CN114551067B - 一种多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，包括偶极发射线圈、两个以上的偶极接收线圈以及机架，所述偶极发射线圈、偶极接收线圈安装在机架上；所述偶极接收线圈沿偶极发射线圈周向分布，同时所述偶极接收线圈的中心轴到偶极发射线圈的中心轴的距离均相等；所述偶极接收线圈绕偶极发射线圈的中心轴旋转，本发明不仅能够实现一对多传输，而且自由度、灵活度、总传输效率高。

Description

一种多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，具体地，涉及一种能够实现多自由度多负载“摩天轮式”无线电能传输耦合机构。
背景技术
随着大功率电动汽车、无线智能传感器和便携式电子设备等在人类的生产生活中快速普及，人们对于用电设备能够绿色稳定、方便快捷以及安全高效的充电提出了更高的需求。大部分设备仍然需要手动插入有线充电系统进行能量补给，但这种传统导线充电方式存在诸多缺点，比如接触点频繁插拔易破损、传输媒质长期使用易老化和难以实现防水防尘，存在较大的安全隐患。而无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)彻底摆脱导线的束缚，能够显著提升用户体验，具有高安全性、高灵活性、易操作性和低维护率等诸多优点。近年来该技术得到国内外工业界和学术界的广泛关注，成为电工技术领域研究的热点之一。
传统无线电能传输技术多聚焦于二维平面传输系统的研究，即发射线圈总是平行于接收线圈。然而，在一些特殊的应用场景中，接收线圈不可避免地会在空间中出现移动或者转动的情况，当存在较大的横向偏移或者角度偏移时，有可能导致系统的传输性能急剧下降，极大降低了系统的可靠性和灵活性。此外，二维平面无线电能传输系统也难以满足多负载能量接收需求。当二维平面传输系统中存在多个负载接收端时，发射端的大部分能量会耦合传输至距离最近的接收端，这将导致其他接收线圈接收到的功率极小，甚至无法满足正常工作要求。再者，也会给多接收线圈的空间分布带来困难。
对于传统“一对一”无线电能传输系统，诸多专家学者开展了大量深入的研究工作并取得了丰硕的成果。然而，随着具有无线电能接收功能的电子设备日益增多，“一对一”无线电能传输系统已经远远不能满足实际应用的需求，主要存在以下两个不足：(1)单一负载无线电能传输，系统利用率低；(2)拾取机构对传输方向极为敏感，自由度低。而“一对多”无线充电技术的研究往往局限于二维平面供电，例如，将智能手机、手表和其他移动式电子设备放置在同一平面充电板上，这将导致在充电过程中不能自由使用而造成极大不便。因此，如何实现无线电能传输系统在多负载多自由度的高效稳定能量传输是无线电能传输技术亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：为了解决充电负载单一、抗偏移性较差和灵活度较低的问题，本发明提供一种多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，本发明不仅能够实现“一对多”传输，而且自由度、灵活度、总传输效率高。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，包括偶极发射线圈、两个以上的偶极接收线圈以及机架，所述偶极发射线圈、偶极接收线圈安装在机架上；所述偶极接收线圈沿偶极发射线圈周向分布，同时所述偶极接收线圈的中心轴到偶极发射线圈的中心轴的距离均相等；所述偶极接收线圈绕偶极发射线圈的中心轴旋转。
优选的：所述偶极接收线圈沿偶极发射线圈周向均匀分布。
优选的：所述机架上设置有发射线圈绕制开口槽，所述偶极发射线圈的利兹线或金属丝绕制在发射线圈绕制开口槽内。
优选的：所述偶极发射线圈通过利兹线或金属丝绕制在铁氧体上构成偶极线圈；所述偶极接收线圈通过利兹线或金属丝绕制在铁氧体上构成偶极线圈。
优选的：所述偶极接收线圈铁氧体的总长度大于其绕制利兹线或金属丝的总宽度。
优选的：所述偶极发射线圈的个数为一个，偶极接收线圈的个数为两个，当两个偶极接收线圈的无线电能传输处于谐振状态时，一发射线圈两接收线圈的传输效率：
Figure BDA0003527497510000021
