CN108987079A - 无线电能传输多向发射三维线圈及无线电能传输*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无线电能传输多向发射三维线圈及无线电能传输***。该发射三维线圈包括：三维立体骨架；其中，三维立体骨架以铁芯为棱，通过非导磁材料为顶点连接的三维立体结构，以作为发射三维线圈的承载机构；三维立体骨架的每个棱上均绕设有发射线圈，用于将电能转换为电磁能量以实现无线电能的传输。本发明采用三维立体结构，不仅能满足单电源，多个不同位置的负载同时供电的需要，满足接收装置高自由度移动的需求，进而提升无线电能传输***的自由度与灵活性，提高传输***磁场的空间均匀性，减少接收***对发射***的依赖性，实现单源多负载***及任意空间位置的接收装置的稳定电能传输，进而提高无线电能传输的传输效率和传输稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体而言，涉及一种无线电能传输多向发射三维线圈及无线电能传输***。
背景技术
无线电能传输技术（Wireless Power Transfer—WPT）也称之为非接触电能传输技术(Contactless Power Transmission—CPT)，是一种借助于空间无形软介质（如电场、磁场、微波、激光、超声波等）实现将电能由电源端传递至用电设备的一种供电模式，是电能传输和接入的一种革命性的进步。无线电能传输有效地解决了电源的便捷、安全接入问题，解决了传统直接接触式输电模式所带来的插电火花、积碳、不易维护、易产生磨损等问题，特别是在特殊环境下用电存在的安全隐患问题。
2007年，美国麻省理工学院的研究人员采用高频电磁谐振耦合方式实现了电能的中程无线传输，在间隔2m距离给60W灯泡供电时效率约为40%。这一重大进展又激起了国内外研究人员对磁耦合谐振式无线电能传输技术的兴趣，众多学者在提高传输功率和效率，以及传输距离等方面进行了深入的研究。然而无线电能传输技术在应用过程中受到其传输方向性的制约，目前在无线电能传输研究及产品领域的发射线圈通常是平面型或圆柱形结构，这种结构有很强的方向性，只能在一个维度上进行电能的高效无线传输，即在传统无线电能传输***中，接收线圈与发射线圈对方向较为敏感，在单个方向上可以获得足够的传输功率，但方向改变时传输功率急剧下降，故其多为平行放置。
然而在实际应用中，对于单源多负载***及任意空间位置的接收机构，接收线圈和磁场的相对空间关系会发生变化，接收线圈的平面法向就会出现和磁场方向不平行甚至垂直的情况，那么接收线圈中的传输特性会随两线圈平面法向夹角的变化而变化，降低了***的传输稳定性，即一旦接收线圈和发射线圈存在较大的相对偏移，传输功率会随着两线圈平面法向夹角的变大而急剧下降，尤其在实际应用场景中的单源多负载的情况下，没有正对发射线圈的负载线圈的传输效率和传输稳定性将会大大降低，甚至无法接收到能量。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种无线电能传输多向发射三维线圈及无线电能传输***，旨在解决现有接收线圈和发射线圈存在相对偏移致使传输效率降低的问题。
一方面，本发明提出了一种无线电能传输多向发射三维线圈，该发射三维线圈包括：三维立体骨架；其中，所述三维立体骨架以铁芯为棱，通过非导磁材料为顶点连接的三维立体结构，以作为所述发射三维线圈的承载机构；所述三维立体骨架的每个棱上均绕设有发射线圈，用于将电能转换为电磁能量以实现无线电能的传输。
进一步地，上述无线电能传输多向发射三维线圈，各所述发射线圈均经由调谐电路并联接于高频电源上。
进一步地，上述无线电能传输多向发射三维线圈，所述调谐电路包括串联或并联的电容及电感元件，用于使得各所述发射线圈的谐振频率与所述高频电源的输出频率相对应。
进一步地，上述无线电能传输多向发射三维线圈，所述发射线圈均以螺旋式绕制于所述三维立体骨架的棱上。
进一步地，上述无线电能传输多向发射三维线圈，各所述发射线圈的几何中心与其绕设的棱的几何中心重合设置。
进一步地，上述无线电能传输多向发射三维线圈，所述三维立体骨架为一种或多种多边形组成的三维结构体。
