CN112865325B - 三极平面型发射机构及其传输***和电流矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及了一种三极平面型发射机构及其传输***和电流矢量调制方法，所述三极平面型发射机构由两个交叉的双极型线圈和一个圆形线圈组成，并且这三个线圈相互解耦，具备三维全方向电能传输能力，并且该发射机构是一种平面型结构，与平面型接收线圈组成耦合机构，不仅可大大降低耦合机构的维度，还实现了三维全方向无线传能。所述传输***和电流矢量调制方法，设计了一种根据接收线圈的偏移角度自动计算第一线圈、第二线圈和第三线圈的移相角的规则，使得在平面型接收线圈处于任意角度偏移下，电能均向接收线圈所在的方向流动，以保证较高的电能传输效率。

Description

三极平面型发射机构及其传输***和电流矢量调制方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种三极平面型发射机构、一种三极平面型发射机构的传输***和一种三极平面型发射机构的电流矢量调制方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)是一种可以使电能从电源端以非接触的方式传递到负载端的一种新兴技术。由于其安全性和灵活性，该技术已广泛用于消费类电子产品、电动汽车和水下机器人等领域。对于手机或平板电脑无线充电，传统的WPT***中的磁耦合机构由单个发射线圈和单个接收线圈组成。当发射线圈和接收线圈之间出现角度偏移时，耦合系数将减小，从而导致***的输出功率和效率急剧下降，甚至导致***无法工作。这种现象将会制约WPT技术在消费电子产品中的推广应用。

为解决上述问题，全方向WPT***应运而生。全方向WPT***较于传统的WPT***具有良好的位姿鲁棒性，可以提升无线传能的自由度。在全方向WPT***中，由发射机构及接收机构组成的电磁耦合机构是实现全方向无线传能的关键部分。目前的全方向WPT***，其电磁耦合机构有的采用立方体发射机构，有的采用带有圆柱形发射线圈，有的采用带有两个正交发射线圈。这些发射机构都是三维结构，但只能实现二维全方向无线传能。

为实现三维全方向无线传能，大多研究人员采用具有三维正交结构的发射机构及接收机构，比如具有多线圈结构的无线充电碗，正四面体接收线圈，以提升传能自由度。但是这些发射机构或者接收机构都具有三维结构，将会增加发射侧或接收侧的安装体积。为缩小体积，进一步出现了采用交叉偶极线圈作为发射机构及接收机构的全方向WPT***，以及采用由两个接收线圈组成的平面型接收机构。在这些全方向WPT***中的发射机构及接收机构都是平面型结构，较于三维结构，将会极大降低安装体积。但由于这些平面型的发射机构不具备三维全方向发射能力，因此接收机构需要多个线圈才能实现三维全方向无线传能。但多接收线圈通常需要连接到多个谐振补偿网络以及多个整流器，这将会增加接收侧的复杂度以及重量。而在消费电子产品的无线充电应用领域，考虑到接收机构重量的限制，通常只允许使用一个接收线圈。

发明内容

本发明提供一种三极平面型发射机构及其传输***和电流矢量调制方法，解决的技术问题在于：如何在耦合机构维度较小时，实现三维全方向无线传能。

为解决以上技术问题，本发明首先提供一种三极平面型发射机构，由位于同一平面的第一线圈、第二线圈及第三线圈组成，所述第一线圈和所述第二线圈均为“8”字形结构的双极型线圈，所述第三线圈为圆形结构的单极型线圈；所述第一线圈和所述第二线圈相互交叉并放置在所述第三线圈的内部。

优选的，所述第一线圈和所述第二线圈结构相同，且两者相互垂直交叉。

基于该三极平面型发射机构，本发明还提供一种三极平面型发射机构的传输***，其耦合机构的发射端即为该三极平面型发射机构，接收端为用于与所述三极平面型发射机构耦合的平面型接收线圈。

具体的，一种三极平面型发射机构的传输***，包括电能发射端和电能接收端；所述电能发射端包括顺序连接的第一全桥逆变器、第一原边谐振补偿网络、所述第一线圈，还包括顺序连接的第二全桥逆变器、第二原边谐振补偿网络、所述第二线圈，还包括顺序连接的第三全桥逆变器、第三原边谐振补偿网络、所述第三线圈；所述电能接收端包括顺序连接的所述平面型接收线圈、副边串联补偿电容、整流滤波电路及负载。所述电能发射端还包括连接所述第一全桥逆变器、所述第二全桥逆变器、所述第三全桥逆变器的直流电压源。

