CN115664042A - 一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能信号同传技术领域，具体公开了一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，包括发射端和接收端。发射端包括由下至上顺序叠置的原边第一路线圈11、原边第二路线圈12和原边第三路线圈13，接收端包括由上至下顺序叠置的副边第一路线圈21、副边第二路线圈22和副边第三路线圈23。本发明将三路磁耦合线圈嵌入到一个工装内，节省了无线电能传输设备的安装面积；在耦合机构环节添加了无线信号传输功能冗余功能，其中一路信号传输通路出现故障时，另一路能正常工作，确保信息交互无间断；无线电能、无线信号同传且互不干扰；3路通道可同时工作。

Description

一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构

技术领域

本发明涉及无线电能信号同传技术领域，尤其涉及一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构。

背景技术

高集成度的无线设备要求电能传输的同时满足信息交互，比如申请号CN202011327325.2所示的《一种能量信号同传结构及动态无线能量传输系统》方案中，针对能量传输与信号传输，分别采用不同的线圈，并使得各侧的能量线圈与信号线圈相互解耦，从而使得能量传输与信号传输互不影响。还比如申请号CN202010895860.1所示的《基于双侧LCC的全双工WPT能量信号并行传输系统》方案中，能量与信号共用一组线圈，通过添加阻波网络的方式使得能量传输与信号传输互不干扰。

为确保信号传输有一定抗风险能力，往往要求无线信号传输具备应急保障功能，即一路信号传输通路出现故障后，信息交互系统能持续工作。但目前的技术仅能实现能量和信号两路同传。

发明内容

本发明提供一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，解决的技术问题在于：如何实现能量和信号三路同传。

为解决以上技术问题，本发明提供一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，包括发射端和接收端；所述发射端包括任意顺序叠置的原边第一路线圈、原边第二路线圈和原边第三路线圈，所述接收端包括任意顺序叠置的副边第一路线圈、副边第二路线圈和副边第三路线圈，所述原边第一路线圈与所述副边第一路线圈组成第一路耦合通道，所述原边第二路线圈与所述副边第二路线圈组成第二路耦合通道，所述原边第三路线圈与所述副边第三路线圈组成第三路耦合通道；

所述原边第一路线圈、所述副边第一路线圈、所述原边第二路线圈、所述副边第二路线圈采用规格相同的8字形线圈，所述8字形线圈采用8字形绕线方式绕制，所述原边第一路线圈、所述副边第一路线圈摆放位置相同，所述原边第二路线圈、所述副边第二路线圈摆放位置相同，所述原边第一路线圈与所述原边第二路线圈摆放位置相互正交；