其中，η为一发射线圈两接收线圈的传输效率，ω0为系统的谐振频率，M为两线圈之间的互感，RL为系统的负载电阻，R1为发射线圈电阻，R2为接收线圈的电阻；
一发射线圈两接收线圈的最优负载：
Figure BDA0003527497510000022
其中，RLopt为一发射线圈两接收线圈的最优负载。
优选的：系统整体传输效率：
Figure BDA0003527497510000023
Figure BDA0003527497510000031
其中，PTE表示系统整体传输效率，n表示接收线圈个数，ZRi表示第i个发射线圈在接收线圈端的映射阻抗，RLi表示第i个接收端的负载电阻，Ri表示第i个接收线圈的内阻，Rt表示发射线圈内阻，ω表示工作频率，Mti表示发射线圈与第i个接收线圈互感。
优选的：所述偶极发射线圈的线圈圈数为30～100；所述偶极接收线圈的线圈圈数为10～100。
优选的：所述机架由亚克力或玻璃制品制成。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明所提供的能够实现多自由度多负载“摩天轮式”无线电能传输耦合机构，能够提高其带载能力，实现“一对多”传输；提升系统传输自由度，灵活度，抗偏移性；同时有效提升其电磁安全性；该耦合机构复制性强，高效灵活，在立体式电动汽车无线充电、物联网智能传感器和无人机群无线充电平台充电中具有广阔的应用前景。将该耦合机构在四接收线圈无线输电装置，总传输效率可达80％以上。
2.本发明中，利用铁氧体软磁材料高饱和磁感应强度，高磁导率、低矫顽力性能，将利兹线绕制在铁氧体上，对电磁场起到引导作用，相对于空芯线圈，能增强有效耦合范围，减少漏磁，提升传输效率，增大传输功率，提高传输距离，实现中远距离传输。
附图说明
图1是本发明提供的一种能够实现多自由度多负载“摩天轮式”无线电能耦合机构结构示意图；
图2是偶极线圈和空芯线圈之间电磁场分布对比图；
图3是偶极线圈耦合系数随传输距离之间的传输关系变化图；
图4是偶极线圈电感和磁感应强度随线圈圈数和线圈长度变化图；
图5是“一发射-两接收”偶极线圈无线电能传输系统磁场分布图；
图6是“一发射-两接收”无线电能传输系统最优负载分析图；
图7为接收线圈数量分别为一到四，无线电能传输系统效率随距离变化和负载个数变化图；
图8为接收线圈数量分别为一到四，无线电能传输系统功率分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，如图1所示，包括偶极发射线圈1、两个以上的偶极接收线圈2以及机架3，所述偶极发射线圈1、偶极接收线圈2安装在机架3上；所述偶极接收线圈2沿偶极发射线圈1周向均匀分布，同时所述偶极接收线圈2的中心轴到偶极发射线圈1的中心轴的距离均相等；所述偶极接收线圈2绕偶极发射线圈1的中心轴旋转。
所述偶极发射线圈1通过利兹线或金属丝绕制在铁氧体上构成偶极线圈，即将利兹线绕制于铁氧体上，形成长条形“类螺线管”线圈，所述偶极发射线圈1的线圈圈数为30～100，铁氧体尽可能铺满整个耦合机构装置，线圈尽可能保持密绕，不论匝数多少，均为一层。
所述偶极接收线圈2通过利兹线或金属丝绕制在铁氧体上构成偶极线圈。所述偶极接收线圈2的线圈圈数为10～100。铁氧体的总长度大于绕制利兹线或金属丝的总宽度。金属线或者利兹线的线径为0.05mm～0.5mm。
所述机架3上设置有发射线圈绕制开口槽，所述偶极发射线圈1的利兹线或金属丝绕制在发射线圈绕制开口槽内。
所述机架3由亚克力或玻璃制品制成，铁氧体放置在亚克力基板内且固定，亚克力板表面开槽，导线包含铜线、铁线圈、漆包线或者利兹线；所述偶极发射/接收线圈固定于线圈槽内。偶极发射线圈1置于“摩天轮”装置中心轴，偶极接收线圈置于该装置四周，均匀分布且与中心轴的距离相同。发射/接收线圈固定于亚克力等玻璃线槽内。
所述偶极发射线圈1的线圈之间的间距、匝数、绕制位置以及铁氧体的长度、厚度、堆叠层数都是不断优化得来，其理论依据为有限元数值仿真，目的是为了实现偶极发射线圈发射磁场均匀，高磁场强度。
所述偶极接收线圈2不能大于偶极发射线圈1，保证接收端的结构紧凑性和小型化，且形态与发射线圈一致，均匀偶极线圈构成，同时提高自由度，有充分的活动空间。