优选的，所述第一原边谐振补偿网络、第二原边谐振补偿网络、第三原边谐振补偿网络均采用LCC谐振补偿网络。

优选的，所述电能发射端还包括相连接的原边控制器和原边通信模块，所述电能接收端还包括相连接的角度传感器、副边通信模块，所述角度传感器用于检测所述平面型接收线圈的倾斜角度并通过所述副边通信模块与所述原边通信模块搭建的无线通信链路发送至所述原边控制器，所述原边控制器用于根据所述平面型接收线圈的倾斜角度调节所述第一全桥逆变器、所述第二全桥逆变器和所述第三全桥逆变器的移相角。

基于上述三极平面型发射机构(包括***中的三极平面型发射机构)，本发明还提供一种三极平面型发射机构的电流矢量调制方法，包括步骤：

S1：初始化所述平面型接收线圈的法向量n₀；

S2：检测当前所述平面型接收线圈的旋转角度；

S3：根据法向量n₀和旋转角度计算当前所述平面型接收线圈的法向量n₁；

S4：根据当前法向量n₁计算所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈的电流幅值调制系数k₁、k₂、k₃；

S5：根据k₁、k₂、k₃计算作用于所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈的激励电流I₁、I₂和I₃的移相角θ₁、θ₂和θ₃。

进一步地，步骤S3中，法向量n₁表示为：

n₁＝R_zR_yR_xn₀

其中，

其中，以所述平面型接收线圈的几何中心为原点O₁，以所述平面型接收线圈所在平面为x'O₁y'平面、以垂直于x'O₁y'平面为z'轴，建立三维坐标系O₁-x'y'z'，

和

分别为所述平面型接收线圈绕x'轴、y'轴和z'轴的旋转角度，R_x、R_y、R_z为对应的旋转矩阵；

步骤S4中，电流幅值调制系数k₁、k₂、k₃的计算式如下：

其中，I₁、I₂和I₃分别为作用于所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈的激励电流，

步骤S5中，移相角θ₁、θ₂和θ₃的计算式如下：

θ_i＝2arcsin(k_i),i＝1,2,3。

本发明提供的一种三极平面型发射机构，该发射机构由两个交叉的双极型线圈和一个圆形线圈组成，并且这三个线圈相互解耦，具备三维全方向电能传输能力，并且该发射机构是一种平面型结构，与平面型接收线圈组成耦合机构，不仅可大大降低耦合机构的维度，还实现了三维全方向无线传能。

本发明提供的一种三极平面型发射机构的传输***，采用由三极平面型发射机构和平面型接收线圈组成的耦合机构，并采用基于移相控制的全桥逆变器对三极平面型发射机构的三个线圈进行独立激励，从而便于对激励电流进行矢量调制，而实现接收线圈在任意角度偏移下的三维全方向电能传输。

本发明提供的一种三极平面型发射机构的电流矢量调制方法，设计了一种根据接收线圈的偏移角度自动计算第一线圈、第二线圈和第三线圈的移相角θ₁、θ₂、θ₃的规则，使得在平面型接收线圈处于任意角度偏移下，电能均向接收线圈所在的方向流动，以保证较高的电能传输效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三极平面型发射机构的立体图；

图2是本发明实施例提供的图1所示机构的等效模型图；

图3是本发明实施例提供的图1中线圈-1、线圈-2及线圈-3在O₁点产生的磁场轨迹图；

图4是本发明实施例提供的线圈-1、线圈-2及线圈-3在不同激励电流矢量下O₁点处的磁场矢量图；

图5是本发明实施例提供的线圈-1、线圈-2和线圈-3单独激励时的磁场分布图；

图6-1是本发明实施例提供的一种三极平面型发射机构的传输***的架构图；

图6-2是本发明实施例提供的图6-1所示***架构的电路模型图；

图7是本发明实施例提供的全桥逆变器的电路图(a)及其移相控制的波形图(b)；

图8是本发明实施例提供的图6-2所示***的去耦等效电路图；

图9是本发明实施例提供的接收线圈角度偏移的定义示意图；

图10是本发明实施例提供的接收线圈的法向量(a)、合成磁场矢量(b)及合成电流矢量(c)的说明图；

图11是本发明实施例提供的图11所示装置中接收线圈在三种角度偏移下对应的相关电压电流波形图；

图12是本发明实施例提供的图11所示装置中接收线圈在任意6种角度偏移下的示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