所述原边第三路线圈与所述副边第三路线圈采用与所述8字形线圈大小匹配的矩形线圈；

所述第一路耦合通道、所述第二路耦合通道、所述第三路耦合通道其中一路或两路作为信号传输通道，其余作为能量传输通道；三路传输通道同时或不同时工作，线路之间互不干扰。

优选的，所述第一路耦合通道作为能量传输通道，所述第二路耦合通道作为第一路信号传输通道，所述第三路耦合通道作为第二路信号传输通道。

优选的，所述第二路耦合通道作为能量传输通道，所述第一路耦合通道作为第一路信号传输通道，所述第三路耦合通道作为第二路信号传输通道。

优选的，所述第三路耦合通道作为能量传输通道，所述第一路耦合通道作为第一路信号传输通道，所述第二路耦合通道作为第二路信号传输通道。

优选的，所述原边第一路线圈、所述原边第二路线圈和所述原边第三路线圈由下至上顺序叠置，所述副边第一路线圈、所述副边第二路线圈和所述副边第三路线圈由上至下顺序叠置。

优选的，所述原边第一路线圈、所述原边第三路线圈和所述原边第二路线圈由下至上顺序叠置，所述副边第一路线圈、所述副边第三路线圈和所述副边第二路线圈由上至下顺序叠置。

优选的，所述原边第二路线圈、所述原边第一路线圈和所述原边第三路线圈由下至上顺序叠置，所述副边第二路线圈、所述副边第一路线圈和所述副边第三路线圈由上至下顺序叠置。

优选的，所述原边第二路线圈、所述原边第三路线圈和所述原边第一路线圈由下至上顺序叠置，所述副边第二路线圈、所述副边第三路线圈、所述副边第一路线圈由上至下顺序叠置。

优选的，所述原边第三路线圈、所述原边第二路线圈和所述原边第一路线圈由下至上顺序叠置，所述副边第三路线圈、所述副边第二路线圈、所述副边第一路线圈由上至下顺序叠置。

优选的，所述原边第三路线圈、所述原边第一路线圈和所述原边第二路线圈由下至上顺序叠置，所述副边第三路线圈、所述副边第一路线圈、所述副边第二路线圈由上至下顺序叠置。

本发明提供的一种能量与信号四路同传的复合磁耦合机构，搭建了三路传输通道，通过设计各路收发线圈的结构，使得发射端的发射线圈之间相互解耦，以及接收端的接收线圈之间相互解耦，使得三路通道之间的传输互不干扰，从而实现在能量传输的过程中，一路信号传输通路出现故障后，信息交互系统能持续工作。本发明：

1)将三路磁耦合线圈嵌入到一个工装内，节省了无线电能传输设备的安装面积；

2)在耦合机构环节添加了无线信号传输冗余功能，其中一路信号传输通路出现故障时，另一路能正常工作，确保信息交互无间断；

3)无线电能、无线信号同传且互不干扰；

4)3路通道可同时工作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构的叠放关系示意图；

图2是本发明实施例提供的原边第一路线圈、副边第一路线圈的位置摆放图；

图3是本发明实施例提供的原边第二路线圈、副边第二路线圈的位置摆放图；

图4是本发明实施例提供的原边第三路线圈、副边第三路线圈的位置摆放图；

图5是本发明实施例提供的能量发射线圈对第一路信号发射线圈的磁场干扰图；

图6是本发明实施例提供的能量发射线圈对第二路信号发射线圈的磁场干扰图；

图7是本发明实施例提供的第一路信号发射线圈对能量发射线圈的磁场干扰图；

图8是本发明实施例提供的第一路信号发射线圈对第二路信号发射线圈的磁场干扰图；

图9是本发明实施例提供的第二路信号发射线圈对能量发射线圈的磁场干扰图；

图10是本发明实施例提供的第二路信号发射线圈对第一路信号发射线圈的磁场干扰图。

附图标记：原边第一路线圈11、原边第二路线圈12、原边第三路线圈13、副边第一路线圈21、副边第二路线圈22、副边第三路线圈23。

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。

实施例1

本发明实施例提供一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，包括发射端和接收端。如图1所示，发射端包括由下至上顺序叠置的原边第一路线圈11、原边第二路线圈12和原边第三路线圈13，接收端包括由上至下顺序叠置的副边第一路线圈21、副边第二路线圈22和副边第三路线圈23。其中，原边第一路线圈11与副边第一路线圈21组成第一路耦合通道，原边第二路线圈12与副边第二路线圈22组成第二路耦合通道，原边第三路线圈13与副边第三路线圈23组成第三路耦合通道。

原边第一路线圈11、副边第一路线圈21、原边第二路线圈12、副边第二路线圈22采用规格相同的8字形线圈，8字形线圈采用8字形绕线方式绕制，原边第一路线圈11、副边第一路线圈21摆放位置相同，原边第二路线圈12、副边第二路线圈22摆放位置相同，原边第一路线圈11与原边第二路线圈12摆放位置相互正交。图2所示为原边第一路线圈11、副边第一路线圈21的摆放位置，图3所示为原边第二路线圈12、副边第二路线圈22的摆放位置，可以看到，两者的摆放位置相互正交(交叉90°)，这是为了实现解耦，下文详细介绍解耦是如何实现的。

如图4所示，原边第三路线圈13与副边第三路线圈23采用与8字形线圈大小匹配的矩形线圈。

图2、图3、图4中的箭头表示绕向。

为了实现良好的解耦，所有线圈的框架设置为大小相同的正方形，以重合的方式叠置在一起。

在具体应用中，第一路耦合通道、第二路耦合通道、第三路耦合通道其中一路或两路作为信号传输通道，其余作为能量传输通道；三路传输通道同时或不同时工作，线路之间互不干扰。

