机器人只能通过发射线圈的单侧磁场进行耦合，磁场利用率不高的缺陷，本发明采用如下技术手段：挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，包括：用于产生磁场的多个发射线圈和两个用于与所述的磁场耦合，产生感应电动势的接收线圈，多个发射线圈呈一字型排列，装置还包括：磁芯；磁芯的横截面为凹型，发射线圈插入所述的磁芯中，磁芯与发射线圈呈三面包围的结构，所述的两个接收线圈分别固定于所述的磁芯的两侧侧壁上，以串联连接，与发射线圈平行。适用于检测轨迹固定的现场，如变电站检测、边疆巡防等。

Description

挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置
技术领域：
涉及动态无线供电领域，具体涉及挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置。
背景技术：
随着移动负载对动态无线充电功能的迫切需求,动态无线供电技术逐步进入人们的视野并成为新的研究热点，动态无线供电系统的基本结构如图1所示，分为原边系统能量发射部分与副边系统能量接收部分两大部分，由原边线圈、副边线圈以及磁芯组成的磁耦合机构通过磁场将能量从原边系统传递至副边系统，实现电能的无线传输。磁耦合机构作为无线电能传输的核心，往往直接关系到系统的性能，其具体结构也因不用应用场景而异。
下面列举现有常见的地面式巡检机器人耦合系统：
地面式巡检机器人常见的耦合机构中，集中耦合方式如图2所示，图中6为多段线圈，7为装载在巡检机器人机身单侧的接收线圈，在实际应用中，该接收线圈7与多段线圈6进行耦合获得能量；分散耦合方式参见图3所示，该方式中在机器人的双侧分别设置一个接收线圈6、7，所述接收线圈6、7串联连接。这两种方式，由于机器人运行在地面，故只能通过发射线圈的单侧磁场进行耦合，磁场利用率不高。
发明内容
针对现有技术中随着移动负载对动态无线充电功能的迫切需求和地面式巡检机器人只能通过发射线圈的单侧磁场进行耦合，磁场利用率不高的缺陷，本发明采用如下技术手段：
挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，，包括：用于产生磁场的多个发射线圈1和两个用于与所述的磁场耦合并产生感应电动势的接收线圈2，所述的多个发射线圈1呈一字型排列，所述的装置还包括：磁芯5；所述的磁芯5的横截面为凹字型，所述的发射线圈1插入所述的磁芯5的凹槽中，所述的两个接收线圈2对称固定于所述的磁芯5的两个内侧壁上，所述两个接收线圈2串联连接，所述的两个接收线圈2与所述的发射线圈1平行。
进一步，所述的装置还包括：外壳；所述的外壳与所述的磁芯5形状一致，且包裹住所述的磁芯5和接收线圈2。
进一步，所述的外壳分为内侧壳4和外侧壳3；所述的内侧壳4的横截面为U型，位于所述的磁芯5的凹槽内、覆盖所述两个接收线圈2，所述的外侧壳3覆盖在所述的磁芯5外侧，且与所述内侧壳4形成封闭壳体。
进一步，所述的内侧壳4朝向所述接收线圈2的侧壁上固定有线圈支架，用于支撑所述的接收线圈2。
进一步，所述的发射线圈1为矩形线圈。
进一步，所述的发射线圈1的长为400mm，宽为48mm，线径为5.5mm。
进一步，所述的接收线圈2为单层四匝结构，所述发射线圈1为单层四匝结构。
进一步，所述的发射线圈1与所述的内侧壳4的底部距离为7.5mm，与侧壁的距离为7.5mm。
进一步，所述的外壳采用亚克力材质制作。
进一步，所述的磁芯5采用铁基纳米晶制作。
本发明的有益之处在于：
1.本申请将现有的地面式耦合系统更改为空中的挂轨式耦合系统，沿空中导轨设置发射线圈，通过在发射线圈两边分别设置接收线圈，实现了供电形式，增加了发射线圈产生的磁场的利用效率，解决了现有技术中存在的只能通过发射线圈的单侧磁场进行耦合，磁场利用率不高的问题；并且采用该结构的巡检机器人能够实现在空中沿导轨自由移动而不受结构的限位。
2.磁芯采用铁基纳米晶为带材，首先，铁基纳米晶厚度为1微米到1毫米不等，轻薄易取用，可随意剪裁，粘贴，相比现有技术中采用普通的铁氧体磁芯，更利于轻便设计，降低重量；其次铁基纳米晶拥有1.2T的饱和磁密，相比铁氧体0.4T的饱和磁密，具有优良的性能；最后，铁基纳米晶带材韧性好，不易断裂撕裂，但铁氧体材质脆，在较强的碰撞和震动下易折断和粉碎。
基于本发明的设计初衷，采用挂轨式设计的，采用铁基纳米晶为带材的磁芯重量轻，减小在实际应用中其作为机器人的一部分，降低负载重量、减小能量损耗；
采用铁基纳米晶为带材的磁芯韧性好且不易断裂撕裂，因为机器人工作是运行状态，所以在机器人工作时，该特性避免了出现磕碰情况下，与机器人一起运动的磁芯发生断裂、折断和撕裂的问题，增加了耦合装置的可靠性。
3.采用本发明提供的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置的巡检机器人、摄像机或照射灯等能够获得更大的采用地面结构探侧不到的视野；不限于路况，更适用于环境恶劣的现场；对其的控制系统简单，由于运行轨迹固定，只需要动力系统控制，不需要复杂的地面位置实施监控和控制。
4.根据本发明提供的装置合理设计巡检机器人、摄像机或照射灯等，能够利用发射线圈的双侧磁场以提高耦合程度，进一步减小磁耦合机构的体积，降低了成本。
适用于检侧轨迹固定的现场，如变电站检侧、边疆巡防等。
附图说明
图1为背景技术中提到的动态无线供电系统基本结构示意图；