偶极发射线圈置于耦合机构支架中心轴承内，多个偶极发射线圈置于耦合机构支架边缘，与发射线圈等距放置，整个装置可按要求旋转不停机工作。所述偶极接收线圈为多个线圈，并呈现分布均匀放置状态，实现系统“一对多”充电性能。
图2为是偶极线圈和空芯线圈之间电磁场分布对比图。如图2所示，当通入相同的电流，线圈中插入铁氧体磁芯后，接收端磁场明显增强。换言之，相较于空芯线圈，偶极线圈之间的磁耦合更强，则相应的传输效率也会更高。
图3是偶极线圈耦合系数随传输距离之间的传输关系变化图；两线圈之间的耦合系数直接反映线圈之间耦合能力的强弱，为了定量分析铁氧体对线圈传输性能的影响，利用三维电磁仿真软件ANSYS MAXWELL进行模拟仿真。这是因为铁氧体对电磁场有聚集效应，偶极线圈之间的耦合系数难以用常规的数值计算方法得到。如图3所示，在线圈匝数相同的条件下，耦合系数随传输距离的增大均减少，含铁氧体的偶极线圈耦合系数比空芯线圈大几十倍。
图4是偶极线圈电感和磁感应强度随线圈圈数和线圈长度变化图；对于偶极线圈，线圈的匝数和磁芯的长度直接影响线圈的自感大小和磁场的强弱。利用软件仿真偶极线圈自感随线圈匝数和磁芯长度的变化情况，并选定偶极线圈中心点为参考点，仿真该点磁场大小变化情况，如图4所示。可以看到，线圈的自感和铁氧体中心的磁感应强度随着匝数和磁芯长度的增大而不断增强。进一步仿真也可得到耦合系数随着线圈匝数和磁芯长度基本不变化。因此，在铁氧体磁芯长度固定且不超过铁氧体磁芯的饱和磁通情况下，线圈匝数越多，磁芯长度越长，产生的磁场越大，传输效率也越高。
图5是“一发射-两接收”偶极线圈无线电能传输系统磁场分布图；可以看到，磁芯的引入极大地增强了发射线圈两个接收线圈之间的耦合，两个接收线圈使发射磁场更好地聚焦，并且减少了发射线圈漏磁现象，保证了系统电磁安全性。
图6是“一发射-两接收”无线电能传输系统最优负载分析图；如图6所示，两接收线圈无线电能传输系统不同传输距离下传输效率随两个负载值变化的曲线图，其目的是为了探究多接收线圈在不同距离下的最优负载特性。所述偶极发射线圈1的个数为一个，偶极接收线圈2的个数为两个，当两个偶极接收线圈2的无线电能传输处于谐振状态时，一发射线圈两接收线圈的传输效率：
Figure BDA0003527497510000051
其中，η为一发射线圈两接收线圈的传输效率，ω0为系统的谐振频率，M为两线圈之间的互感，RL为系统的负载电阻，R1为发射线圈电阻，R2为接收线圈的电阻。
当耦合系数一定时，存在最优负载使得传输效率达到最大值。
令
Figure BDA0003527497510000052
一发射线圈两接收线圈的最优负载为：
Figure BDA0003527497510000053
其中，RLopt为一发射线圈两接收线圈的最优负载。
对于“一发射-两接收”线圈，直接求解，计算公式相当复杂，一般采用MATLAB进行数值计算，从图6中可以看到，当两个接收线圈与发射线圈距离为20cm时，此时传输效率最大为67.92％，对应的最优负载值为RL1＝RL2＝1.1Ω。同时，当两个负载在某一范围内变化时，传输效率仍能保持较高的输出水平，尤其是负载值略大于最优负载的情况，效率值几乎与最大效率相差不大。
图7为接收线圈数量分别为一到四，无线电能传输系统效率随距离变化和负载个数变化图；图7显示了在不同传输距离下，不同负载数量的无线电能传输系统的总效率。根据反射理论可知，系统整体传输效率：
Figure BDA0003527497510000061
Figure BDA0003527497510000062
其中，PTE表示系统整体传输效率，n表示接收线圈个数，ZRi表示第i个发射线圈在接收线圈端的映射阻抗，RLi表示第i个接收端的负载电阻，Ri表示第i个接收线圈的内阻，Rt表示发射线圈内阻，ω表示工作频率，Mti表示发射线圈与第i个接收线圈互感。
从公式和图7都可以看出，在负载数一定的情况下，效率随着传输距离的增加而迅速降低，在传输距离一定的情况下，可以通过提供更多的负载来提高系统的总效率。当接收磁偶极子线圈的总平均长度为120mm时，当同时提供4个负载时，系统的总效率可达86％。
图8为分别有一至四个接收线圈时，无线电能传输系统功率分布图。如图8所示，当传输距离为120mm时各负载效率和功率(此处输入电流为1A)的分布。各负荷的功率会随着负荷数量的增加而降低，但总体总负荷功率会提高。总输出负载功率可超过30W，输入电流维持在1A，同时提供4个负载。