进一步地，上述无线电能传输多向发射三维线圈，所述三维立体骨架为空心正多面体。
进一步地，上述无线电能传输多向发射三维线圈，所述铁芯为圆柱体结构。
进一步地，上述无线电能传输多向发射三维线圈，所述铁芯通过铁氧体材料制成。
本发明提供的无线电能传输多向发射三维线圈，通过铁芯和非导磁材料连接组合成三维立体结构的三维立体骨架，以便作为发射三维线圈的承载机构，且三维立体结构具有对称性与稳定性，有利于实现多方向的稳定电能传输；三维立体骨架的每个棱上均绕设有发射线圈，用于将电能转换为其他形式的电磁能量以隔空传输。与现有技术相比，该无线电能传输多向发射三维线圈克服了现有技术采用的传统线圈结构具有方向敏感性的局限，而是采用三维立体结构，这种三维立体结构发射线圈不仅能满足单电源，多个不同位置的负载同时供电的需要，满足接收装置高自由度移动的需求，进而提升无线电能传输***的自由度与灵活性，提高传输***磁场的空间均匀性，减少接收***对发射***的依赖性，实现单源多负载***及任意空间位置的接收装置的稳定电能传输，进而提高无线电能传输的传输效率和传输稳定性；同时，该无线电能传输多向发射三维线圈还能保证在多角度下能量传输的稳定性，减小***体积，这种多向三维传输线圈装置适合于对空间位置不固定的运动设备供电。
另一方面，本发明还提出了一种无线电能传输***，该***设置有上述无线电能传输多向发射三维线圈。
由于无线电能传输多向发射三维线圈具有上述效果，所以具有无线电能传输多向发射三维线圈的无线电能传输***也具有相应的技术效果。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的无线电能传输多向发射三维线圈的第一结构示意图；
图2为本发明实施例提供的无线电能传输多向发射三维线圈的第二结构示意图；
图3为本发明实施例提供的无线电能传输***的结构框图；
图4为本发明实施例提供的无线电能传输多向接收三维线圈的第一结构示意图；
图5为本发明实施例提供的无线电能传输多向接收三维线圈的第二结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。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。
发射三维线圈实施例：
参见图1和图2，其示出了无线电能传输多向发射三维线圈的优选结构，如图所示，该无线电能传输多向发射三维线圈10包括：三维立体骨架1；其中，三维立体骨架1以铁芯11为棱，通过非导磁材料12为顶点连接的三维立体结构，以作为发射三维线圈的承载机构。三维立体结构具有对称性与稳定性，有利于实现多方向的稳定电能传输。
具体而言，铁芯11为圆柱体结构，以便减小铁芯11对发射线圈2的磨损。优选地，铁芯11通过铁氧体材料制成，铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物，就电特性来说，铁氧体的电阻率比金属、合金磁性材料大得多，而且还有较高的介电性能，同时铁氧体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率，以便提高该无线电能传输多向发射三维线圈的稳定性。铁芯11按照的三维立体结构的空间分布固定，并通过非导磁材料12连接组合成多面体，即三维立体骨架1为一种或多种多边形组成的三维结构体；进一步优选地，三维立体骨架1为空心正多面体，例如正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体及正二十面体等正多面体，以便确保三维立体骨架1的各棱相同，进而提高传输***磁场的空间均匀性，减少接收***对发射***的依赖性，同时其内部中空便于将调谐电路和高频电源设置在三维立体骨架1内部或外部，进而便于该发射三维线圈与其它导线之间的连接，使得该线圈结构紧凑。其中，非导磁材料12可以为球状结构。
继续参见图1和图2，三维立体骨架1的每个棱上均绕设有发射线圈2，用于将电能转换为其他形式的电磁能量以隔空传输，进而实现无线电能的传输。
