CN220535417U - Ipt能量耦合机构及能量传输系统 - Google Patents

Ipt能量耦合机构及能量传输系统 Download PDF

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CN220535417U CN202321840589.7U CN202321840589U CN220535417U CN 220535417 U CN220535417 U CN 220535417U CN 202321840589 U CN202321840589 U CN 202321840589U CN 220535417 U CN220535417 U CN 220535417U
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杜萍
陈乾宏
高明建
侯雁飞
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Zhongke Weizhi Technology Co ltd
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Abstract

本申请涉及一种IPT能量耦合机构及能量传输系统,IPT能量耦合机构包括电缆单元和取电单元,电缆单元包括第一电缆和第二电缆;取电单元用于与第一电缆和第二电缆耦合产生电磁感应,以获取第一电缆和第二电缆的电能,取电单元包括第一磁臂、第二磁臂和磁芯,第一磁臂、第二磁臂分别连接于磁芯的两端,且沿靠近电缆单元的方向竖直延伸,第一磁臂、第二磁臂和磁芯围设成一个容纳腔;第一电缆配置于容纳腔内,第二电缆配置于容纳腔外。通过第一磁臂、第二磁臂和磁芯形成呈U形结构的取电单元,相比于以往E形结构的取电单元,本申请取电单元的截面空间更小,既能够节约占地空间,又能够满足实际的空间使用需求。

Description

IPT能量耦合机构及能量传输系统
技术领域
本申请涉及非接触能量传输技术领域,特别是涉及IPT能量耦合机构及能量传输系统。
背景技术
随着工业时代的发展,自动导向车(AGV,Automated Guided Vehicle)在工业中的应用逐渐广泛。AGV小车是具有安全保护以及各种移载功能的运输车,其装备有自动导引装置,能在计算机的监控下,按指令自主无人驾驶,自动沿着规定的导引路径行驶,到达指定地点,完成一系列作业任务。AGV小车已经成为柔性生产线、柔性装配线、仓储物流自动化系统的重要设备和技术。
传统AGV小车供电方式主要有滑触线供电或蓄电池供电,小车需要长时间不间断地运行,碳刷在与滑触线不断地摩擦中磨损严重,因此滑触线供电方式容易引起电火花,同时在复杂的路径规划中极不方便;蓄电池供电方式需要定期对蓄电池进行充放电维护,且蓄电池寿命有限。
感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)技术是一种新型的电能传输技术,能实现电能的非接触传输,其采用电力电子技术与电磁感应耦合技术相结合,通过初次级两侧绕组相互耦合,实现了非接触电能传输,克服了传统的电能传输方式带来的电击、发火花、磨损等一系列缺点和不足,具备免维护、安全可靠、高速以及适用于恶劣环境等优点,TPT可逐渐替代传统供电方式。
相关技术中,生产线、物流场地等使用到AGV小车的场地空间十分受限,但IPT系统中的取电器等机构却占用了较大的空间,因此,如何降低IPT系统的占地空间成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
基于此,有必要针对IPT系统中的取电器等机构却占用了较大空间的问题,提供一种IPT能量耦合机构及能量传输系统。
本申请的第一方面提供一种IPT能量耦合机构,IPT能量耦合机构设置于轨道,IPT能量耦合机构包括电缆单元和取电单元,电缆单元包括第一电缆和第二电缆,第一电缆和第二电缆沿水平方向间隔设置,第一电缆和第二电缆在竖直方向上存在高度差,第一电缆和第二电缆用于连接外部电源;取电单元用于与第一电缆和第二电缆耦合产生电磁感应,以获取第一电缆和第二电缆的电能,取电单元包括第一磁臂、第二磁臂和磁芯,第一磁臂、第二磁臂分别连接于磁芯的两端,且沿靠近电缆单元的方向竖直延伸,第一磁臂、第二磁臂和磁芯围设成一个容纳腔;其中,第一电缆配置于容纳腔内,第二电缆配置于容纳腔外。