为在耦合机构维度较小时，实现三维全方向无线传能，本发明实施例提出了一种三极平面型发射机构，基于该三极平面型发射机构的耦合机构，以及基于该耦合机构的全方向无线电能传输***和电流矢量调制方法。

首先，本发明实施例提供一种三极平面型发射机构(也称为TPT发射机构)，其立体结构如图1所示，由位于同一平面的第一线圈(线圈-1)、第二线圈(线圈-2)及第三线圈(线圈-3)组成。可以看到，第一线圈和第二线圈均为“8”字形结构的双极型线圈，第三线圈为圆形结构的单极型线圈。第一线圈和第二线圈相互交叉并放置在第三线圈的内部，因此三个线圈是自然解耦的。对比于存在相互耦合的线圈结构，解耦线圈结构具有如下优势：1)便于独立控制线圈电流；2)降低***的复杂度；3)提升传输效率。

本实施例提供的一种三极平面型发射机构该发射机构，由两个交叉的双极型线圈和一个圆形线圈组成，并且这三个线圈相互解耦，具备三维全方向电能传输能力，并且该发射机构是一种平面型结构，与平面型接收线圈组成耦合机构，不仅可大大降低耦合机构的维度，还实现了三维全方向无线传能。

下面对TPT发射机构的磁场进行分析。

为了证明本实施例所提出的TPT发射机构的三维全方向电能传输能力，下面从理论上对该发射机构产生的磁场分布进行分析。

根据毕奥萨伐尔定律，由(x,y,z)处的电流元Idl在空间中任意一点P(x₀,y₀,z₀)产生的磁感应强度为：

其中，μ₀为真空磁导率，r为电流元到P点的距离，即r＝(x₀-x,y₀-y,z₀-z)。磁感应强度B＝(B_x,B_y,B_z)可表示为：

为了便于计算TPT发射机产生的磁场分布，本实施例对图1所示模型进行了简化，如图2所示。定义I₁、I₂及I₃分别为线圈-1、线圈-2及线圈-3的激励电流矢量，D₁、D₂及D₃分别表示线圈-1、线圈-2及线圈-3的直径，α₁、α₂和α₃分别表示线圈-1、线圈-2及线圈-3上的任意一点与x轴的夹角。线圈-1和线圈-2的形状类似于伯努利双纽线，线圈-3为圆形。所以线圈-1、线圈-2和线圈-3上的任意一点的坐标可以表示为：

线圈-1:

线圈-2:

线圈-3:

定义N₁、N₂和N₃分别为线圈-1、线圈-2及线圈-3的匝数。将式(3)～(5)带入式(2)，线圈-1、线圈-2及线圈-3在任意一点P(x₀,y₀,z₀)产生的磁感应强度B₁＝(B_1x,B_1y,B_1z)、B₂＝(B_2x,B_2y,B_2z)和B₃＝(B_3x,B_3y,B_3z)分别为：

其中，i₁、i₂和i₃分别为I₁、I₂及I₃的时间表达式。r_i(i＝1,2,3)可表示为：

根据磁场矢量叠加定理，在x轴、y轴和z轴三个方向的磁感应强度B_x、B_y、B_z以及合成磁感应强度B可以表示为：

根据式(6)～(10)，可以计算出任意一点的磁感应强度。本实施例选取一个在TPT发射机构正上方的一个样例点O₁(0,0,10cm)来分析该点处在各个方向的磁场分布，其中O₁点的位置如图1所示。TPT发射机构的参数如下：D₁＝D₂＝280mm，D₃＝300mm，N₁＝N₂＝10，N₃＝6。

由线圈-1、线圈-2及线圈-3在O₁点产生的磁场轨迹如图3所示，可以看出线圈-1、线圈-2及线圈-3在O₁点产生的磁场轨迹分别是一条沿着x轴、y轴及z轴的直线。因此，本实施例提出的TPT发射机构可以产生三维磁场。三个线圈在不同激励电流矢量下O₁点处的磁场矢量如图4所示，可以看出磁场矢量可以指向任意方向并覆盖了整个球体，这证明了TPT发射机构具有三维全方向电能传输能力。

