一種新型無線電能傳輸全向三維發射線圈裝置的製作方法

2023-06-09 11:53:42 1

本發明屬於無線電能傳輸領域，特別是涉及到一種新型無線電能傳輸全向三維發射線圈裝置。

背景技術：

自從1840年發現利用電磁感應現象及導線可以傳輸電能至今，電能的傳輸主要是由導線直接接觸進行傳輸的。電工設備的充電一般是通過插頭和插座來進行，但是在進行大功率充電時，這種充電方式存在高壓觸電的危險。且由於存在摩擦和磨損，系統的安全性、可靠性及使用壽命較低，特別是在化工、採礦等一些易燃、易爆領域，極易引發大的事故。新型無接觸電能傳輸系統採用電磁感應原理、電力電子技術以及控制理論相結合，實現了電能的無線傳輸，完全克服了以上限制。根據電能傳輸原理，無線電能傳輸大致上可以分為三類：第一類是變壓器原理的直接耦合式，這種方式功率雖然較大，但是僅適於近距離；第二類電波無線能量傳輸技術，直接利用電磁波能量可以通過天線發射和接收的原理，這種方式雖然實現了長距離和大功率能量的傳輸，但是能量傳輸受方向限制，也不能繞過障礙物，並且損耗較大，對人體和其它生物都有嚴重傷害；第三類是非輻射耦合諧振方式，該技術可以在有障礙物的情況下傳輸，傳輸距離也比較遠，傳輸功率也較大，而且對人體沒有傷害。

2007年，mit的研究人員採用高頻電磁諧振耦合方式實現了電能的中程無線傳輸，在間隔2m距離給60w燈泡供電時效率約為40％。這一重大進展又激起了國內外研究人員對磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的興趣，眾多學者在提高傳輸功率和效率，以及傳輸距離等方面進行了深入的研究。然而無線電能傳輸技術在應用過程中其電能傳輸效率與穩定性受到兩方面的制約:一是發射線圈與接收線圈空間位置變化帶來的傳輸穩定性問題；二是在保證傳輸穩定的前提下希望無線電能傳輸系統的體積儘可能的小。在傳統無線電能傳輸系統中，接收線圈與發射線圈對方向較為敏感，在單個方向上可以獲得足夠的傳輸功率，但方向改變時傳輸功率急劇下降，故其多為平行放置。然而在實際應用中，對於單源多負載系統及任意空間位置的接收機構，接收線圈和磁場的相對空間關係會發生變化，接收線圈的平面法向就會出現和磁場方向不平行甚至垂直的情況，那麼接收線圈中的傳輸特性會隨兩線圈平面法向夾角的變化而變化，降低了系統的傳輸穩定性。如若要在任意空間位置條件下穩定的傳輸能量，又勢必要增加發射線圈與接收線圈的體積。

目前對改善任意空間傳輸穩定性的研究多限制在二維平面內，對於三維空間靈活穩定傳輸的研究成果也存在很多弊端，如非同軸的多米諾骨牌諧振線圈陣列及自旋轉式發射線圈裝置，雖實現了多方向的穩定電能傳輸，但多數量的中繼線圈及複雜的結構限制了靈活性與可控性，且沒有從根本上改善任意方向傳輸穩定性。

如何在滿足穩定傳輸能量的條件下減小系統體積並實現全向電能傳輸成為提高無線電能傳輸系統性能的關鍵。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提出一種新型無線電能傳輸全向三維發射線圈裝置，此類型的發射裝置能提升無線電能傳輸系統的自由度與靈活性，提高傳輸系統磁場的空間均勻性，減少接收系統對發射系統的依賴性，實現單源多負載系統及任意空間位置的接收裝置的穩定電能傳輸。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：一種新型無線電能傳輸全向三維發射線圈裝置，以三維立體結構作為發射線圈的承載機構；所述三維立體結構為多面體，所述多面體的每個面都放置平面螺旋線圈；所述平面螺旋線圈包括共同構成電磁發射部分的單匝激勵線圈和多匝發射線圈；所述單匝激勵線圈並連或串聯接於高頻電源。