在其中一个实施例中,第二电缆的至少部分位于第一磁臂的正下方,且与第一磁臂间隔设置。
在其中一个实施例中,能量耦合机构还包括第一支架和第二支架,第一支架配置于轨道和第一电缆之间,用于支撑第一电缆,第二支架配置于轨道和第二电缆之间,用于支撑第二电缆,第一支架沿竖直方向的尺寸大于第二支架沿竖直方向的尺寸。
在其中一个实施例中,第一磁臂包括靠近第二磁臂的第一侧面和与第一侧面相对设置的第二侧面,第二磁臂包括靠近第一磁臂的第三侧面和与第三侧面相对设置的第四侧面,第一侧面和第三侧面之间的尺寸范围为33mm-39mm,第二侧面和第四侧面之间的尺寸范围为76mm-82mm。
在其中一个实施例中,第一电缆与第一侧面之间的尺寸范围为7mm-13mm,第一电缆与第三侧面之间的尺寸范围为7mm-13mm。
在其中一个实施例中,磁芯包括靠近第一电缆的第五侧面,第一电缆与第五侧面之间的尺寸范围为10mm-16mm。
在其中一个实施例中,第一电缆的中心轴线与轨道表面之间的尺寸范围为80mm-86mm。
在其中一个实施例中,第二电缆的中心轴线与轨道表面之间的尺寸范围为32mm-38mm。
在其中一个实施例中,第一电缆的中心轴线与第二电缆的中心轴线之间的尺寸范围为27mm-33mm。
本申请的第二方面提供一种IPT能量传输系统,其包括能量供给机构、上述任一实施例中的IPT能量耦合机构以及能量输出机构;能量供给机构与电缆单元连接,用于向电缆单元输送电能,能量输出机构与取电单元连接,用于接收并输出取电单元传输的电能,能量输出机构与负载连接,用于为负载供电。
上述IPT能量耦合机构中,通过第一磁臂、第二磁臂和磁芯形成呈U形结构的取电单元,相比于以往E形结构的取电单元,本申请取电单元的截面空间更小,既能够节约占地空间,又能够满足实际的空间使用需求。第一电缆和第二电缆在竖直方向上存在高度差,即第一电缆和第二电缆以高低轨道电缆的方式设置,相比于以往平行设置的轨道电缆,本申请电缆单元在满足与取电单元的电磁耦合效果的前提下,能够进一步节省电缆单元的占地空间。电缆单元与取电单元之间安装灵活,允许安装误差大,能满足不同环境的使用需求。
附图说明
图1为本申请一实施例中IPT能量传输系统的示意图。
图2为本申请一实施例中IPT能量耦合机构的结构图。
图3为本申请一实施例中取电单元的结构图。
图4为本申请一实施例中第一磁臂、第二磁臂和磁芯的正视图。
图5为本申请一实施例中第一磁臂、第二磁臂和磁芯的俯视图。
图6为本申请一实施例中第一磁臂、第二磁臂和磁芯的侧视图。
其中,IPT能量传输系统1、轨道10、能量供给机构20、逆变电源模块21、高频开关整流模块22、IPT能量耦合机构30、电缆单元31、第一电缆311、第二电缆312、取电单元32、第一磁臂321、第二磁臂322、磁芯323、线圈组324、第一线圈3241、第二线圈3242、第三线圈3243、容纳腔33、第一支架34、第二支架35、能量输出机构40。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进,因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中,需要理解的是,若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等,这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
此外,若有出现这些术语“第一”、“第二”,这些术语仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中,若有出现术语“多个”,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等,这些术语应做广义理解。例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述,其含义可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是,若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在,本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
