技术领域
[0001] 本
发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种多自由度无线电能传输发射装置及其制备方法。
背景技术
[0002] 无线电能传输，也称为非
接触式电能传输，是指电源通过非接触的方式给用电设备供电的技术。该技术可以摆脱金属
导线的束缚，实现
电子设备不受空间限制的电能供给，而且具有不需要接插环节、无导线裸露、无触电漏电等优势，从而被广大工程师和学者关注并大
力倡导。
[0003] 目前无线电能传输技术可以分为三种：第一种是
辐射式无线电能传输，利用
电磁波相关原理；第二种是感应式无线电能传输(IPT)，利用
电磁感应原理，这种非接触式无线电能传输技术目前已经比较成熟，但是传输距离很短，几乎是贴在一起；第三种是磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WPT)，利用电磁耦合谐振原理，两个靠近的谐振线圈相互耦合，把电能从发射线圈传输至接
收线圈。
[0004] 随着无线电能传输技术的发展，人们也对无线电能传输技术提出更高的要求。目前用于无线电能传输的线圈大多数都是单一方向传输电能，单一方向传输电能要求发射线圈和接收线圈必须对准，否则效率就会急剧下降甚至为零，这一特点使得目前的无线电能传输技术在实际运用中受到很大限制。
发明内容
[0005] 本发明的一个目的是提供一种多自由度无线电能传输装置，能够实现磁耦合谐振无线电能多方向传输。
[0006] 本发明的另一个目的是提供一种多自由度无线电能传输装置的制备方法。
[0007] 本发明所采用的第一技术方案是，一种多自由度无线电能传输装置，包括双交叉偶极子线圈载具，线圈载具表面安装有通高频交流电后能够产生多自由度
磁场的线圈集，所述线圈集包括周向安装在线圈载具TX-1臂上的线圈a、线圈c和TX-2臂上的线圈b、线圈d；其中TX-1、TX-2为双交叉偶极子的两个
位置相交的偶极子臂。
[0008] 本发明的技术特征还在于，
[0009] 线圈a和线圈c一定距离沿x轴平移设置，且线圈a和线圈c
电流方向一致，线圈a/c连接形成能将直流电转化为高频交流电的发射级
电路。
[0010] 线圈b和线圈d一定距离沿y轴平移设置，且线圈b和线圈d电流方向一致，线圈b/d连接形成能将直流电转化为高频交流电的发射级电路。
[0011] TX-1臂上的线圈a21和线圈c23相连接的为发射级电路a，发射级电路a包括与线圈a21/c23一端连接的谐振电容CQ，谐振电容CQ分别连接有MOS管VT1和MOS管VT2，线圈a21/c23一自由端和b22/d24一自由端并联，线圈a21/c23一自由端延伸处与有极电容C1
阴极和有极电容C2
阳极连接，与TX-2臂上的线圈b22和线圈d24相连接的为发射级电路a，TX-2臂上的线圈b22/d24一自由端与谐振电容CD连接，谐振电容CD的另一自由端与MOS管VT3的发射极以及MOS管VT4的基极连接，TX-2臂上的线圈b22/d24另一自由端与有极电容C1的阴极以及有极电容C2的阳极相连，直流电源VDC正极依次与MOS管VT1的基极、有极电容的C1的正极、MOS管VT3的基极相连，直流电源VDC负极依次与MOS管VT2的发射极、有极电容的C2的负极、MOS管VT4的发射极相连，MOS管VT1的发射极与MOS管VT2的基极相连，有极电容C1的负极与有极电容C2的正极相连，MOS管VT3的发射极与MOS管VT4的基极连接。
[0012] 一种多自由度无线电能传输发射装置的制备方法，基于一种多自由度无线电能传输装置的结构实施，包括以下步骤：
[0013] 步骤1：准备
铁磁芯材料的双交叉偶极子线圈载具和4根
利兹线；
[0014] 步骤2：绕制发射端线圈，将一根利兹线从双交叉偶极子TX-1臂的一端绕制线圈a(21)，再从交叉偶极子载具对称一端绕制形成线圈c(23)，绕制线圈，将一根利兹线从交叉偶极子TX-2臂的一端绕制线圈b(22)，再从交叉偶极子载具对称一端绕制形成线圈d(24)；绕制交叉偶极子接收线圈，其绕制方式与发射端线圈相同双交叉偶极子接收线圈两臂分别命名为RX-V、RX-H，RX-V与RX-H臂上的线圈做
串联处理，形成双交叉偶极子接收线圈；
[0015] 步骤3：设置与发射端线圈a、线圈b、线圈c、线圈d配套的发射级电路，为每个线圈提供高频交流电源；
[0016] 步骤4：确定线圈a、线圈b、线圈c和线圈d在双交叉偶极子发射端TX-1、TX-2双臂上放置的位置，用近场
探头测量线圈载具周围的磁场，待线圈载具周围产生均匀分布的三维全向磁场且磁场最强时，固定线圈a、线圈b、线圈c和线圈d，即完成三维全向无线电能传输发射端装置的制作。
[0017] 步骤4的具体过程为：
