一种负载随机位置动态无线受电收发线圈

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，尤其是涉及一种负载随机位置动态无线受电收发线圈。

背景技术

无线电能传输技术是一种利用高频磁场将电能从电源端传输至用电负载端的新兴技术，目前该技术主要有静态无线充电和动态无线供电两种。在动态无线供电技术中，电能发射端能为移动负载实时提供电能，有效提升了系统的工作效率，现有的动态无线供电导轨多为长导轨式或分段导轨式结构，这些结构只保证对导轨正上方区域内的负载高效供电，负载横向偏移能力较差，这使得移动负载只能在导轨所在区域内进行直线往返运动，造成系统内负载的移动收到很大限制。随着实际应用场景中智能化程度的提高，移动负载的工作区域逐渐增大，且其工作位置也因自身任务的变化而具有较大的随机性，而现有的导轨式磁耦合机构只能为移动路径固定的负载供电，并不能满足以上要求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种负载随机位置动态无线受电收发线圈，以解决而现有的导轨式磁耦合机构只能为移动路径固定的负载供电的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种负载随机位置动态无线受电收发线圈，包括发射端、与发射端相对应设置的接收端，所述发射端内设有多个正方形平面线圈，多个所述正方形平面线圈将多个相应的供电区域合并形成系统供电区域；

所述接收端内设有十字形接收补偿线圈；

所述十字形接收补偿线圈与正方形平面线圈动态磁耦合。

进一步的，所述发射端包括外侧发射线圈、内嵌线圈、铁氧体板；

所述外侧发射线圈、内嵌线圈均为正方形线圈，铁氧体板为正方形板；

所述外侧发射线圈的几何中心与内嵌线圈沿的几何中心重合，外侧发射线圈的侧边与内嵌线圈的侧边平行，所述铁氧体板位于外侧发射线圈下方。

进一步的，所述外侧发射线圈与内嵌线圈内电流流向相反。

进一步的，所述接收端由平面接收线圈与十字形补偿接收线圈构成，十字形补偿接收线圈的几何中心点与平面接收线圈的几何中心点重合，十字形补偿接收线圈的轴线与平面接收线圈的侧边平行，所述十字形补偿接收线圈位于平面接收线圈下方；

所述平面接收线圈由平面正方形线圈和位于平面正方形线圈上方的铁氧体板组成；

所述十字形补偿接收线圈由四个正方体螺旋线圈和一块十字形铁氧体组成。

进一步的，所述正方体螺旋线圈紧密绕制在十字形铁氧体上，处于十字形铁氧体相对应的两个轴体上的两个正方体螺旋线圈由一根导线绕制而成。

相对于现有技术，本发明所述的一种负载随机位置动态无线受电收发线圈具有以下有益效果：

本发明所述的一种负载随机位置动态无线受电收发线圈，为了使移动负载在供电区域内任意位置处均稳定接收电能，采用多个正方形平面线圈内嵌来扩大系统供电区域，同时通过在接收端增设十字形接收补偿线圈的方法令接收端功率在供电区域内平稳分布。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的发射端结构示意图；

图2为本发明实施例所述的动态磁耦合机构数学模形示意图；

图3为本发明实施例所述的P点处z轴方向磁感应强度随偏移距离的变化曲线示意图；

图4为本发明实施例所述的P点处y轴方向磁感应强度随偏移距离的变化曲线示意图；

图5为本发明实施例所述的接收端结构示意图；

图6为本发明实施例所述的移动负载偏移方向示意图；

图7为本发明实施例所述的系统接收功率随横向偏移距离的变化曲线示意图；

图8为本发明实施例所述的系统接收功率随对角偏移距离的变化曲线示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1、图5所示：一种负载随机位置动态无线受电收发线圈，包括发射端与接收端，发射端内设有多个正方形平面线圈，接收端内设有十字形接收补偿线圈；多个正方形平面线圈将多个相应的供电区域合并形成系统供电区域；十字形接收补偿线圈与正方形平面线圈形成动态磁耦合结构。

当两发射线圈的电流流向相反时，其激发的磁场会在发射端外围区域相互叠加，进而达到扩大系统供电区域的目的，同时通过在接收端增设十字形接收补偿线圈的方法令接收端功率在供电区域内平稳分布。