本例以第一路耦合通道作为能量传输通道，第二路耦合通道作为第一路信号传输通道，第三路耦合通道作为第二路信号传输通道对三路耦合通道相互解耦的原理说明。

向发射端施加交变电流I_P时，产生一个交变磁场，根据楞次定律，受到总体磁场强度不为0时，闭合线圈(接收线圈)将产生一个感应电动势U，由式(1)得，当谐振角频率ω，发射端电流IP固定情况下，该感应电动势与互感M成正比，互感M由两个能量线圈的特性决定，两个能量线圈相对角度固定、中心距离不变的情况下，互感M值仍然不变，即感应电动势不变，可实现任意角度拾取到稳定的能量。

U＝jωMI_p (1)

首先分析向能量发射线圈施加交变电流I_P1，其余5个线圈均会受能量发射线圈影响，由于每组发射线圈与接收线圈绕法一致，因此只分析能量发射线圈对第一路信号发射线圈、第二路信号发射线圈的影响即可以此类推。

如图5所示，能量发射线圈与第一路信号发射线圈呈交叉90°(正交)叠加一起，能量发射线圈与第一路信号发射线圈均是依8字形状绕制。以能量发射线圈为例，向能量发射线圈施加交变电流I_P1时，左右部分产生一个强度一致、方向相反的交变磁场；受能量发射线圈的磁场影响，第一路信号发射线圈上半部分接收到不同方向但强度一致的磁场，综合来看，在第一路信号发射线圈上半部分范围内，磁场强度为0。同理，第一路信号发射线圈下半部分范围内受能量发射线圈的交变磁场强度为0，二者相加仍然为0，即表现为互感M为0，感应电动势为0，说明能量线圈对第一路信号发射线圈的干扰为0，同理接收端分析情况类似，能量发射线圈对第一路信号接收线圈干扰同样为0。

类似的，能量发射线圈施加交变电流I_P1时，第二路信号发射线圈受到的磁场干扰如图6所示，第二路信号线圈范围受到能量发射线圈产生的左右两部分强度一致、方向相反的磁场干扰，综合磁场强度为0，表现为互感M为0，感应电动势U为0，同理接收端分析情况类似，能量发射线圈对第二路信号接收线圈干扰同样为0。

综上，能量发射线圈对第二路信号线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。实际应用中，当能量线圈传输能量时，与第二路信号线圈连接的调制解调电路不会接收到无实际意义的干扰信号，保证了信息交互的准确性。

类似的，以第一路信号发射线圈为例，如图7所示，向第一路信号发射线圈施加交变电流I_P2时，上下部分产生一个强度一致、方向相反的交变磁场；受第一路信号线圈的磁场影响，能量发射线圈左半部分接收到不同方向但强度一致的磁场，综合来看，在能量发射线圈左半部分范围内，磁场强度为0。同理，能量发射线圈右半部分范围内受第一路信号发射线圈的交变磁场强度为0，二者相加仍然为0，表现为互感M为0，感应电动势为0，说明第一路信号线圈对能量发射线圈的干扰为0，同理接收端分析情况类似，第一路信号发射线圈对能量接收线圈干扰同样为0。

综上，第一路信号发射线圈对能量线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。实际应用中，当第一路信号线圈传输信号时，与能量发射线圈连接的逆变电路元器件不会因此损伤，与能量接收线圈连接的整流电路不会因此启动从而对后续电路误触发。

类似的，第一路信号发射线圈施加交变电流I_P2时，第二路信号发射线圈受到的磁场干扰如图8所示，第二路信号发射线圈范围内受到第一路信号发射线圈产生的上下两部分强度一致、方向相反的磁场干扰，综合磁场强度为0，表现为互感M为0，感应电动势U为0，同理接收端分析情况类似，第一路信号发射线圈对第二路信号接收线圈干扰同样为0。

综上，第一路信号发射线圈对第二路信号线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。实际应用中，当第一路信号线圈传输信号时，与第二路信号线圈连接的调制解调电路不会接收到无实际意义的干扰信号，保证了信息交互的准确性。