参考图1所示,本申请一实施例提供一种IPT能量传输系统1,其包括能量供给机构20、IPT能量耦合机构30以及能量输出机构40。IPT能量耦合机构30连接于能量供给机构20和能量输出机构40之间,能量供给机构20用于向IPT能量耦合机构30输送电能,IPT能量耦合机构30以无接触式的方式进行电能的中转和传输,能量输出机构40用于接收并输出IPT能量耦合机构30传输的电能,能量输出机构40设置于负载(图中未示出),负载设置于轨道10上,能量输出机构40用于为负载供电,使负载能够在轨道10上运作。
负载为小车单元,小车单元包括皮带、滚筒电机和驱动器。当小车单元从上料口运行到下料口时,皮带翻转将小车单元上的包裹运送到对应的分拣口处从而完成分拣任务。具体地,能量供给机构20将电能传输至能量输出机构40,能量输出机构20将电能传输至驱动器,驱动器驱动滚筒电机使皮带翻转,从而实现分拣作业。
本申请的IPT能量传输系统1可以应用于物流分拣场地、大型生产线、仓库、无尘车间、电梯、游乐设施等环境中。
能量供给机构20包括互相连接的逆变电源模块21和高频开关整流模块22。高频开关整流模块22的输入端与外部市电连接,高频开关整流模块22的输出端与逆变电源模块21的输入端连接,逆变电源模块21的输出端与电缆单元31连接。能够供给机构20用于对输入的第一电源(比如380V AC或750V DC)进行变换,输出功率覆盖0-200KW的第二电源,第二电源供给到IPT能量耦合机构30实现电能传输。
能量输出机构40设置于负载上,且与IPT能量耦合机构30连接,用于接收IPT能量耦合机构30中的高频电能,并将高频电能转换为稳定的直流电能给负载供电。本申请揭示的实施例中,能量输出机构40为整流器,其包括整流滤波调压电路,主要由二极管、电容、DCDC模块等组成。
参考图2所示,IPT能量耦合机构30包括电缆单元31、取电单元32。电缆单元31与取电单元32间隔设置,电缆单元31设置于轨道10,轨道10用于安装电缆单元31和负载,电缆单元31按照负载的运动行径进行延伸布设,取电单元32用于将电缆单元31的电能传输至负载,使得负载能够在轨道10上沿着电缆单元31的布设方向运动。
在一些实施例中,负载包括但不限于AGV小车、运输车、分拣车、巡检车等用电设备。负载设置于轨道10上,当负载驶入轨道10时,能量输出机构40为负载提供直流电能,以供负载作业。
电缆单元31包括第一电缆311和第二电缆312。第一电缆311和第二电缆312可以根据负载的运行行径进行布置,第一电缆311和第二电缆312沿水平方向间隔设置,第一电缆311和第二电缆312在竖直方向上存在高度差,即第一电缆311和第二电缆312与轨道10之间的间距不相同。进一步地,第一电缆311与轨道10之间的间距大于第二电缆312与轨道10之间的间距,即第一电缆311和第二电缆312以高低轨道电缆的方式进行排布。逆变电源模块21与串联的第一电缆311和第二电缆312连接以形成电流闭合回路,第一电缆311和第二电缆312用于将逆变电源模块21输出的电能激发成高频电磁场。
取电单元32用于感应电缆单元31产生的高频磁场并转化为高频电流。取电单元32包括第一磁臂321、第二磁臂322、磁芯323和线圈组324。第一磁臂321、第二磁臂322分别连接于磁芯323的两端,且沿靠近轨道10的方向竖直延伸。第一磁臂321、第二磁臂322和磁性组合呈U型结构的取电单元32,该取电单元32的截面空间小,既能够节约占地空间,又能够满足实际的空间使用需求。线圈组324缠绕于第一磁臂321、第二磁臂322和磁芯323。
第一磁臂321、第二磁臂322和磁芯323围设成容纳腔33,第一电缆311配置于容纳腔33内,第二电缆312配置于容纳腔33外,第二电缆312的至少部分位于第一磁臂321的正下方,且与第一磁臂321间隔设置。优选地,第二电缆312的中心轴线与第一磁臂321的中心轴线重合。
本申请的IPT能量传输系统1在工作过程中,电缆单元31和取电单元32以无接触式的电磁耦合方式进行电能的传输,取电单元32将沿着第一电缆311、第二电缆312的路径移动,第一电缆311和第二电缆312中由能量供给机构20通入高频交流电,其周围产生高频交变磁场,磁场沿第一磁臂321、第二磁臂322和磁芯323形成磁力线,进而使线圈组324感应出高频交流电,并将其传输至能量输出机构40。
取电单元32可以沿轨道10的延伸方向设置多个,对应地,轨道10上设置多个负载,多个取电单元32与多个负载一一对应设置。