为了验证理论分析的正确性，本实施例利用comsol5.4对TPT发射机构产生的磁场分布进行了有限元模拟。获得了线圈-1、线圈-2和线圈-3单独激励时的磁场分布如图5所示。仿真结果与理论分析一致。上述分析验证了所提出的三极平面型发射机构具有三维全方向电能传输能力。

基于图1所示的三极平面型发射机构，本实施例还提供一种耦合机构，另外采用圆形的平面型接收线圈(线圈-4)作为该耦合机构的接收机构。基于该耦合机构，本实施例还提供一种传输***，对于搭建一个真正的全向WPT***，需给各个线圈激励不完全相同的电流。因此，需要独立控制各个发射线圈中的激励电流。因此，如图6-1所示，本实施例所提出的三维全方向WPT***，包括电能发射端和电能接收端。电能发射端包括顺序连接的第一全桥逆变器、第一原边谐振补偿网络、第一线圈，还包括顺序连接的第二全桥逆变器、第二原边谐振补偿网络、第二线圈，还包括顺序连接的第三全桥逆变器、第三原边谐振补偿网络、第三线圈。其中第一、第二、第三全桥逆变器共同构成该***的逆变器，第一、第二、第三原边谐振补偿网络共同构成该***的原边谐振补偿网络。电能发射端还包括连接逆变器的电源(采用直流电压源)。

电能接收端包括顺序连接的平面型接收线圈(线圈-4)、副边谐振补偿网络(采用副边串联补偿电容)、整流滤波电路(即整流器)及负载。

进一步的，电能发射端还包括相连接的原边控制器和原边通信模块，电能接收端还包括相连接的角度传感器、副边通信模块，角度传感器用于检测平面型接收线圈的倾斜角度并通过副边通信模块与原边通信模块搭建的无线通信链路发送至原边控制器，原边控制器用于根据平面型接收线圈的倾斜角度调节第一全桥逆变器、第二全桥逆变器和第三全桥逆变器的移相角。

如图6-2所示，为图6-1所示***的拓扑图，该电路拓扑主要由一个直流电压源U_dc、三个全桥逆变器(全桥逆变1～3)、三个LCC原边谐振补偿网络、三个发射线圈(即线圈-1～线圈-3)、一个接收线圈(即线圈-4)、副边串联补偿电容C₄、整流滤波电路及负载R_L组成。其中LCC谐振补偿网络由滤波电感L_fi(i＝1,2,3)、滤波电容C_fi(i＝1,2,3)及原边串联补偿电容C_i(i＝1,2,3)组成，线圈i的自感及等效串联电阻分别为L_i(i＝1,2,3,4)和R_i(i＝1,2,3,4)。原边采用一次侧LCC补偿网络的原因是可以为发射线圈提供可控的电流源，使发射线圈的激励电流易于控制。此外，在副边采用串联补偿电容的原因是它可以降低副边的复杂度和重量。由于TPT发射机构中的各个发射线圈是相互解耦的，因此本实施例不考虑发射线圈之间的互感。定义M₁₄、M₂₄和M₃₄为发射线圈和接收线圈之间的互感。

由于基于移相控制的全桥逆变器易于控制，不需要额外的硬件，并且可以降低原边的复杂度，因此本实施例采用这种全桥逆变器对各发射线圈的励磁电流进行调制。全桥逆变器的拓扑如图7(a)所示，逆变器的驱动及输出电压波形如图7(b)所示。

根据傅里叶三角级数公式，逆变器的输出电压u_i(t)(i＝1,2,3)可表示为：

其中ω＝2πf，f为逆变器的运行频率，θ_i(i＝1,2,3)为逆变器i的移相角。

LCC网络中由L_fi和C_fi(i＝1,2,3)组成的低通滤波器可以滤除逆变器输出电压的高次谐波。因此，本实施例采用基波近似法来分析***的工作原理。逆变器的基波电压矢量U_i可以表示为：

值得注意的是，本实施例选取的移相角调节范围为θ_i∈[-π,π]，该范围与传统的移相移相调节范围不同。如果U_i的移相角θ_i∈(-π,0)，则表示它的相位与θ_i∈(0,π)的U_i反相，其中i＝1,2,3。

