无线电能传输系统多自由度电能拾取机构

摘要

本发明公开了一种无线电能传输系统多自由度电能拾取机构，包括拾取线圈，其特征在于：所述拾取线圈分别绕制在六条圆柱形的磁芯上，所述六条绕制有拾取线圈的磁芯按照三菱锥形六条棱的空间分布结构固定，六条磁芯上的拾取线圈按照预设的顺序串行连接，同一平面上三条拾取线圈产生的磁通不构成环形。其显著效果是：结构简单，安装方便，通过改变拾取机构的线圈分布形式和绕线方式，实现无线能量传输系统中的能量多自由度拾取，拾取机构固定时，发射机构可以从任意方向耦合，发射机构固定时，拾取机构也可以在三维空间内自由旋转，让能量接入更方便，更自由。

说明书

技术领域

本发明涉及到电磁耦合技术，具体涉及一种无线电能传输系统中的多自由 度电能拾取机构。

背景技术

感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer，简称ICPT)技术 是基于电磁感应耦合原理的无线电能传输模式，解决了移动电气设备的电源灵 活、安全、绿色接入问题，是目前无线电能传输领域研究热点之一。

基于电磁感应耦合原理，将两个线圈靠近作为电磁耦合机构，当电流在一 个线圈中变化时，所产生的磁通量成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动势。 两线圈之间的传输效率主要是由拾取线圈与磁场的感应耦合面的有效面积决 定，由于磁场的空间传播特性，致使感应线圈与磁场的空间方位受到严格的限 制。常见的线圈为圆盘状或圆柱状，可获得较大的充电区域和传输效率，但是， 拾取机构如果在三维空间内发生旋转，就难以实现多自由度电能拾取。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提出了一种无线电能传输系统多自由度电能拾取机 构，该机构通过改变拾取线圈的结构和绕线方式，实现拾取线圈在保证能量 传输效率的同时可以多自由度转动，让能量拾取更加灵活。

为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种无线电能传输系统多自由度电能拾取机构，包括拾取线圈，其关键在 于：所述拾取线圈分别绕制在六条圆柱形的磁芯上，所述六条绕制有拾取线圈 的磁芯按照三菱锥形六条棱的空间分布结构固定，六条磁芯上的拾取线圈按照 预设的顺序串行连接，同一平面上三条拾取线圈产生的磁通不构成环形。

基于上述设计，本方案将传统的圆盘状或圆柱状拾取线圈改为了立体空间 分布状，在三菱锥形的六条棱上分别固定一条绕制有拾取线圈的磁芯，六条磁 芯上的拾取线圈串联在一起，在立体空间内，任何方向进入的磁场，拾取机构 上的总磁通量为各条棱上感应磁通之和，每条棱上拾取线圈的磁通有两个方向， 通过组合分析，可以调整拾取线圈的绕线方式，实现拾取机构在自由空间内最 大能量的拾取。

为了保证各个方向能量拾取的均衡，所述六条磁芯的尺寸相同。

为了接线方便，所述六条磁芯上绕制的拾取线圈采用同一根导线分段绕制 而成。

为了提高拾取机构的稳定性，便于磁芯的安装固定，该拾取机构还包括三 菱锥骨架，沿三菱锥骨架的每条棱的方向开设有凹槽，所述六条绕制有拾取线 圈的磁芯分别固定在三菱锥骨架的六条棱上的凹槽中。

为了减少干扰，所述三菱锥骨架为非导磁材料制成。

作为优选，所述三菱锥骨架为正三菱锥形或正四面体形。

为了保证多自由度能量均匀拾取，所述三菱锥骨架每条棱上的凹槽与该条 棱两端的顶点距离相同。

本发明的显著效果是：

结构简单，安装方便，通过改变拾取机构的线圈分布形式和绕线方式，实 现无线能量传输系统中的能量多自由度拾取，拾取机构固定时，发射机构可以 从任意方向耦合，发射机构固定时，拾取机构也可以在三维空间内自由旋转， 让能量接入更方便，更自由。