发射端包括外侧发射线圈、内嵌线圈、铁氧体板；外侧发射线圈、内嵌线圈、铁氧体板均为正方形平面结构；外侧发射线圈的几何中心与内嵌线圈沿的几何中心重合，外侧发射线圈的侧边与内嵌线圈的侧边平行，铁氧体板位于外侧发射线圈下方。

外围发射线圈尺寸为1000*1000*2.5mm，内嵌线圈尺寸为400*400*2.5mm，线圈匝数均为10匝，铁氧体尺寸为1100*1100*2mm，两线圈在空间位置上呈几何中心点重合对称放置；外侧发射线圈与内嵌线圈内电流流向相反。

如图2所示：发射端扩大系统供电区域的原理如下：

以发射端几何中心点为原点建立空间直角坐标系，建立的动态磁耦合机构数学模形，根据毕奥-萨伐尔定律，一段长直导线在空间内任意一点处的磁感应强度为：

式中，μ

由于接收线圈与发射线圈所在平面均与xoy平面平行，根据电磁感应定律，只有z轴方向的磁感应强度分量对能量传输起作用，根据上述公式可进一步求得嵌套式发射线圈在P点处z轴方向总的磁感应强度B

B

其中

如图3所示：令a

发射端在拓宽系统供电区域的同时，由于两发射线圈电流反向，导致发射机构上方区域内的磁场分为正向和反向两个区域，供电区域内存在一些位置使得平面接收线圈同时处于两个区域上方，且通过平面接收线圈的磁通量大小相等、大小相反，根据法拉第电磁感应定律，此时接收端的感应电压为零。

如图4所示：为了解决接收端在部分位置感应电压为零的情况，可以对x、y轴方向的磁场分量作进一步分析，由于磁耦合机构为对称结构，x、y轴方向的磁场分布情况一致，因此以y轴方向的磁场分量为例对嵌套式发射模组进行了进一步分析，求出y轴方向磁感应强度分量的分布情况；y轴方向的磁感应强度分量整体呈原点对称，其主要分布在内嵌线圈的边缘区域，且在内嵌线圈边缘处取得最大值，而在发射端的中心和外围分布很小；根据y轴方向的磁感应强度分布特点，在接收端增设接收补偿线圈对x、y轴方向的磁场分量加以利用，这样既可以补偿部分区域内接收端功率很小甚至为零的情况，同时对剩余区域内的功率分布产生较小的影响。

如图5所示：接收端由平面接收线圈与十字形补偿接收线圈构成；平面接收线圈由平面正方形线圈和位于平面正方形线圈上方的铁氧体板组成；平面正方形线圈尺寸为200*200*2.5mm，匝数为10匝，铁氧体板尺寸为250*250*2mm，其中正方形线圈主要与z轴方向磁场产生耦合，而铁氧体板可有效提升收发线圈间的耦合性能，同时还能起到减小系统漏磁的效果；十字形补偿接收线圈由四个正方体螺旋线圈和一块十字形铁氧体组成，十字形铁氧体尺寸为190*50*3mm。

正方体螺旋线圈紧密绕制在十字形铁氧体上，正方体螺旋线圈线径为2.5mm，匝数为40匝，处于十字形铁氧体相对应的两个轴体上的两个正方体螺旋线圈由一根导线绕制而成，正方体螺旋线圈的主要作用是与横向磁场产生耦合，十字形铁氧体的作用是提升发射线圈与补偿接收线圈间的耦合效果。

为了验证所提出的本发明具有大面积供电区域且在供电区域内的任意位置均能提供稳定的电能补给，搭建了嵌套式动态无线供电系统实验平台，并设计了接收端偏移实验。

如图6所示：由于整个磁耦合机构为对称结构，因此选择了横向和对角两个偏移方向，实验中令电能发射端固定不变，接收端由发射模组几何中心点上方沿偏移方向逐渐偏移，并记录下偏移过程中接收功率的分布情况。

如图7、图8所示：为了保证供电区域内接收功率平稳分布，以发射端几何中心点处对应的接收功率为基准值，限定接收功率的波动不得超过25％，以此计算得出的横向有效偏移距离为402.4mm，对角有效偏移距离为586.3mm。

从实验结果可以看出，本发明能够提供大范围的供电区域，且具有可靠、稳定的供电能力，可以满足移动负载在一定平面区域内随机位置下的受电需求

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。