将线圈之间的耦合用电流控电压源表示，可得到***的去耦等效电路如图8所示。其中R_eq表示等效负载电阻，R_eq＝8R_L/π²。根据图8列写KVL方程可得到：

U_i＝jωL_fiI_fi+(I_fi-I_i)/jωC_fi,i＝1,2,3  (13)

***的谐振关系可表示为：

为简化分析，使L_f＝L_fi，C_f＝C_fi，其中i＝1，2，3。根据式(12)～(16)，线圈-i的激励电流I_i、线圈-4的电流I₄以及逆变器i的输出电流I_fi可表示为：

由式(17)可知，一旦输入电压U_dc、谐振电感L_f以及***运行角频率ω确定后，激励电流I_i(i＝1,2,3)只与移相角θ_i(i＝1,2,3)相关。因此，每个发射线圈的激励电流可以很容易地通过每个逆变器的移相角来调节。

根据式(12)、(18)及(19)，可计算出***的输出功率P_o及传输效率η如下：

从式(20)和(21)可以看出，***的输出功率及效率是关于互感M_i4(i＝1,2,3)和移相角θ_i(i＝1,2,3)的函数。当发射机构与接收线圈之间发生角度偏移时，互感M_i4(i＝1,2,3)会随之发生变化，这可能会降低***的传输效率。然而可以根据角度偏移状态合理地设计θ_i(i＝1,2,3)和I_i(i＝1,2,3)以改善***的传输效率。接下来介绍一种三极平面型发射机构的电流矢量调制方法，关于如何调节I_i(i＝1,2,3)以改善接收线圈在任意角度偏移下的传输效率。

为了减少磁耦合机构的漏磁，提高***效率，本实施例将设计基于靶向性磁场的励磁电流矢量调制策略/方法，使TPT发射机产生的合成磁场矢量的方向始终指向接收线圈。为此，需获取接收线圈所在的方向。本实施例的重点为验证所提出的TPT发射机构的三维全向电能传输能力。因此，为了简化计算过程，本实施例采用传感器(比如陀螺仪)直接检测接收线圈的方向，并通过通信模块(比如WIFI通信模块)将接收线圈的方向信息传递回原边控制器。然后控制器根据这些信息来调节各个发射线圈的激励电流以实现电能向接收线圈所在的方向流动。

以平面型接收线圈的几何中心为原点O₁，以平面型接收线圈所在平面为x'O₁y'平面、以垂直于x'O₁y'平面为z'轴，建立三维坐标系O₁-x'y'z'，接收线圈的角度偏移的定义如图9所示。为了简化分析，假设接收线圈的中心(O₁)在旋转过程中保持不变。定义

和

分别为接收线圈绕x'轴、y'轴和z'轴的旋转角度，则对应的旋转矩阵可表示为：

定义接收线圈的初始法向量n₀＝(0,0,1)，如图10(a)所示。当接收线圈旋转一定角度后的法向量n₁可以表示为：

n₁＝R_zR_yR_xn₀  (25)

定义B_x0、B_y0和B_z0分别为线圈-1、线圈-2及线圈-3在单位激励电流下在O₁点处产生的磁场矢量。根据上文分析，B_x0、B_y0和B_z0的方向分别为x轴、y轴和z轴方向，可以通过有限元仿真软件三个线圈发射线圈的匝数比(N₁:N₂:N₃)使|B_x0|＝|B_y0|＝|B_z0|。因此，B_x0、B_y0和B_z0可用作为基矢量，如图10(b)所示。基矢量在不同比例系数(k₁,k₂,k₃)下合成的磁场矢量B可以指向任意方向，合成算式如下：

B＝k₁B_x0+k₂B_y0+k₃B_z0  (26)

由安培定律可知，磁场矢量由电流矢量决定。为了使合成的磁场矢量总是指向垂直接收线圈，即B与n₁方向相同，则合成的电流矢量应该与合成的磁场矢量方向相同。因此，需满足如下关系：

其中k₁、k₂和k₃分别为如图10(c)所示I₁、I₂和I₃的幅值调制系数。

由于|n₁|＝1，因此

需要强调的是k₁、k₂和k₃的符号可以是正也可以是负。当k_i(i＝1,2,3)为负，表示对应电流的相位与符号为正的k_i(i＝1,2,3)对应的电流相位相反。因此，三个发射线圈的幅值和相位都随着接收线圈的姿态发生变化而改变，但任意两个发射线圈之间的电流相位为同相或者反相，没有其他相位差。根据式(27)和(17)，移相角θ_i(i＝1,2,3)可以表示为：