具体而言，各铁芯11上均绕设有发射线圈2；优选地，各发射线圈2均以螺旋式绕制于三维立体骨架11的棱上即其对应的铁芯11上；优选地，发射线圈2设置于其对应的铁芯11的中间位置；进一步优选地，发射线圈2的几何中心与其绕设的棱的几何中心重合设置，即各发射线圈2的几何中心与其绕设的铁芯11的几何中心均位于同一点。各发射线圈2的两个端子引出，均经由调谐电路并联接于高频电源上即与调谐电路串联且并联接于高频电源上，也就是说，与调谐电路串联且由高频电源供电，实现电能的转换和隔空传输；当然，各发射线圈2连接调谐电后的两个端子引出后并联接于高频电源。其中，调谐电路包括串联或并联的电容及电感元件，用于使得各发射线圈2的谐振频率与高频电源的输出频率相对应，优选地，使得各发射线圈2的谐振频率与高频电源的输出频率一致。
在各棱长度一定，各棱上的发射线圈2的结构、大小及谐振频率一定的情况下，三维立体骨架11即多面体棱数越多，该发射三维线圈的传输方向自由度越高，发出的磁场分布越均匀。
下面分别以图1与图2作为具体应用的实例：
实施例1:
如图1所示，三维立体骨架1为正六面体，正六面体的12个棱由圆柱型的铁氧体的铁芯11构成，各个棱由非导磁材料12制作的顶点连接，作为发射三维线圈的承载机构。
分别在每个棱上以螺旋式缠绕发射线圈2，其为圆柱形螺旋线圈，每个棱的发射线圈2的两个端子引出，经调谐电路后并联接于高频电源。
该正六面体为空心结构，便于该发射三维线圈与导线之间的连接，调谐电路与高频电源设置在空心正多面体内部。
实施例2
如图2所示，三维立体骨架1为正十二面体，正十二面体的30个棱由圆柱型的铁氧体的铁芯11构成，各个棱由非导磁材料12制作的顶点连接作为发射三维线圈的承载机构。
分别在每个棱上以螺旋式缠绕发射线圈2，其为圆柱形螺旋线圈，每个棱的发射线圈2的两个端子引出，经调谐电路后并联接于高频电源。
该正十二面体为空心结构，便于该发射三维线圈与导线之间的连接，调谐电路与高频电源设置在空心正多面体内部。
综上，本实施例提供的无线电能传输多向发射三维线圈，通过铁芯11和非导磁材料12连接组合成三维立体结构的三维立体骨架1，以便作为发射三维线圈的承载机构，且三维立体结构具有对称性与稳定性，有利于实现多方向的稳定电能传输；三维立体骨架1的每个棱上均绕设有发射线圈2，用于将电能转换为其他形式的电磁能量以隔空传输。与现有技术相比，该无线电能传输多向发射三维线圈克服了现有技术采用的传统线圈结构具有方向敏感性的局限，而是采用三维立体结构，这种三维立体结构发射线圈不仅能满足单电源，多个不同位置的负载同时供电的需要，满足接收装置高自由度移动的需求，进而提升无线电能传输***的自由度与灵活性，提高传输***磁场的空间均匀性，减少接收***对发射***的依赖性，实现单源多负载***及任意空间位置的接收装置的稳定电能传输，进而提高无线电能传输的传输效率和传输稳定性；同时，该无线电能传输多向发射三维线圈还能保证在多角度下能量传输的稳定性，减小***体积，这种多向三维传输线圈装置适合于对空间位置不固定的运动设备供电。
***实施例：
本实施例还提出了一种无线电能传输***，该***上设置有上述无线电能传输多向发射三维线圈10。其中，无线电能传输多向发射三维线圈10的具体实施过程参见上述说明即可，本实施例在此不再赘述。
参见图3，其示出了无线电能传输***的结构框图；该***还包括无线电能传输多向接收三维发射线圈20，无线电能传输多向接收三维发射线圈20与无线电能传输多向发射三维线圈10非接触连接，用于接收无线电能传输多向发射三维线圈10传输的电磁能量，并将电磁能量转换为电能，实现无线电能的传输。
参见图4和图5，其示出了无线电能传输多向接收三维线圈的优选结构；该无线电能传输多向接收三维发射线圈20，以三维立体接收结构3作为接收三维发射线圈20的承载机构，三维立体结构具有对称性与稳定性，有利于实现多方向的稳定电能接收；三维立体接收结构3为多面体，其若干个侧面均设有平面螺旋线圈4。