第一磁臂321、第二磁臂322和磁芯323由高导磁率的材料制成。
第一电缆311和第二电缆312内的电流方向相反,第一电缆311和第二电缆312产生的磁场在磁芯323中间部分是同一方向,能够加强电缆产生的磁场,以将获取的电能叠加输出,提高传输效率。
参考图3所示,线圈组324与电缆单元31的磁场分布相适应。具体地,线圈组324包括第一线圈3241、第二线圈3242和第三线圈3243。线圈具体为利兹线圈,第一线圈3241沿第一方向缠绕于第一磁臂321,第二线圈3242沿第二方向缠绕于第二磁臂322,第三线圈3243沿第三方向缠绕于磁芯323。第一方向与第二方向相反,第一线圈3241由第一磁臂321的右侧进入绕过第一磁臂321从第一磁臂321的左侧绕出,第二线圈3242由第二磁臂322的左侧进入绕过第二磁臂322从第一磁臂321的右侧绕出,第三线圈3243由磁芯323的下方进入绕过磁芯323从磁芯323的上方绕出。第一磁臂321、第二磁臂322和磁芯323都缠绕有线圈,能够减少线圈因涡流产生的发热现象,同时还能够降低耦合气隙对电缆单元31和取电单元32之间耦合效果的影响。
第一线圈3241、第二线圈3242和第三线圈3243可以是多个单线圈相串联,也可以是一个单线圈。
再次参考图2所示,能量耦合机构30还包括第一支架34和第二支架35。第一支架34配置于轨道10和第一电缆311之间,用于支撑第一电缆311。第二支架35配置于轨道10和第二电缆312之间,用于支撑第二电缆312。第一支架34沿竖直方向的尺寸大于第二支架35沿竖直方向的尺寸,使得第一电缆311与轨道10之间的间距大于第二电缆312与轨道10之间的间距,即第一电缆311和第二电缆312以高低轨道电缆的方式进行排布。采用高低轨电缆的布设方式,来匹配U形结构的取电单元32,相较于以往E形取电器以及相同长度的轨道电缆来说,本申请的设置能够在满足电磁耦合效果的前提下,有利于进一步节省第一支架34和第二支架35的占地空间。
在一些实施例中,第一支架34和第二支架35可以各自分体设置,也可以设置为一体成型。
结合图2、图4-图6所示,第一磁臂321包括靠近第二磁臂322的第一侧面和与第一侧面相对设置的第二侧面,第二磁臂322包括靠近第一磁臂321的第三侧面和与第三侧面相对设置的第四侧面,磁芯包括靠近第一电缆的第五侧面和与第五侧面相对设置的第六侧面,第一磁臂还包括与第六侧面相对设置的第七侧面。
第一侧面和第三侧面之间的尺寸范围为33mm-39mm。第二侧面和第四侧面之间的尺寸范围为76mm-82mm。第六侧面和第七侧面之间的尺寸范围为76mm-82mm。第五侧面和第六侧面之间的尺寸范围为28mm-34mm。磁芯323沿水平方向的长度尺寸范围为177mm-180mm。该尺寸范围即能够保证第一电缆311、第二电缆312与第一磁臂321、第二磁臂322、磁芯323之间的电磁耦合效果,也能够使取电单元32和电缆单元31保持在安全的距离内相对运行。
优选地,第一侧面和第三侧面之间的间距L1为36.2mm。
优选地,第二侧面和第四侧面之间的间距L2为79.5mm。
优选地,第六侧面和第七侧面之间的间距为L379mm。
优选地,第五侧面和第六侧面之间的间距L4为31mm。
优选地,磁芯323沿水平方向的长度尺寸L5为180mm。
第一电缆311与第一侧面之间的尺寸范围为7mm-13mm。第一电缆311与第三侧面之间的尺寸范围为7mm-13mm。第一电缆311与第五侧面之间的尺寸范围为10mm-16mm。该尺寸范围即能够保证第一电缆311、第二电缆312与第一磁臂321、第二磁臂322、磁芯323之间的电磁耦合效果,也能够使取电单元32和电缆单元31保持在安全的距离内相对运行。
优选地,第一电缆311与第一侧面之间的间距L6为10.5mm。
优选地,第一电缆311与第三侧面之间的间距L7为10.5mm。
优选地,第一电缆311与第五侧面之间的间距L8为13mm。
第一电缆311中心轴线与轨道10表面之间的尺寸范围为80mm-86mm。该尺寸范围能够保证第一电缆311与取电单元32之间的耦合效果。
优选地,第一电缆中心轴线311与轨道10表面之间的间距L9为83mm。
