無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，通過(guò)調(diào)整發(fā)射線圈內(nèi)的電流，實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度與范圍隨接收線圈位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；發(fā)射線圈內(nèi)的電流通過(guò)調(diào)整發(fā)生線圈內(nèi)各支路的電感量來(lái)實(shí)現(xiàn)，電感的調(diào)整采用無(wú)源的方式?；诒痉椒ǖ难b置，射線圈包括多個(gè)線圈繞組，線圈繞組構(gòu)成多個(gè)電流支路，電流支路上均設(shè)有磁芯環(huán)，磁芯環(huán)套接在所述電流支路所在的線圈繞組上，磁芯環(huán)上設(shè)有控制電感繞組。本發(fā)明采用線圈電流的無(wú)源動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。不僅實(shí)現(xiàn)了耦合線圈位置偏移情況下的互感調(diào)整，還克服了現(xiàn)有方案存在的耦合系數(shù)低、磁場(chǎng)泄漏范圍大、損耗高等缺點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域，尤其涉及無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整 方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線電能傳輸技術(shù)由于具有便捷、可靠、安全、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，擺脫了傳統(tǒng) 接觸式電能傳輸方式的線纜及傳導(dǎo)接口限制，可實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境下高可靠性和高絕緣要求的 電能傳輸(例如，人體植入設(shè)備、智能藥丸、高壓線路、水下機(jī)器人等）。在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng) 中，電能的無(wú)線傳輸通過(guò)磁親線圈的電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)高效率、穩(wěn)定的無(wú)線電能傳 輸，要求耦合線圈的互感在線圈位置偏移時(shí)的變化較小，即位置容差大。
[0003] 同時(shí)，為了使耦合線圈的互感在位置偏移時(shí)的變化較小，可采用具有"雙極結(jié)構(gòu)" 的接收線圈，其接收端包含相互解耦的多個(gè)子線圈。多正交繞組方案雖然能夠保持耦合系 數(shù)，但是其功率變換電路需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，造成系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜化，且其整體耦合系數(shù)的變 化范圍仍然較大。
[0004] 采用伺服電機(jī)控制線圈位置，實(shí)現(xiàn)線圈位置的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，也是提高耦合線圈位置 容差的方法之一。但是伺服電機(jī)成本高、控制方案復(fù)雜，且存在機(jī)械壽命等問(wèn)題。
[0005] 另一類方法則是通過(guò)令發(fā)射線圈在接收線圈平面上產(chǎn)生均勻的軸向（垂直)磁場(chǎng)。 當(dāng)磁耦合結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)平移時(shí)，其耦合系數(shù)與互感可維持恒定。由于這類方法需要在指定 平面上產(chǎn)生恒定的軸向磁場(chǎng)，因此其磁場(chǎng)利用率不高，耦合系數(shù)較低。例如下圖中的方案， 采用環(huán)形線圈與渦狀線圈進(jìn)行混合的線圈結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻的軸向磁場(chǎng)平面。環(huán)形線圈的磁 場(chǎng)為中間較高，而渦狀線圈的磁場(chǎng)中間較低，兩者結(jié)合可以產(chǎn)生大致均勻的磁場(chǎng)平面。但是 這種方案的線圈磁場(chǎng)泄漏范圍較大、耦合系數(shù)低、損耗大。
[0006] 在現(xiàn)有的技術(shù)方案中，利用多子線圈正交、機(jī)械控制線圈位置、線圈列陣等方法均 不能很好地滿足耦合線圈在位置偏移容差方面的需求。而現(xiàn)有的恒定互感磁耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 方法僅能適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的空心線圈，其耦合系數(shù)低、磁場(chǎng)泄漏范圍大、損耗高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，提供一種有效降低發(fā)射磁場(chǎng)范圍、提高耦合 系數(shù)、降低損耗的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，及本發(fā)明的應(yīng)用裝置。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng) 動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，通過(guò)調(diào)整發(fā)射線圈內(nèi)的電流，實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度與范圍隨接收線圈位 置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整;發(fā)射線圈內(nèi)的電流通過(guò)調(diào)整發(fā)射線圈內(nèi)各支路的電感量來(lái)實(shí)現(xiàn)，電感的 調(diào)整采用無(wú)源調(diào)整的方式；