進一步的，所述平面螺旋線圈中，單匝激勵線圈位於平面中心，多匝發射線圈位於單匝激勵線圈的外圍，每匝線圈的幾何中心均位於同一點。

進一步的，所述平面螺旋線圈中，多匝發射線圈位於平面中心，單匝激勵線圈位於多匝發射線圈的外圍，每匝線圈的幾何中心均位於同一點。

更進一步的，所述平面螺旋線圈中，每匝線圈都為多邊形或圓形。

再進一步，所述平面螺旋線圈中，每匝線圈都為與所在面對應的多邊形。

進一步的，所述三維立體結構為正多面體。

進一步的，所述三維立體結構為由多邊形組成的三維球體。

進一步的，所述三維立體結構為空心結構，便於電磁發射部分與導線之間的連接。

進一步的，所述高頻電源設置在底座上。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果，本發明所述的一種新型無線電能傳輸全向三維發射線圈裝置，克服了現有技術採用的傳統線圈結構具有方向敏感性的局限，而是採用三維立體結構，這種三維立體結構發射線圈不僅能滿足單源多負載供電系統的需要，滿足接收裝置高自由度移動的需求，還能保證在任意角度下能量傳輸的穩定性，減小系統體積，這種全向三維傳輸線圈裝置適合於對任意空間位置的運動設備供電。

附圖說明

圖1是一種新型無線電能傳輸全向三維正十二面體發射線圈裝置示意圖；

圖2是一種新型無線電能傳輸全向三維球體發射線圈裝置示意圖；

具體實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

本發明所述的一種新型無線電能傳輸全向三維發射線圈裝置，選擇三維立體結構作為發射線圈的承載機構，所述三維立體結構具有對稱性與穩定性，有利於實現多方向的穩定電能傳輸。

三維立體結構可以為多面體，每個面都為相應的一個多邊形，分別在每個面放置平面螺旋線圈，設置單匝的多邊形激勵線圈位於平面中心或外圍，與外圍或中心多匝的發射線圈共同構成電磁發射部分，其每匝都為多邊形或圓形，且每匝線圈的幾何中心均位於同一點，同一面內所有匝線圈均位於同一面內。

各面單匝激勵線圈並連或串聯接於設置在底座的高頻電源。

三維立體結構設定為空心結構，便於發射裝置與導線之間的連接。

三維立體結構可以為正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體及正二十面體等正多面體，也可為一種或多種多邊形組成的三維結構體，甚至為球體。

各面的螺旋平板線圈形狀可以為相應多面體對應的多邊形，也可為平板螺旋圓形線圈。

在各面有效面積一定，各面平板線圈結構、大小及諧振頻率一定的情況下，多面體面數越多，發射線圈的傳輸方向自由度越高，發出的磁場分布越均勻。

下面分別以圖1與圖2作為具體應用的實例：

實施例1

如圖1所示，本實施案例提供一種新型無線電能傳輸全向三維正十二面體發射線圈裝置，所述正十二面體包括12個正五邊形構成，每個面都為相應的一個正五邊形。

分別在每個面放置平面螺旋線圈，設置單匝的正五邊形激勵線圈位於中心，與外圍多匝的發射線圈共同構成電磁發射部分，其每匝都為正五邊形，且每匝線圈的幾何中心均位於同一點，同一面內所有匝線圈均位於同一面內。

該正十二面體設定為空心結構，便於發射裝置與其它導線之間的連接。

實施例2

如圖2所示，本實施案例提供一種新型無線電能傳輸全向三維球體發射線圈裝置。球體的三維立體結構可為正多面體，各面的多邊形邊數均是一樣的，邊數越多越接近球；亦可為由多種多邊形組成的三維球體，此實施案例採用由正六邊形與正五邊形組成的類足球幾何體。

分別在每個面放置平面螺旋線圈，在正六邊形面內，設置單匝的正六邊形激勵線圈位於中心，與外圍多匝的發射線圈共同構成電磁發射部分，其每匝都為正六邊形，在正五邊形面內，設置單匝的正五邊形激勵線圈位於中心，與外圍多匝的發射線圈共同構成電磁發射部分，其每匝都為正五邊形，每匝線圈的幾何中心均位於同一點，同一面內所有匝線圈均位於同一面內。

該三維球體設定為空心結構，便於發射裝置與其它導線之間的連接。

需要說明的是，在實施例1和實施例2中，都是單匝激勵線圈位於平面中心，多匝發射線圈位於單匝激勵線圈的外圍；也可以採用多匝發射線圈位於平面中心，單匝激勵線圈位於多匝發射線圈的外圍，同樣每匝線圈的幾何中心均位於同一點。

另外，在實施例1和實施例2中，每匝線圈都為與其所在面對應的多邊形；也可以採用每匝線圈都為圓形或其他多邊形的技術方案。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。