第二电缆312中心轴线与轨道10表面之间的尺寸范围为32mm-38mm。轨道10的表面是金属面,第二电缆312不能太靠近轨道10表面,轨道10表面是金属面,若第二电缆312与轨道10表面之间的距离太近,会导致高频电磁场出现磁损耗进而产生热量,长时间会导致轨道10、第一支架34、第二支架35、电缆单元31出现损坏。该尺寸范围能够使第二电缆312和轨道10之间保持在安全的距离,且不会影响电磁场的耦合效果。
优选地,第二电缆312中心轴线与轨道10表面之间的间距L10为35mm。
第一电缆311中心轴线与第二电缆312中心轴线之间的尺寸范围为27mm-33mm。该尺寸范围使第一电缆311和第二电缆312周围产生的高频交变磁场,能更多的覆盖第一磁臂321、第二磁臂322和磁芯323并形成磁力线,有利于线圈组324感应高频交流电。
优选地,第一电缆311中心轴线与第二电缆312中心轴线之间的间距L11为30mm。
本申请的IPT能量传输系统1中,通过电缆单元31和取电单元32的尺寸设置,能够提高保证电磁耦合效果和能量传输效率。
本申请的IPT能量传输系统1中,电缆单元31的至少一段能量传输段沿负载的运动行径布置与轨道10上,负载设置于轨道10,负载以及设置在负载上的取电单元32沿电缆单元31的布置方向在轨道10上运动。取电单元32与电缆单元31始终保持无线磁耦合,以获取能量为负载不间断持续供电,从而实现电能从能量供给机构20到负载的非接触式传输,满足不同场景下对负载的持续稳定供电需求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种IPT能量耦合机构,所述IPT能量耦合机构设置于轨道,其特征在于,所述IPT能量耦合机构包括:
电缆单元,包括第一电缆和第二电缆,所述第一电缆和所述第二电缆沿水平方向间隔设置,所述第一电缆和所述第二电缆在竖直方向上存在高度差,所述第一电缆和所述第二电缆用于连接外部电源;及
取电单元,用于与所述第一电缆和所述第二电缆耦合产生电磁感应,以获取所述第一电缆和所述第二电缆的电能,所述取电单元包括第一磁臂、第二磁臂和磁芯,所述第一磁臂、所述第二磁臂分别连接于所述磁芯的两端,且沿靠近所述电缆单元的方向竖直延伸,所述第一磁臂、所述第二磁臂和所述磁芯围设成一个容纳腔;
其中,所述第一电缆配置于所述容纳腔内,所述第二电缆配置于所述容纳腔外。
2.根据权利要求1所述的IPT能量耦合机构,其特征在于,所述第二电缆的至少部分位于所述第一磁臂的正下方,且与所述第一磁臂间隔设置。
3.根据权利要求1所述的IPT能量耦合机构,其特征在于,所述能量耦合机构还包括第一支架和第二支架,所述第一支架配置于所述轨道和所述第一电缆之间,用于支撑所述第一电缆,所述第二支架配置于所述轨道和所述第二电缆之间,用于支撑所述第二电缆,所述第一支架沿竖直方向的尺寸大于所述第二支架沿竖直方向的尺寸。
4.根据权利要求1所述的IPT能量耦合机构,其特征在于,所述第一磁臂包括靠近所述第二磁臂的第一侧面和与所述第一侧面相对设置的第二侧面,所述第二磁臂包括靠近所述第一磁臂的第三侧面和与所述第三侧面相对设置的第四侧面,所述第一侧面和所述第三侧面之间的尺寸范围为33mm-39mm,所述第二侧面和所述第四侧面之间的尺寸范围为76mm-82mm。
5.根据权利要求4所述的IPT能量耦合机构,其特征在于,所述第一电缆与所述第一侧面之间的尺寸范围为7mm-13mm,所述第一电缆与所述第三侧面之间的尺寸范围为7mm-13mm。
6.根据权利要求1所述的IPT能量耦合机构,其特征在于,所述磁芯包括靠近所述第一电缆的第五侧面,所述第一电缆与所述第五侧面之间的尺寸范围为10mm-16mm。
7.根据权利要求1所述的IPT能量耦合机构,其特征在于,所述第一电缆的中心轴线与所述轨道表面之间的尺寸范围为80mm-86mm。
8.根据权利要求1所述的IPT能量耦合机构,其特征在于,所述第二电缆的中心轴线与所述轨道表面之间的尺寸范围为32mm-38mm。
9.根据权利要求1所述的IPT能量耦合机构,其特征在于,所述第一电缆的中心轴线与所述第二电缆的中心轴线之间的尺寸范围为27mm-33mm。
10.一种IPT能量传输系统,其特征在于,包括:
能量供给机构;
如权利要求1-9任一所述的IPT能量耦合机构;及
能量输出机构,其中,所述能量供给机构与所述电缆单元连接,用于向所述电缆单元输送电能,所述能量输出机构连接于所述取电单元和负载之间,用于接收并输出所述取电单元传输的电能,以为负载供电。
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