[0009] 當(dāng)可調(diào)電阻Rv由短路至開路，支路電感Lv所對(duì)應(yīng)的等效感量可調(diào)電感最小值Lvmin 與可調(diào)電感最大值Umax分別為:Lvmin = ( l_k2 ) Lp，Lvmax = Lp ;
[0010] 流過(guò)可調(diào)電阻原邊線圈的電流有效值為I，則可調(diào)電阻Rv的耗散功率為：
[0012]其中，k為主電感與控制電感間的耦合系數(shù)，j為虛數(shù)單位，ω為電流角頻率，Ls為 副邊控制繞組電感，Lp為可調(diào)電阻原邊線圈電感；
[0013] 通過(guò)調(diào)節(jié)Rv值，可以實(shí)現(xiàn)等效感量由LvminSL?dl]的調(diào)整，線匝電感L〈〈Lvmax，L P〈〈 Ls;
[0014] 以以1〇 = [1^，1^一1^]表示電感的調(diào)節(jié)函數(shù)，其變量為各支路的可調(diào)電感1^，其 中電阻值1?=[1^，1^一1^]，發(fā)射線圈磁場(chǎng)范圍的調(diào)整相當(dāng)于打開或關(guān)閉特定支路具開路 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體支路也相當(dāng)于開路，動(dòng)態(tài)調(diào)整各Rv值，實(shí)現(xiàn)線圈導(dǎo)體電流比例的重新分 配。
[0015] -種基于所述的無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法的裝置，包括發(fā)射線 圈，發(fā)射線圈包括多個(gè)線圈繞組，每個(gè)線圈繞組構(gòu)成電流支路，所述電流支路上均設(shè)有磁芯 環(huán)，磁芯環(huán)套接在所述電流支路所在的線圈繞組上，磁芯環(huán)上設(shè)有控制電感繞組，所述控制 電感繞組穿過(guò)磁芯環(huán)的中部，環(huán)繞在所述磁芯環(huán)的環(huán)體上；
[0016] 所述磁芯環(huán)的材料為導(dǎo)磁材料。
[0017] 作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述磁芯環(huán)上設(shè)置有氣隙。
[0018] 作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)，所述發(fā)射線圈設(shè)置有相應(yīng)的磁場(chǎng)屏蔽層以控制磁場(chǎng)泄 漏范圍。
[0019] 作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)，所述磁芯環(huán)材料為鐵氧體、鐵粉芯、硅鋼片等導(dǎo)磁材 料。
[0020] 進(jìn)一步，所述發(fā)射線圈的形狀和線圈繞組的數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是：
[0022] 本發(fā)明采用線圈電流的無(wú)源動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。不僅 實(shí)現(xiàn)了耦合線圈位置偏移情況下的互感調(diào)整，還克服了現(xiàn)有方案存在的耦合系數(shù)低、磁場(chǎng) 泄漏范圍大、損耗尚等缺點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整不意圖；
[0024] 圖2發(fā)射線圈1的等效電路圖；
[0025] 圖3為并聯(lián)支路電路圖；
[0026]圖4為交流感量的調(diào)整示意圖；
[0027]圖5為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖6為本發(fā)明磁芯環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0030] 在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案中，一旦線圈的導(dǎo)體及磁芯分布確定，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)形式也就 固定。因此，發(fā)射線圈的磁場(chǎng)無(wú)法根據(jù)接收線圈位置及工況進(jìn)行最佳化調(diào)整。
[0031] 發(fā)射磁場(chǎng)的產(chǎn)生取決于導(dǎo)體電流分布。如果能夠動(dòng)態(tài)控制各導(dǎo)體的電流比例，那 么不僅可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)控制，互感也可以動(dòng)態(tài)調(diào)整。