图9中，第二路信号发射线圈施加交变电流I_P3时，能量发射线圈受第二路信号线圈的磁场影响，根据楞次定律，能量发射线圈左半部分产生一个方向向上的磁场，即产生一个逆时针方向的电流I_3-1；同理，能量发射线圈右半部分产生一个方向向上的磁场，即产生一个逆时针方向的电流I_3-2，两部分感应电流大小相等。由于能量发射线圈是反向绕制，因此顺着能量发射线圈绕制的方向看，I3-1与I3-2方向相反，即总的感应电动势为0，由此可认为第二路信号发射线圈对能量发射线圈的干扰电压为0。同理接收端分析情况类似，第二路信号发射线圈对能量接收线圈干扰同样为0。

综上，第二路信号发射线圈对能量线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。实际应用中，当第二路信号线圈传输信号时，与能量发射线圈连接的逆变电路元器件不会因此损伤，与能量接收线圈连接的整流电路不会因此启动从而对后续电路误触发。

图10中，第二路信号发射线圈施加交变电流I_P3时，第一路信号发射线圈受第二路信号发射线圈的磁场影响，根据楞次定律，第一路信号发射线圈上半部分产生一个方向向上的磁场，即产生一个逆时针方向的电流I_3-3；同理，第一路信号发射线圈下半部分产生一个方向向上的磁场，即产生一个逆时针方向的电流I_3-4，两部分感应电流大小相等。由于第一路信号发射线圈是反向绕制，因此顺着第一路信号发射线圈绕制的方向看，I_3-3与I_3-4方向相反，即总的感应电动势为0，由此可认为第二路信号发射线圈对第一路信号发射线圈的干扰电压为0。同理接收端分析情况类似，第二路信号发射线圈对第一路信号接收线圈干扰同样为0。

综上，第二路信号发射线圈对第一路信号线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。实际应用中，当第二路信号线圈传输信号时，与第一路信号线圈连接的调制解调电路不会接收到无实际意义的干扰信号，保证了信息交互的准确性。

综上分析可知，本文提出的能量与信号三路同传的复合磁耦合机构中，三对线圈中的任意一对线圈工作时，不影响其它两对线圈；具备能量与信号同传的功能；具备信号传输冗余设计，即一路信号传输通道出现故障时，另一路信号传输通道能正常工作不受影响；3路通道可同时工作。

还需说明的是，本例以三路通道其中一路用作能量传输，另两路用作信息传输，在其他实施方式中，也可两路通道用作能量传输，一路用作信息传输，根据具体需求而定。而信息传输时发射端的信号线圈可做信号发射线圈也可做信号接收线圈，根据具体应用需求设置。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：

原边第一路线圈11、原边第三路线圈13和原边第二路线圈12由下至上顺序叠置，副边第一路线圈21、副边第三路线圈23和副边第二路线圈22由上至下顺序叠置。

在本实施例中，与实施例1同样的，一路通道用作能量传输，其余两路通道用作信息传输，通道之间互不干扰。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：

原边第二路线圈12、原边第一路线圈11和原边第三路线圈13由下至上顺序叠置，副边第二路线圈22、副边第一路线圈21和副边第三路线圈23由上至下顺序叠置。

在本实施例中，与实施例1同样的，一路通道用作能量传输，其余两路通道用作信息传输，通道之间互不干扰。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于：

原边第二路线圈12、原边第三路线圈13和原边第一路线圈11由下至上顺序叠置，副边第二路线圈22、副边第三路线圈23、副边第一路线圈21由上至下顺序叠置。

在本实施例中，与实施例1同样的，一路通道用作能量传输，其余两路通道用作信息传输，通道之间互不干扰。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于：

原边第三路线圈13、原边第二路线圈12和原边第一路线圈11由下至上顺序叠置，副边第三路线圈23、副边第二路线圈22、副边第一路线圈21由上至下顺序叠置。

在本实施例中，与实施例1同样的，一路通道用作能量传输，其余两路通道用作信息传输，通道之间互不干扰。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于：

原边第三路线圈13、原边第一路线圈11和原边第二路线圈12由下至上顺序叠置，副边第三路线圈23、副边第一路线圈21、副边第二路线圈22由上至下顺序叠置。

在本实施例中，与实施例1同样的，一路通道用作能量传输，其余两路通道用作信息传输，通道之间互不干扰。

上述实施例仅列出了发射端和接收端的线圈叠置为对称设置的情形，但对于发射端和接收端，线圈的叠置顺序可任意设置。

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)