θ_i＝2arcsin(k_i),i＝1,2,3  (28)

根据上述分析，基于靶向性磁场的电流矢量调制方法总结为如下：

S1：初始化接收线圈的法向量n₀；

S2：检测旋转角度

及

S3：根据式(22)～(25)计算接收线圈的当前法向量n₁；

S4：根据式(27)计算电流幅值调制系数k₁、k₂、k₃；

S5：根据式(28)计算移相角θ₁、θ₂、θ₃。

根据上述电流矢量调制方法，由TPT发射机构产生的合成的磁场矢量可以总是指向接收线圈，因此可以减小漏磁及改善***效率。

下面对传输***及电流矢量调制方法进行实验验证。

为验证上述理论分析，本此实验搭建了实验装置，实验装置跟***一致，主要由一个直流电源、三个全桥逆变器、三个LCC谐振补偿网络、一个TPT发射机构、一个接收线圈、接收侧电路及负载组成。

本次实验中，发射机构及接收机构的直径分别为300mm和200mm，所用的利兹线分别为0.08*435股和0.08*170股。在接收线圈的任意旋转角度下，实验过程中保持接收线圈的中心与发射机构的距离为100mm。实验为了增强发射机构及接收线圈的耦合，在TPT发射机构的下方铺设了一块320*320*2mm的磁芯。实验采用陀螺仪(MPU6050)来检测接收线圈的角度

采用Wi-Fi(ESP8266)模块来进行通信。大多数手机或平板电脑都有陀螺仪(角度传感器)和Wi-Fi模块(副边通信模块)，在实际应用中可以利用这些产品自带的陀螺仪和Wi-Fi模块。实验采用ARM控制器作为原边控制器和原边通信模块(STM32F103C8T6)来计算移相角及通信，采用CPLD(EPM570T100C5N)控制器来输出三个逆变器的驱动信号。逆变器主要由驱动器(IR2104)及MOSFET(IRFB4020PBF)开关管组成，LCC谐振网络中采用的电感及电容的型号分别为PQ2614BLA-150K，CGA6J4C0G2J103J125AA。接收侧电路主要由一个不可控二极管整流桥，补偿电容及滤波电容组成，其中二极管的型号为FERD20H100STS。***的参数如下表1所示。

表1***的参数

为了验证本实施例所设计的基于靶向性磁场的电流矢量调制方法的有效性，实验中主要选取了接收线圈在三种角度偏移状态来进行说明，如下：

状态1：

状态2：

状态3：

在接收线圈三种角度偏移下对应的相关电压电流波形如图11所示，其中本次实验主要测量了三个逆变器的输出电压U_i(i＝1,2,3)、***的输入电流I_dc、三个发射线圈的激励电流I_i(i＝1,2,3)以及***的输出电压Uo波形。接收线圈在三种角度偏移状态下的相关参数如表2所示，其中I_m1、I_m2、I_m3以及P₁、P₂、P₃分别对应于线圈-1、线圈-2、线圈-3的幅值和相位。值得注意的是，如果计算出的k_i(i＝1,2,3)的符号为负，则移相角θ_i(i＝1,2,3)会小于0°，对应的激励电流的相位会反相。根据图11和表2，在设计的电流矢量调制策略下，三个激励电流的幅值和相位随着接收线圈的角度偏移变化而改变，从而使功率流向接收线圈的方向。

表2三种角度偏移状态下的相关参数

基于上述电流矢量调制策略，本次实验还选取了如图12(a)～(f)所示的几种典型的角度偏移状态，用LED作为负载。LED在所有角度偏移状态下均能被点亮，验证了所提出的TPT发射机构的三维全向电能传输能力。