具体而言，三维立体接收结构3可以为多面体，其中球体为一种特殊的多面体，其每个面都为相应的一个多边形，当然，各多边形之间可以为一种或多种，即三维立体接收结构3为一种或多种多边形组成的三维立体结构体包括球体结构。选择三维立体接收结构3的若干个面，所选的侧面上均设有平面螺旋线圈4，平面螺旋线圈4呈平面螺旋式设置，即三维立体接收结构3的若干个侧面设有多匝呈平面螺旋式设置的线圈；平面螺旋线圈4中，每匝线圈均为多边形或圆形，每匝线圈的几何中心位于三维立体接收结构3对应侧面的几何中心位置，以使各面上平面螺旋线圈4尺寸大小相同；优选地，平面螺旋线圈4中，每匝线圈均为其所在面对应的多边形，以便进一步提高线圈的利用率，进而进一步提高该接收三维线圈的稳定性和接收效率。
继续参见图1和图2，三维立体接收结构3为空心正多面体，例如正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体及正二十面体和球体等正多面体，以便确保三维立体骨架1的各棱相同，进而提高传输***磁场的空间均匀性，减少接收三维发射线圈20对发射线圈的依赖性，同时其内部中空便于将整流稳压电路及负载设置在三维立体接收结构3内部或外部，进而便于该接收三维发射线圈20与其它导线之间的连接，使得该线圈结构紧凑，以使该结构简单便于携带。为了消除各个面上的平面螺旋线圈4之间的互感影响，优选地，三维立体接收结构3的侧面上设有铁氧体；进一步优选地，铁氧体粘贴于三维立体接收结构3的侧面上，平面螺旋线圈4绕制于铁氧体上。为了消除三维立体接收结构3对铁氧体及平面螺旋线圈4的影响，三维立体接收结构3由非导磁绝缘材料制成。
继续参见图1和图2，各平面螺旋线圈4由一根导线绕制在其对应的侧面上，或各平面螺旋线圈4串联连接，用于接收电磁能量并将电磁能量转换为电能以实现无线电能的传输。
具体而言，三维立体接收结构3上各侧面上的平面螺旋线圈4有一根导线依次在其对应的侧面上螺旋式绕制，或者通过导线串联连接。导线的两个端口或平面螺旋线圈4串联后的两个端口，与整流稳压电路和负载相连，以便实现电磁能量的接收。
在三维立体接收结构3各面有效面积一定，各面平面螺旋线圈4结构、大小及谐振频率一定的情况下，三维立体接收结构3面数越多，该接收三维线圈的能量接收方向自由度越高，输出功率及效率越稳定。
下面分别以图4与图5作为具体应用的实例：
实施例3
如图4所示，以三维立体接收结构3作为接收三维发射线圈20的承载机构，三维立体接收结构3为正六面体，正六面体包括6个正四边形构成，每个面都为相应的一个正四边形。
各个面粘贴铁氧体，各个面的平面螺旋线圈4由一根导线绕制在各个面上，平面螺旋线圈4的每匝均为正四边形，且每匝线圈的几何中心均位于正六面体各个面的中心，同一面内所有匝线圈均位于同一面内，各个面线圈尺寸大小相同。
为了使结构简单便携，三维立体接收结构3为空心正多面体。
实施例4
如图5所示，以三维立体接收结构3作为接收三维发射线圈20的承载机构，三维立体接收结构3为正四面体，正四面体包括4个正三边形构成，每个面都为相应的一个正三边形。
各个面粘贴铁氧体，各个面的平面螺旋线圈4由一根导线绕制在各个面上，平面螺旋线圈4的每匝均为正三边形，且每匝线圈的几何中心均位于正四面体各个面的中心，同一面内所有匝线圈均位于同一面内，各个面线圈尺寸大小相同。
为了使结构简单便携，三维立体结构为空心正多面体。
另外，在实施例3和实施例4中，每匝线圈都为与其所在面对应的多边形；也可以采用每匝线圈都为圆形或其他多边形的技术方案。
由于无线电能传输多向发射三维线圈10具有上述效果，所以具有无线电能传输多向发射三维线圈的无线电能传输***也具有相应的技术效果。
进一步地，本实施例提供的无线电能传输多向接收三维线圈，以三维立体接收结构3作为所述接收三维线圈20的承载机构，且三维立体结构具有对称性与稳定性，有利于实现多方向的稳定电能传输；三维立体接收结构3为多面体，其若干个侧面均设有平面螺旋线圈4，以便接收电磁能量并将电磁能量转换为电能以实现无线电能的传输。与现有技术相比，该无线电能传输多向接收三维线圈克服了现有技术采用的传统线圈结构具有方向敏感性的局限，而是采用三维立体结构，以使该无线电能传输多向接收三维线圈不仅能接收来自多个不同方向的无线电能，这种三维立体结构发射线圈不仅能满足单电源，多个不同位置的负载同时供电的需要，满足接收线圈高自由度移动的需求，进而提升无线电能传输***的自由度与灵活性，提高传输***磁场的空间均匀性，减少接收三维线圈对发射***的依赖性，实现多源多负载***及任意空间位置的接收装置的稳定电能传输，进而提高无线电能传输的传输效率和传输稳定性；同时，该无线电能传输多向接收三维线圈还能保证在多角度下能量传输的稳定性，减小***体积，这种多向三维传输线圈装置适合于对空间位置不固定的运动设备供电。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种无线电能传输多向发射三维线圈，其特征在于，包括：三维立体骨架（1）；其中，