附图说明

图1为本发明的拾取线圈空间分布结构示意图；

图2为具体实施例中安装骨架的结构示意图；

图3为任意一条棱上的磁通分布图；

图4为绕AB棱旋转时每条棱上磁通方向示意图；

图5为具体实施例的绕线方案图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种无线电能传输系统多自由度电能拾取机构，包括拾取线 圈，所述拾取线圈分别绕制在六条圆柱形的磁芯上，所述六条绕制有拾取线圈 的磁芯按照三菱锥形六条棱的空间分布结构固定，六条磁芯上的拾取线圈按照 预设的顺序串行连接，同一平面上三条拾取线圈产生的磁通不构成环形。

在本实施例中，该拾取机构设置有如图2所示的三菱锥骨架，该三菱锥骨 架为非导磁材料制成，其形状为正三菱锥形或正四面体形，沿三菱锥骨架的每 条棱的方向开设有凹槽，每条棱上的凹槽与该条棱两端的顶点距离相同，所述 六条绕制有拾取线圈的磁芯分别固定在三菱锥骨架的六条棱上的凹槽中，通常 各条棱上的凹槽长度相同，六条磁芯的尺寸相同，六条磁芯上绕制的拾取线圈 采用同一根导线分段绕制而成。

为进一步理解本发明的工作原理和技术效果，下面做进步详细描述。

结合图2和图3分析，设三棱锥棱长为l，在距离两端顶点d₁处挖一条凹槽， 用于放置磁芯和绕线线圈，采用的铁氧体磁芯是一种圆柱形高频导磁材料，圆 柱直径为d₂，结合三菱锥的凹槽可知，磁芯长度为l-2d₁，所选用的拾取线圈的 导线直径为d₃。

假设原边线圈为平面型，磁通量B竖直向上，则任意一条棱上的线圈磁通 分析如下：

假设为磁芯与X,Y平面的夹角，则垂直于线圈的磁感应强度：

通过该棱线圈处的磁通为:

N为每条棱上线圈匝数，S为每匝线圈绕线面积，Φ_BA表示磁通方向由B指 向A端。

由公式(2)可知每条棱上的磁通，即三棱锥旋转到各个角度时通过六条棱 上的总磁通φ＝φ_AB+φ_AC+φ_AD+φ_BC+φ_BD+φ_CD。

因为三棱锥六条棱上的线圈采用串联方式，即每条棱上的电流有两个方向， 感应磁通也有两个方向，六条棱感应的磁通存在相互增强和抵消的情况，磁通 方向的组合共有2⁶＝64种。线圈的截面积S＝π((d₂+2d₃)/2)²。当原边电流I、线 圈匝数N、线圈截面积S一定的情况下，由于四面体的对称性，在旋转时，64 种组合计算得出6种不同的磁通变化。下面分别以6类不同磁通变化举例(AB 为1表示棱AB的磁通是沿棱AB向上的，为0表示沿棱AB向下)，具体组合 方式如表1所示。

表1：磁通方向组合方案(原副边距离为1cm)

各方案中均不只一种组合，具体可见附表1。这里采用方案一其中一种磁通 组合作为设计方案。由于线圈是串联连接，绕线时只与方向有关，与棱之间的 顺序无关。但如果绕线时对四面体某一个平面进行连接，感应电流会形成一个 环形，在旋转时环形所产生的磁通会与该条棱上产生的磁通相抵消，所以绕线 时应避免这种情况，本例中采用的磁通组合方案如图4所示。

假设电流从I_in流入棱AB，绕线顺序为：AB→BC→CD→DA→DB→CA (串联连接顺序可以变化)，电流I_out从棱CA流出，则利于一根导线绕制出来的 拾取线圈如图5所示。

通过理论分析，按照图四所示的磁通组合和图5所示的绕线方法对拾取机 构进行绕线，每条棱上单层绕25匝，导线直径为3mm，在频率为40KHz情况 下，原边采用两层圆盘线圈，半径为14cm，匝数为62匝，L_p＝374uH,R_P＝0.26Ω， 副边L_S＝151uH,R_S＝0.67Ω。实验采用S-S结构，在输入电压为10V，负载为5 欧姆，原副边距离为0时，三棱锥绕AB棱360度旋转效率最大时可达到84％， 最低为33.5％。

最后需要说明的是，以上详细描述仅仅为本发明的较佳具体实施例。应当 理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸 多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的 基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权 利要求书所确定的保护范围内。

附表1：磁通方向组合方案(原副边距离为1cm)