[0032] 如圖1所示，本發(fā)明的無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，通過(guò)調(diào)整發(fā)射 線圈1內(nèi)的電流3,實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈磁場(chǎng)4強(qiáng)度與范圍隨接收線圈2位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整;發(fā)射線 圈內(nèi)的電流通過(guò)調(diào)整發(fā)射線圈內(nèi)各支路的電感量來(lái)實(shí)現(xiàn)，電感的調(diào)整采用無(wú)源調(diào)整的方 式;無(wú)源調(diào)制是指不需要對(duì)發(fā)射線圈進(jìn)行額外的電壓或電流激勵(lì)。發(fā)射線圈1的等效電路如 圖2所示。
[0033] 本發(fā)明通過(guò)調(diào)整各支路的電感量來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈電流的重分配，其電感的調(diào)整采 用無(wú)源方式，要求感量調(diào)節(jié)范圍大、損耗低、結(jié)構(gòu)體積小。其導(dǎo)體電流控制方法與傳統(tǒng)的線 圈列陣式發(fā)射線圈有很大不同。首先，調(diào)整方法并不改變線圈的實(shí)際拓?fù)洌歉淖儗?dǎo)體電 流比例。其控制不需要功率開關(guān)器件。其次，導(dǎo)體電流是連續(xù)可調(diào)的，可維持磁耦合結(jié)構(gòu)互 感的恒定或動(dòng)態(tài)變化。
[0034] 在交流情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)各電流支路的交流感量，即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體電流的重新分配。 傳統(tǒng)的感量控制方法通過(guò)飽和電抗器(可調(diào)交流電感器)實(shí)現(xiàn)，即利用直流激勵(lì)使得電感的 部分磁芯工作于非線性區(qū)域，實(shí)現(xiàn)等效交流感量的調(diào)節(jié)。但是這種方法需要額外的電流源 激勵(lì)，增加了成本與損耗，且調(diào)節(jié)精度不高。
[0035] 如圖3所示，并聯(lián)支路其感量的調(diào)節(jié)通過(guò)可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)，磁芯工作在線性區(qū)。通過(guò) 參數(shù)設(shè)計(jì)，其電阻、磁芯損耗很低，且調(diào)節(jié)過(guò)程不需要額外的激勵(lì)源。通過(guò)感量的調(diào)節(jié)，兩個(gè) 支路的電流比例滿足：
[0036] WiFas+Ly/ai+Uv)。在實(shí)際的發(fā)射線圈設(shè)計(jì)中，導(dǎo)體支路可存在多個(gè)串并聯(lián) 組合。
[0037] 如圖4所示，其中LP為主電感，Ls為控制電感，則Zv滿足：
[0039] 其中k為主電感與控制電感間的耦合系數(shù)。當(dāng)Rv由短路至開路，Zv所對(duì)應(yīng)的等效感 g Lvmi η-^?Lvmax 力|J 為：Lvmin - ( 1-k ) Lp ； Lvmax - Lp 〇
[0040] 假設(shè)流過(guò)可調(diào)電感的電流有效值為I，則Rv的耗散功率為：
[0042]其中，k為主電感與控制電感間的耦合系數(shù)，j為虛數(shù)單位，ω為電流角頻率，Ls為 副邊控制繞組電感，Lp為可調(diào)電阻原邊線圈電感；
[0043] 由此可見，通過(guò)調(diào)節(jié)Rv值，可以實(shí)現(xiàn)等效感量由間的調(diào)整。
[0044] 本發(fā)明在控制方案上遵循以下原則:①為了實(shí)現(xiàn)電流比例的大幅值控制，要求線 匝電感遠(yuǎn)小于可調(diào)電感最大值，即L〈〈Lvmax。②為了盡量降低R v的損耗，要求LP〈〈LS。這使得 在前述要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加 Ls的阻數(shù)。
[0045] 以L(R) = [Llv，L2v…Lnv]表示電感的調(diào)節(jié)函數(shù)，其變量為各支路的R v。其中R=[Rvl， Rw_Rvn]。發(fā)射磁場(chǎng)范圍的調(diào)整相當(dāng)于打開或關(guān)閉特定支路。Rv開路時(shí)，其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體支路 也相當(dāng)于開路。動(dòng)態(tài)調(diào)整各Rv值，實(shí)現(xiàn)線圈導(dǎo)體電流比例的重新分配，滿足增益調(diào)整、傳輸 距離變化的需要。R v(數(shù)字電位器)的調(diào)整過(guò)程不需要額外的電源，避免了額外損耗。
[0046] 如圖5所示，一種基于所述的無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法的裝置， 包括發(fā)射線圈101，發(fā)射線圈101包括多個(gè)線圈繞組1011，每個(gè)線圈繞組1011上設(shè)有多個(gè)電 流支路(圖中未標(biāo)出），所述電流支路上均設(shè)有磁芯環(huán)102.