所述三维立体骨架（1）以铁芯（11）为棱，通过非导磁材料（12）为顶点连接的三维立体结构，以作为所述发射三维线圈的承载机构；
所述三维立体骨架（1）的每个棱上均绕设有发射线圈（2），用于将电能转换为电磁能量以实现无线电能的传输。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输多向发射三维线圈，其特征在于， 各所述发射线圈（2）均经由调谐电路并联接于高频电源上。
3.根据权利要求2所述的无线电能传输多向发射三维线圈，其特征在于，
所述调谐电路包括串联或并联的电容及电感元件，用于使得各所述发射线圈（2）的谐振频率与所述高频电源的输出频率相对应。
4.根据权利要求1至3任一项所述的无线电能传输多向发射三维线圈，其特征在于，所述发射线圈（2）均以螺旋式绕制于所述三维立体骨架（1）的棱上。
5.根据权利要求4所述的无线电能传输多向发射三维线圈，其特征在于，各所述发射线圈（2）的几何中心与其绕设的棱的几何中心重合设置。
6.根据权利要求1至3任一项所述的无线电能传输多向发射三维线圈，其特征在于，所述三维立体骨架（1）为一种或多种多边形组成的三维结构体。
7.根据权利要求6所述的无线电能传输多向发射三维线圈，其特征在于，
所述三维立体骨架（1）为空心正多面体。
8.根据权利要求1至3任一项所述的无线电能传输多向发射三维线圈，其特征在于，所述铁芯（11）为圆柱体结构。
9.根据权利要求1至3任一项所述的无线电能传输多向发射三维线圈，其特征在于，所述铁芯（11）通过铁氧体材料制成。
10.一种无线电能传输***，其特征在于，设置有如权利要求1至9任一项所述的无线电能传输多向发射三维线圈。
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| CN201810602533.5A CN108987079A (zh) | 2018-06-12 | 2018-06-12 | 无线电能传输多向发射三维线圈及无线电能传输*** |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810602533.5A CN108987079A (zh) | 2018-06-12 | 2018-06-12 | 无线电能传输多向发射三维线圈及无线电能传输*** |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109450115A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-08 | 深圳蔚蓝无限科技有限公司 | 无线电能发射装置及无线充电的发射端 |
| CN112865337A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-05-28 | 华中科技大学 | 一种能实现多自由度多负载无线电能传输装置 |
| CN114123548A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-01 | 江苏科技大学 | 立体式发射和接收的无线充电*** |
-
2018
- 2018-06-12 CN CN201810602533.5A patent/CN108987079A/zh active Pending
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