[发明专利]三相圆柱形曲面线圈及基于此的全空间无线电能传输系统

说明书

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种三相圆柱形曲面线圈及基于此的全空间无线电能传输系统，三相圆柱形曲面线圈包括尺寸相同、匝数相同、均匀分布而围合成一圆柱筒状的A相线圈绕组、B相线圈绕组、C相线圈绕组，各相线圈绕组自身围合角度为180°，任意两相线圈绕组之间的机械角度为120°。优点在于：当给与不同线圈绕组不同相位的电流激励时，各个线圈绕组产生不同方向的磁场，通过控制激励电流，使得整个三相圆柱形曲面线圈可产生全方向匀强旋转磁场，拾取线圈放置于该匀强旋转磁场中任意位置均可拾取到相同的电压，从而使得拾取线圈在全空间方位发生变化时的输出电压波动为最小，同时采用体积较小且重量较轻的单维线圈作为接收线圈。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种三相圆柱形曲面线圈、一种三相圆柱形曲面线圈的激励方法、一种全空间无线电能耦合机构和一种基于三相圆柱形曲面线圈的全空间无线电能传输系统。

背景技术

近年来，磁耦合无线电能传输(MC-WPT)技术在便携式电子设备[1]、植入式医疗设备[2]、电动汽车[3]、水下机器人[4]等领域得到了广泛的应用。然而，针对分布在空间中各个方位的移动电子设备无线供电的需求，由一对环形线圈组成的传统的无线供电系统因无法克服接收端的角度旋转或位置偏移的问题，已经无法满足对于分布式、多点化、大范围的移动电子设备全空间无线供电的需求，影响了无线电能传输技术的进一步推广。

全空间无线电能传输技术由于具有位置鲁棒性强、供电稳定性好等独特优势受到国内外研究机构和科研院所的广泛关注。其中电磁耦合机构是实现系统全空间无线电能传输的关键部分，其设计与优化主要包括三个方面：1)发射机构采用分布式发射线圈产生全空间多维运动磁场，拾取机构则采用单维线圈接收空间中各个方位的磁能以实现全向无线电能传输；2)发射机构采用单维线圈产生单个方向的磁场，拾取机构则采用分布式拾取线圈将拾取到的电能集中输出以实现全空间无线电能传输；3)发射机构采用分布式发射线圈产生空间多维运动磁场，拾取机构采用分布式拾取线圈将拾取到的电能集中输出以实现全空间无线电能传输。

针对第一种耦合机构模式，文献[5-7]采用二维和三维两两正交的环形线圈作为发射机构，推导了全空间无线电能传输的系统数学模型。文献[8]采用三相圆柱形线圈作为发射机构，对系统的软开关条件以及输出功率的波动性进行了分析，但该文中系统的输出功率波动较大。文献[9]针对手机等电子设备全空间无线供电的需求，设计了一种由5个发射线圈组成的充电碗。针对第二种耦合机构模式，文献[10]提出了一种基于正四面的无线电能传输系统多自由度拾取机构，但该拾取机构占用的空间体积较大。文献[11]提出了一种由交叉偶极线圈和平面环形线圈组成的正交形拾取线圈，相较于传统的三维拾取机构大大减小了空间体积。针对第三种耦合机构模式，文献[12]的发射线圈以及拾取线圈均采用长条形交叉偶极线圈实现了六自由度全空间无线电能传输。文献[13]的发射机构由阵列式的扁平方块形交叉偶极线圈组成，拾取机构采用扁平的方块形交叉偶极线圈，该文构建了一个宽范围全空间的无线传能区域。采用交叉偶极线圈相对于传统的三维线圈优势在于减小了空间体积，但是由于磁芯的引入增加了耦合机构的重量。

可见得，目前缺乏一种耦合机构及应用该耦合机构的无线传输系统，可有效减小拾取线圈在全空间方位发生变化时的输出电压波动，同时拾取线圈的体积和重量均比较小。

参考文献：

[1]E.S.Lee,J.S.Choi,H.S.Son,S.H.Han,and C.T.Rim,Six Degrees ofFreedom Wide-Range Ubiquitous IPT for IoT by DQ Magnetic Field,IEEETransactions on Power Electronics,vol.32,pp.8258-8276,2017-01-01 2017.