[0047] 如圖6所示，磁芯環(huán)102套接在所述電流支路所在的線圈繞組101上，磁芯環(huán)102上 設(shè)有控制電感繞組1021，所述控制電感繞組1021穿過(guò)磁芯環(huán)102的中部，環(huán)繞在所述磁芯環(huán) 102的環(huán)體1022上；
[0048] 所述磁芯環(huán)102的材料為導(dǎo)磁材料，具體可為鐵氧體、鐵粉芯、硅鋼片等導(dǎo)磁材料。
[0049] 所述磁芯環(huán)102與所述線圈繞組101之間設(shè)置有氣隙，設(shè)置氣隙是用于控制繞組電 感量的，特別是對(duì)于高磁導(dǎo)率磁芯。
[0050] 所述發(fā)射線圈101設(shè)置有相應(yīng)的磁場(chǎng)屏蔽層以控制磁場(chǎng)泄漏范圍。
[0051] 所述發(fā)射線圈101的形狀和線圈繞組的數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定。
[0052] 所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明 中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，其特征在于，通過(guò)調(diào)整發(fā)射線圈 內(nèi)的電流，實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度與范圍隨接收線圈位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整;發(fā)射線圈內(nèi)的電 流通過(guò)調(diào)整發(fā)射線圈內(nèi)各支路的電感量來(lái)實(shí)現(xiàn)，電感的調(diào)整采用無(wú)源調(diào)整的方式； 當(dāng)可調(diào)電阻Rv由短路至開路，支路電感Lv所對(duì)應(yīng)的等效感量可調(diào)電感最小值Lvmin與可 調(diào)電感取大值Lvmax分力[J為：Lvmin= ( l_k ) Lp，Lvmax = Lp ; 流過(guò)可調(diào)電阻原邊線圈的電流有效值為I，則可調(diào)電阻Rv的耗散功率為：其中，k為主電感與控制電感間的耦合系數(shù)，j為虛數(shù)單位，ω為電流角頻率，Ls為副邊控 制繞組電感，Lp為可調(diào)電阻原邊線圈電感； 通過(guò)調(diào)節(jié)Rv值，可以實(shí)現(xiàn)等效感量由間的調(diào)整，線匝電感L < < Lvmax，Lp < < Ls; 以以!〇 = [1^丄^_1^]表示電感的調(diào)節(jié)函數(shù)，其變量為各支路的可調(diào)電感心，其中電阻 值R= [Rvl，RwRvn]，發(fā)射線圈磁場(chǎng)范圍的調(diào)整相當(dāng)于打開或關(guān)閉特定支路，Rv開路時(shí)，其 對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體支路也相當(dāng)于開路，動(dòng)態(tài)調(diào)整各R v值，實(shí)現(xiàn)線圈導(dǎo)體電流比例的重新分配。2. -種基于權(quán)利要求1所述的無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法的裝置，其 特征在于，包括發(fā)射線圈，發(fā)射線圈包括多個(gè)線圈繞組，每個(gè)線圈繞組構(gòu)成電流支路，所述 電流支路上均設(shè)有磁芯環(huán)，磁芯環(huán)套接在所述電流支路所在的線圈繞組上，磁芯環(huán)上設(shè)有 控制電感繞組，所述控制電感繞組穿過(guò)磁芯環(huán)的中部，環(huán)繞在所述磁芯環(huán)的環(huán)體上； 所述磁芯環(huán)的材料為導(dǎo)磁材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法的裝置，其 特征在于，所述磁芯環(huán)上設(shè)置有氣隙。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法的裝置，其 特征在于，所述發(fā)射線圈設(shè)置有相應(yīng)的磁場(chǎng)屏蔽層以控制磁場(chǎng)泄漏范圍。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈暇€圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法的裝置，其 特征在于，所述磁芯環(huán)材料為鐵氧體、鐵粉芯、硅鋼片等導(dǎo)磁材料。6. 根據(jù)權(quán)利要求2-5任一所述的基于無(wú)線電能傳輸?shù)挠H合線圈磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整方法的裝 置，其特征在于，所述發(fā)射線圈的形狀和線圈繞組的數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定。
【文檔編號(hào)】H02J50/10GK106026414SQ201610621338
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月1日
【發(fā)明人】黃曉生, 林抒毅, 鄭榮進(jìn), 邵明
【申請(qǐng)人】福建工程學(xué)院