图2和3为背景技术中提到的地面式巡检机器人耦合系统示意图；
其中，6为多线段圈，7和8为装载在机器人双侧的串联接收线圈；
图4为实施方式一中提到的挂轨式巡检机器人示意图；
图5为实施方式二中提到的对称平板型耦合系统示意图；
图6为图4的主视图；
图7为实施方式一中提到的磁芯尺寸示意图；
其中，尺寸的单位为mm；
图8为实施方式二中提到的外壳安装在所述的铁芯上的示意图；
图9为图7示意的外壳安装在所述的铁芯上的状态下和发射线圈的位置示意图；
图10为实施方式四中提到的内侧壳的示意图；
其中，1为发射线圈，2为接收线圈，3为外侧壳，4为内侧壳，5为磁芯。
具体实施方式
为使本发明的技术方案及优点表述更清楚，下面将结合附图对本发明的若干具体实施方式作进一步地详细描述，但下面所述的各个实施方式仅是本申请所要求保护的一部分具体方案，而不是全部的方案。
实施方式一、参见图5-7说明本实施方式，本实施方式提供了挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，包括：用于产生磁场的多个发射线圈1和两个用于与所述的磁场耦合并产生感应电动势的接收线圈2，所述的多个发射线圈1呈一字型排列，其特征在于，所述的装置还包括：磁芯5；所述的磁芯5的横截面为凹字型，所述的发射线圈1插入所述的磁芯5的凹槽中，所述的两个接收线圈2对称固定于所述的磁芯5的两个内侧壁上，所述两个接收线圈2串联连接，所述的两个接收线圈2与所述的发射线圈1平行。
其中，发射线圈1用于通入高频交流电一产生高频磁场，悬挂于导轨之下；所述的接收线圈2用于与高频磁场进行耦合，产生感应电动势。
由于挂轨式巡检机器人载荷能力有限，所以对于额外增加无线充电的装置而言，重量越小越好，本设计尽可能磁耦合机构中磁芯做薄做小，磁芯的重量仅为61.46g；
芯的截面为凹字型，由于所使用的材料为铁基纳米晶带材，所以可以将磁芯贴附与外壳体内表面，内壳体作为两个接收线圈的支架，将线圈缠绕于内壳体两侧，两个线圈串联，之后将内壳体从前端推入外壳体内部，之后可以通过胶水或者螺丝将内侧壳体与外侧壳体固定连接，防止在巡行过程中因震动导致的内壳滑出；
参见图7，所述的磁性的长度为110mm，高度为60mm，内径宽度为28.6mm，厚度为0.5毫米，顶部向内延伸部分宽度为4.3mm。
本实施方式所述的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，是为了适应挂轨式机器人而设计的，采用本实施方式所述的装置进行供电并运行的机器人的工作状态参见图4所示，挂轨式机器人的悬挂端悬挂在挂轨中，本实施方式中的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置嵌入在挂轨轨道的下方，所述装置的接收线圈与挂轨机器人的悬挂端固定连接，供电端与本实施方式所述装置的发射线圈连接，在工作状态中，所述挂轨机器人沿挂轨滑动，与其固定连接的接收线圈随之运动，接收线圈与嵌在挂轨下方的发射线圈的所产生的磁场进行耦合实现发电。采用该结构的巡检机器人能够实现在空中沿导轨自由移动而不受结构的限位。
本实施方式的有益之处在于：多段式发射线圈，可以采用分段通电控制，即：根据挂轨机器人的位置实现分段通电控制保证供电功能，在保证了供电功能的前提下达到了电能的充分利用，避免了电能的浪费；接收线圈位于发射线圈两侧，同时利用双侧磁场，磁场利用率高。
实施方式二、参见图8-9说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置的进一步限定，所述的装置还包括：外壳；所述的外壳与所述的磁芯5形状一致，且包裹住所述的磁芯5和接收线圈2。
其中，外壳的厚度为1.5mm。
本实施方式的有益之处在于：增加了外壳的设计，使得接收线圈和磁芯得到保护，在所述的装置进行工作的过程中，因为磁芯与接收线圈会在挂轨机器人的带动下进行运动，避免在运动的过程中因为挂轨机器人的震动或倾斜导致磁芯与接收线圈与发射线圈或挂轨机器人的固定端零件产生摩擦或刮碰，增加磁芯与接收线圈的使用寿命，也增加了所述装置的稳定性。
实施方式三、参见图8-9说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二提供的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置的进一步限定，所述的外壳分为内侧壳4和外侧壳3；所述的内侧壳4的横截面为U型，位于所述的磁芯5的凹槽内、覆盖所述两个接收线圈2，所述的外侧壳3覆盖在所述的磁芯5外侧，且与所述内侧壳4形成封闭壳体。
本实施方式所述的外壳采用分体设计，方便工艺安装。
实施方式四、参见图10说明本实施方式，本实施方式是对实施方式三提供的挂轨式无线充电对称平板型耦合装置的进一步限定，所述的内侧壳4朝向所述接收线圈2的侧壁上固定有线圈支架，用于支撑所述的接收线圈2。
本实施方式的有益之处在于：本实施方式在内侧壳4上设置了线圈支架，用于支撑接收线圈2，接收线圈2在实际应用中是处于运动状态的，增加该线圈支架之后，避免在运动过程中接收线圈2位置变化影响耦合效率，提高了耦合装置的稳定性。
实施方式五、参见图5-6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置的进一步限定，所述的发射线圈1为矩形线圈。
本实施方式的有益之处在于：矩形线圈的加工工艺、固定工艺更简单，为整体装置的加工降低成本，缩短加工时间。
