[發(fā)明專利]環(huán)形偶極組合式發(fā)射機(jī)構(gòu)、耦合機(jī)構(gòu)及全方向WPT系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110578248.6
• 申請(qǐng)日: 2021-05-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113300486B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫躍;馮天旭;王智慧;唐春森
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J50/12
• 分類號(hào): H02J50/12;H02J50/40;H02M3/335;H01F27/28;H01F27/30
• 代理公司: 重慶敏創(chuàng)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 50253
• 代理人: 陳千

本發(fā)明涉及無(wú)線電能傳輸(WPT)技術(shù)領(lǐng)域，具體公開(kāi)了一種環(huán)形偶極組合式發(fā)射機(jī)構(gòu)、耦合機(jī)構(gòu)及全方向WPT系統(tǒng)，該發(fā)射機(jī)構(gòu)由同一平面的第一發(fā)射線圈、第二發(fā)射線圈及第三發(fā)射線圈組成；第一發(fā)射線圈和第二發(fā)射線圈構(gòu)成交叉偶極線圈；第三發(fā)射線圈為包圍交叉偶極線圈且為環(huán)形結(jié)構(gòu)的單極型線圈；第一發(fā)射線圈和第二發(fā)射線圈繞制在十字架磁芯上，第一發(fā)射線圈由繞制在該十字架磁芯x軸方向上的兩側(cè)線圈串聯(lián)組成，第二發(fā)射線圈由繞制在該十字架磁芯y軸方向上的兩側(cè)線圈串聯(lián)組成。本發(fā)明采用小體積的二維發(fā)射機(jī)構(gòu)激發(fā)三維旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使平面的接收線圈任意旋轉(zhuǎn)時(shí)可維持相對(duì)穩(wěn)定的輸出功率及傳輸效率，實(shí)現(xiàn)了小體積耦合機(jī)構(gòu)下穩(wěn)定的三維全方向無(wú)線傳能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)線電能傳輸(Wireless?Power?Transfer，WPT)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種環(huán)形偶極組合式發(fā)射機(jī)構(gòu)、一種耦合機(jī)構(gòu)及一種全方向WPT系統(tǒng)。

背景技術(shù)

WPT技術(shù)依靠磁場(chǎng)、電場(chǎng)、激光以及微波等傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)非接觸的隔空電能傳輸。其中，基于磁場(chǎng)耦合和電磁感應(yīng)的無(wú)線電能傳輸技術(shù)由于其機(jī)理認(rèn)知相對(duì)成熟、實(shí)用技術(shù)體系全面、系統(tǒng)拓?fù)浜?jiǎn)單易行、傳能過(guò)程穩(wěn)定且魯棒性較好等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、家用電器、水下設(shè)備、醫(yī)療植入設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的WPT系統(tǒng)中的發(fā)射線圈和接收線圈之間出現(xiàn)角度偏移時(shí)，耦合系數(shù)將減小，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出功率和效率急劇下降，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法工作，這種現(xiàn)象將會(huì)制約WPT技術(shù)的推廣應(yīng)用。

為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了各種全方向WPT系統(tǒng)。這些全方向WPT系統(tǒng)較于傳統(tǒng)的WPT系統(tǒng)具有良好的位姿魯棒性，可以提升無(wú)線傳能的自由度。在全方向WPT系統(tǒng)中，合理的電磁耦合機(jī)構(gòu)及磁場(chǎng)調(diào)制方式是實(shí)現(xiàn)全方向無(wú)線傳能的關(guān)鍵。對(duì)于電磁耦合機(jī)構(gòu)，通常采用多發(fā)射線圈或多接收線圈提升電能的全方向發(fā)射或接收能力。常見(jiàn)的多發(fā)射或多接收線圈結(jié)構(gòu)有二維或三維正交環(huán)形線圈、碗形線圈、圓柱形線圈、正四面體線圈、三維偶極線圈等。但上述結(jié)構(gòu)均為三維體積型結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)占用較大的安裝空間，無(wú)法在實(shí)現(xiàn)全方向無(wú)線傳能的同時(shí)使耦合機(jī)構(gòu)的安裝體積較小。

對(duì)于磁場(chǎng)調(diào)制方式，主要分為靶向性磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。為獲得靶向性磁場(chǎng)，通常的做法為調(diào)制多個(gè)發(fā)射線圈的激勵(lì)電流的幅值和相位，使合成的磁場(chǎng)矢量始終垂直指向接收線圈所在的方位。該種方式中的合成磁場(chǎng)矢量跟隨接收線圈的方位，因此這種方式具有漏磁較小，傳能效率較高的優(yōu)點(diǎn)，但需參數(shù)辨識(shí)或姿態(tài)傳感器及通信環(huán)節(jié)來(lái)獲取接收線圈的方位，導(dǎo)致檢測(cè)及控制復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差。為獲得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，普遍采取在多個(gè)發(fā)射線圈中注入具有相位差的激勵(lì)電流使產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)隨時(shí)間在各個(gè)方向掃描。該種方式不需要檢測(cè)接收線圈的方位及通信環(huán)節(jié)，控制也較為簡(jiǎn)單。但目前大多研究?jī)H支持接收線圈在一個(gè)二維平面上任意旋轉(zhuǎn)，不能實(shí)現(xiàn)三維全方向無(wú)線傳能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種環(huán)形偶極組合式發(fā)射機(jī)構(gòu)、一種耦合機(jī)構(gòu)及一種全方向WPT系統(tǒng)，解決的技術(shù)問(wèn)題在于：如何采用體積較小的發(fā)射機(jī)構(gòu)，使平面的接收線圈在三維空間內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)時(shí)，仍能維持相對(duì)穩(wěn)定的輸出功率及傳輸效率，實(shí)現(xiàn)三維全方向無(wú)線傳能。

為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明首先提供一種環(huán)形偶極組合式發(fā)射機(jī)構(gòu)，由同一平面的第一發(fā)射線圈、第二發(fā)射線圈及第三發(fā)射線圈組成；

所述第一發(fā)射線圈和所述第二發(fā)射線圈構(gòu)成交叉偶極線圈；

所述第三發(fā)射線圈為包圍所述交叉偶極線圈且為環(huán)形結(jié)構(gòu)的單極型線圈；

所述第一發(fā)射線圈和所述第二發(fā)射線圈繞制在十字架磁芯上，其中所述第一發(fā)射線圈由繞制在該十字架磁芯x軸方向上的兩側(cè)線圈串聯(lián)組成，所述第二發(fā)射線圈由繞制在該十字架磁芯y軸方向上的兩側(cè)線圈串聯(lián)組成。

優(yōu)選的，所述第一發(fā)射線圈的激勵(lì)電流i₁、所述第二發(fā)射線圈的激勵(lì)電流i₂及所述第三發(fā)射線圈的激勵(lì)電流i₃隨時(shí)間t滿足：