1.一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，其特征在于，包括发射端和接收端；所述发射端包括任意顺序叠置的原边第一路线圈(11)、原边第二路线圈(12)和原边第三路线圈(13)，所述接收端包括任意顺序叠置的副边第一路线圈(21)、副边第二路线圈(22)和副边第三路线圈(23)，所述原边第一路线圈(11)与所述副边第一路线圈(21)组成第一路耦合通道，所述原边第二路线圈(12)与所述副边第二路线圈(22)组成第二路耦合通道，所述原边第三路线圈(13)与所述副边第三路线圈(23)组成第三路耦合通道；

所述原边第一路线圈(11)、所述副边第一路线圈(21)、所述原边第二路线圈(12)、所述副边第二路线圈(22)采用规格相同的8字形线圈，所述8字形线圈采用8字形绕线方式绕制，所述原边第一路线圈(11)、所述副边第一路线圈(21)摆放位置相同，所述原边第二路线圈(12)、所述副边第二路线圈(22)摆放位置相同，所述原边第一路线圈(11)与所述原边第二路线圈(12)摆放位置相互正交；

所述原边第三路线圈(13)与所述副边第三路线圈(23)采用与所述8字形线圈大小匹配的矩形线圈；

所述第一路耦合通道、所述第二路耦合通道、所述第三路耦合通道其中一路或两路作为信号传输通道，其余作为能量传输通道；三路传输通道同时或不同时工作，线路之间互不干扰。

2.根据权利要求1所述的一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，其特征在于：所述第一路耦合通道作为能量传输通道，所述第二路耦合通道作为第一路信号传输通道，所述第三路耦合通道作为第二路信号传输通道。

3.根据权利要求1所述的一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，其特征在于：所述第二路耦合通道作为能量传输通道，所述第一路耦合通道作为第一路信号传输通道，所述第三路耦合通道作为第二路信号传输通道。

4.根据权利要求1所述的一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，其特征在于：所述第三路耦合通道作为能量传输通道，所述第一路耦合通道作为第一路信号传输通道，所述第二路耦合通道作为第二路信号传输通道。

5.根据权利要求2～4任一项所述的一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，其特征在于：所述原边第一路线圈(11)、所述原边第二路线圈(12)和所述原边第三路线圈(13)由下至上顺序叠置，所述副边第一路线圈(21)、所述副边第二路线圈(22)和所述副边第三路线圈(23)由上至下顺序叠置。

6.根据权利要求2～4任一项所述的一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，其特征在于：所述原边第一路线圈(11)、所述原边第三路线圈(13)和所述原边第二路线圈(12)由下至上顺序叠置，所述副边第一路线圈(21)、所述副边第三路线圈(23)和所述副边第二路线圈(22)由上至下顺序叠置。

7.根据权利要求2～4任一项所述的一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，其特征在于：所述原边第二路线圈(12)、所述原边第一路线圈(11)和所述原边第三路线圈(13)由下至上顺序叠置，所述副边第二路线圈(22)、所述副边第一路线圈(21)和所述副边第三路线圈(23)由上至下顺序叠置。

8.根据权利要求2～4任一项所述的一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，其特征在于：所述原边第二路线圈(12)、所述原边第三路线圈(13)和所述原边第一路线圈(11)由下至上顺序叠置，所述副边第二路线圈(22)、所述副边第三路线圈(23)、所述副边第一路线圈(21)由上至下顺序叠置。

9.根据权利要求2～4任一项所述的一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，其特征在于：所述原边第三路线圈(13)、所述原边第二路线圈(12)和所述原边第一路线圈(11)由下至上顺序叠置，所述副边第三路线圈(23)、所述副边第二路线圈(22)、所述副边第一路线圈(21)由上至下顺序叠置。

10.根据权利要求2～4任一项所述的一种能量与信号三路同传的复合磁耦合机构，其特征在于：所述原边第三路线圈(13)、所述原边第一路线圈(11)和所述原边第二路线圈(12)由下至上顺序叠置，所述副边第三路线圈(23)、所述副边第一路线圈(21)、所述副边第二路线圈(22)由上至下顺序叠置。

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