综上，本实施例提出了一种具有三维全向电能传输能力的二维平面型发射机构，并基于该发射结构设计了传输***的电路拓扑结构和励磁电流矢量调制方法。理论上，通过设计了一种根据接收线圈的偏移角度自动计算第一线圈、第二线圈和第三线圈的移相角θ₁、θ₂、θ₃的规则，使得在平面型接收线圈处于任意角度偏移下，电能均向接收线圈所在的方向流动，可以保证较高的电能传输效率。实验结果表明了所设计的三维全方向WPT***在接收线圈任意角度偏移的情况下，输出功率稳定在61.4～80.6W，传输效率稳定在80.7～85.2％，从而证明了TPT发射机构的三维全方向发射能力和所设计的电流矢量调制方法的有效性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.三极平面型发射机构，其特征在于，由位于同一平面的第一线圈、第二线圈及第三线圈组成，所述第一线圈和所述第二线圈均为“8”字形结构的双极型线圈，所述第三线圈为圆形结构的单极型线圈；所述第一线圈和所述第二线圈相互交叉并放置在所述第三线圈的内部。

2.如权利要求1所述的三极平面型发射机构，其特征在于：所述第一线圈和所述第二线圈结构相同，且两者相互垂直交叉。

3.三极平面型发射机构的传输***，其特征在于：包括耦合机构；所述耦合机构包括权利要求1或2任一项所述的三极平面型发射机构，以及用于与所述三极平面型发射机构耦合的平面型接收线圈。

4.如权利要求3所述的三极平面型发射机构的传输***，其特征在于：包括电能发射端；所述电能发射端包括顺序连接的第一全桥逆变器、第一原边谐振补偿网络、所述第一线圈，还包括顺序连接的第二全桥逆变器、第二原边谐振补偿网络、所述第二线圈，还包括顺序连接的第三全桥逆变器、第三原边谐振补偿网络、所述第三线圈。

5.如权利要求4所述的三极平面型发射机构的传输***，其特征在于：所述第一原边谐振补偿网络、第二原边谐振补偿网络、第三原边谐振补偿网络均采用LCC谐振补偿网络。

6.如权利要求4所述的三极平面型发射机构的传输***，其特征在于：还包括电能接收端；所述电能接收端包括顺序连接的所述平面型接收线圈、副边串联补偿电容、整流滤波电路及负载。

7.如权利要求4所述的三极平面型发射机构的传输***，其特征在于：所述电能发射端还包括连接所述第一全桥逆变器、所述第二全桥逆变器、所述第三全桥逆变器的直流电压源。

8.如权利要求6所述的三极平面型发射机构的传输***，其特征在于：所述电能发射端还包括相连接的原边控制器和原边通信模块，所述电能接收端还

包括相连接的角度传感器、副边通信模块，所述角度传感器用于检测所述平面型接收线圈的倾斜角度并通过所述副边通信模块与所述原边通信模块搭建的无线通信链路发送至所述原边控制器，所述原边控制器用于根据所述平面型接收线圈的倾斜角度调节所述第一全桥逆变器、所述第二全桥逆变器和所述第三全桥逆变器的移相角。

9.如权利要求3～8任一项所述三极平面型发射机构的传输***的电流矢量调制方法，其特征在于，包括步骤：

S1：初始化所述平面型接收线圈的法向量n₀；

S2：检测当前所述平面型接收线圈的旋转角度；

S3：根据法向量n₀和旋转角度计算当前所述平面型接收线圈的法向量n₁；

S4：根据当前法向量n₁计算所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈的电流幅值调制系数k₁、k₂、k₃；

S5：根据k₁、k₂、k₃计算作用于所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈的激励电流I₁、I₂和I₃的移相角θ₁、θ₂和θ₃。

10.如权利要求9所述的三极平面型发射机构的传输***的电流矢量调制方法，其特征在于：

步骤S3中，法向量n₁表示为：

n₁＝R_zR_yR_xn₀

其中，

其中，以所述平面型接收线圈的几何中心为原点O₁，以所述平面型接收线圈所在平面为x'O₁ y'平面、以垂直于x'O₁ y'平面为z'轴，建立三维坐标系O₁-x'y'z'，

和

分别为所述平面型接收线圈绕x'轴、y'轴和z'轴的旋转角度，R_x、R_y、R_z为对应的旋转矩阵；

步骤S4中，电流幅值调制系数k₁、k₂、k₃的计算式如下：

其中，I₁、I₂和I₃分别为作用于所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈的激励电流，

步骤S5中，移相角θ₁、θ₂和θ₃的计算式如下：

θ_i＝2arcsin(k_i),i＝1,2,3。

Images