实施方式六、参见图5-6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五提供的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置的进一步限定，所述的发射线圈1的长为400mm，宽为48mm，线径为5.5mm。
每个发射线圈1的距离为50mm。
具体的：发射线圈1的参数如表1：
表1发射线圈线型
实施方式七、本实施方式是对实施方式一提供的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置的进一步限定，所述的接收线圈2为单层四匝结构，所述发射线圈1为单层四匝结构。
实施方式八、参见图8说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二提供的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置的进一步限定，所述的发射线圈1与所述的内侧壳4的底部距离为7.5mm，与侧壁的距离为7.5mm。
实施方式九、参见图8说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二提供的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置的进一步限定，所述的外壳采用亚克力材质制作。
本实施方式的有益之处在于，采用的亚克力材料轻且不导磁，不会影响耦合装置的磁场耦合。
实施方式十、参见图8说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置的进一步限定，所述的磁芯5采用铁基纳米晶制作。
本实施方式的有益之处在于，采用的铁基纳米晶具有铁基纳米晶利于轻便设计，降低重量；拥有1.2T的饱和磁密，具有优良的性能；韧性好，不易断裂撕裂；基于本发明的设计初衷，采用挂轨式设计的，采用铁基纳米晶为带材的磁芯重量轻，减小在实际应用中其作为机器人的一部分，降低负载重量、减小能量损耗。
以上通过具体实施方式对本申请进行详细说明，但以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则范围之内所作的任何修改、实施方式的组合、等同替换和改进等，均应当包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，包括：用于产生磁场的多个发射线圈(1)和两个用于与所述的磁场耦合并产生感应电动势的接收线圈(2)，所述的多个发射线圈(1)呈一字型排列，其特征在于，所述的装置还包括：磁芯(5)；所述的磁芯(5)的横截面为凹字型，所述的发射线圈(1)插入所述的磁芯(5)的凹槽中，所述的两个接收线圈(2)对称固定于所述的磁芯(5)的两个内侧壁上，所述两个接收线圈(2)串联连接，所述的两个接收线圈(2)与所述的发射线圈(1)平行。
2.根据权利要求1所述的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，其特征在于，所述的装置还包括：外壳；所述的外壳与所述的磁芯(5)形状一致，且包裹住所述的磁芯(5)和接收线圈(2)。
3.根据权利要求2所述的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，其特征在于，所述的外壳分为内侧壳(4)和外侧壳(3)；所述的内侧壳(4)的横截面为U型，位于所述的磁芯(5)的凹槽内、覆盖所述两个接收线圈(2)，所述的外侧壳(3)覆盖在所述的磁芯(5)外侧，且与所述内侧壳(4)形成封闭壳体。
4.根据权利要求3所述的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，其特征在于，所述的内侧壳(4)朝向所述接收线圈(2)的侧壁上固定有线圈支架，用于支撑所述的接收线圈(2)。
5.根据权利要求1所述的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，其特征在于，所述的发射线圈(1)为矩形线圈。
6.根据权利要求5所述的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，其特征在于，所述的发射线圈(1)的长为400mm，宽为48mm，线径为5.5mm。
7.根据权利要求1所述的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，其特征在于，所述的接收线圈(2)为单层四匝结构，所述发射线圈(1)为单层四匝结构。
8.根据权利要求3所述的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，其特征在于，所述的发射线圈(1)与所述的内侧壳(4)的底部距离为7.5mm，与侧壁的距离为7.5mm。
9.根据权利要求2所述的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，其特征在于，所述的外壳采用亚克力材质制作。
10.根据权利要求1所述的挂轨式动态无线充电对称平板型耦合装置，其特征在于，所述的磁芯(5)采用铁基纳米晶制作。
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