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 (8)

1.一种多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，其特征在于：包括偶极发射线圈（1）、两个以上的偶极接收线圈（2）以及机架（3），所述偶极发射线圈（1）、偶极接收线圈（2）安装在机架（3）上；所述偶极接收线圈（2）沿偶极发射线圈（1）周向分布，同时所述偶极接收线圈（2）的中心轴到偶极发射线圈（1）的中心轴的距离均相等；所述偶极接收线圈（2）绕偶极发射线圈（1）的中心轴旋转；
所述偶极发射线圈（1）通过利兹线或金属丝绕制在铁氧体上构成偶极线圈；所述偶极接收线圈（2）通过利兹线或金属丝绕制在铁氧体上构成偶极线圈。
2.根据权利要求1所述多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，其特征在于：所述偶极接收线圈（2）沿偶极发射线圈（1）周向均匀分布。
3.根据权利要求2所述多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，其特征在于：所述机架（3）上设置有发射线圈绕制开口槽，所述偶极发射线圈（1）的利兹线或金属丝绕制在发射线圈绕制开口槽内。
4.根据权利要求3所述多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，其特征在于：所述偶极接收线圈（2）的铁氧体的总长度大于偶极接收线圈（2）的绕制利兹线或金属丝的总宽度。
5.根据权利要求1所述多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，其特征在于：所述偶极发射线圈（1）的个数为一个，偶极接收线圈（2）的个数为两个，当两个偶极接收线圈（2）的无线电能传输处于谐振状态时，一发射线圈两接收线圈的传输效率：
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_2
为一发射线圈两接收线圈的传输效率，
Figure QLYQS_3
为系统的谐振频率，
Figure QLYQS_4
为两线圈之间的互感，
Figure QLYQS_5
为系统的负载电阻，
Figure QLYQS_6
为发射线圈电阻，
Figure QLYQS_7
为接收线圈的电阻；
一发射线圈两接收线圈的最优负载：
Figure QLYQS_8
其中，
Figure QLYQS_9
为一发射线圈两接收线圈的最优负载。
6.根据权利要求5所述多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，其特征在于：系统整体传输效率：
Figure QLYQS_13
Figure QLYQS_17
其中，
Figure QLYQS_21
表示系统整体传输效率，
Figure QLYQS_11
表示接收线圈个数，
Figure QLYQS_14
表示第
Figure QLYQS_18
个发射线圈在接收线圈端的映射阻抗，
Figure QLYQS_22
表示第
Figure QLYQS_10
个接收端的负载电阻，
Figure QLYQS_16
表示第
Figure QLYQS_20
个接收线圈的内阻，
Figure QLYQS_23
表示发射线圈内阻，
Figure QLYQS_12
表示工作频率，
Figure QLYQS_15
表示发射线圈与第
Figure QLYQS_19
个接收线圈互感。
7.根据权利要求6所述多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，其特征在于：所述偶极发射线圈（1）的线圈圈数为30~100；所述偶极接收线圈（2）的线圈圈数为10~100。
8.根据权利要求7所述多自由度多负载摩天轮式无线电能传输耦合机构，其特征在于：所述机架（3）由亚克力或玻璃制品制成。
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