[0018] 步骤4.1：以线圈载具顶面中心为原点建立三维
坐标系，以线圈a和线圈c的底面中心线为x轴，以线圈b和线圈d的底面中心线为y轴，以线圈载具的中
心轴线为z轴，用坐标表示线圈a、线圈b、线圈c、和线圈d的形状；
[0019] 步骤4.2：用近场探头测量线圈载具内的磁场，待线圈载具内部产生均匀分布的多自由度磁场且磁场强度相较高且强度变化稳定时，记录线圈a和线圈c每
匝利兹线圈底部中点x轴坐标、线圈b和线圈d中每匝利兹线圈底部中点y轴坐标；
[0020] 步骤4.3：根据记录的每匝利兹线圈底部中点和
顶点坐标对线圈载具内壁进行位置标记，将绕制好的利兹线绕在对应坐标处，即完成线圈a、线圈b、线圈c和线圈d的固定。
[0021] 线圈a、线圈b、线圈c和线圈d均由四匝利兹线圈组成，每匝利兹线圈底部与图1线圈载具上下表面相贴，底部与线圈载具
侧壁相贴。
[0022] 利兹线由450股AWG48线组成。
[0023] 本发明的有益效果是，给本发明线圈集通过两种励磁电流后，可在双交叉偶极子发射线圈载具周围形成强度较高并且分布均匀的多自由度的磁场，使线圈载具周围的双交叉偶极子接收线圈实现了接收级的自由
定位和多自由度的方向充电。
附图说明
[0024] 图1是本发明多自由度无线电能传输装置的三维结构示意图；
[0025] 图2是本发明多自由度无线电能传输发射装置的平面结构示意图；
[0026] 图3是本发明多自由度无线电能传输发射装置中发射级电路的原理图；
[0027] 图4是本发明多自由度无线电能传输发射装置中线圈a、线圈b、线圈c和线圈d通过两种励磁电流后产生的磁场方向示意图；
[0028] 图5是本发明多自由度无线电能传输发射装置中线圈的位置示意图。
[0029] 图中，1.线圈载具，21.线圈a，22.线圈b，23.线圈c，24.线圈d；RX#1为接收线圈1，RX#2为接收线圈2。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0031] 一种多自由度无线电能传输装置，包括双交叉偶极子线圈载具1，线圈载具1表面安装有通高频交流电后能够产生多自由度磁场的线圈集，所述线圈集包括周向安装在线圈载具1TX-1臂上的线圈a 21、线圈c 23和TX-2臂上的线圈b 22、线圈d 24，其中TX-1、TX-2为双交叉偶极子的两个位置相交的偶极子臂。
[0032] 线圈a 21和线圈c 23一定距离沿x轴平移设置，且线圈a 21和线圈c 23电流方向一致，线圈a 21/c 23连接形成能将直流电转化为高频交流电的发射级电路。
[0033] 线圈b 22和线圈d 24一定距离沿y轴平移设置，且线圈b 22和线圈d 24电流方向一致，线圈b 22/d 24连接形成能将直流电转化为高频交流电的发射级电路。
[0034] TX-1臂上的线圈a21和线圈c23相连接的为发射级电路a，发射级电路a包括与线圈a21/c23一端连接的谐振电容CQ，谐振电容CQ分别连接有MOS管VT1和MOS管VT2，线圈a21/c23一自由端和b22/d24一自由端并联，线圈a21/c23一自由端延伸处与有极电容C1阴极和有极电容C2阳极连接，与TX-2臂上的线圈b22和线圈d24相连接的为发射级电路a，TX-2臂上的线圈b22/d24一自由端与谐振电容CD连接，谐振电容CD的另一自由端与MOS管VT3的发射极以及MOS管VT4的基极连接，TX-2臂上的线圈b22/d24另一自由端与有极电容C1的阴极以及有极电容C2的阳极相连，直流电源VDC正极依次与MOS管VT1的基极、有极电容的C1的正极、MOS管VT3的基极相连，直流电源VDC负极依次与MOS管VT2的发射极、有极电容的C2的负极、MOS管VT4的发射极相连，MOS管VT1的发射极与MOS管VT2的基极相连，有极电容C1的负极与有极电容C2的正极相连，MOS管VT3的发射极与MOS管VT4的基极连接，给线圈a21和线圈c23通入500KHZ的交流电Id∠0，与此同时给线圈b22和线圈d24通入500KHZ的交流电Id∠Π/2，通过逐渐改变逆变器的
开关角频率ωs值实现本无线电能传输装置的全向供电。
[0035] 一种多自由度无线电能传输发射装置的制备方法，基于一种多自由度无线电能传输装置的结构进行实施，具体包括以下步骤：
[0036] 步骤1：准备铁磁芯材料的双交叉偶极子线圈载具和4根利兹线；
[0037] 步骤2：绕制发射端线圈，将一根利兹线从双交叉偶极子TX-1臂的一端绕制线圈a 21，再从交叉偶极子载具对称一端绕制形成线圈c 23，绕制线圈，将一根利兹线从交叉偶极子TX-2臂的一端绕制线圈b 22，再从交叉偶极子载具对称一端绕制形成线圈d 24；绕制交叉偶极子接收线圈，其绕制方式与发射端线圈相同双交叉偶极子接收线圈两臂分别命名为RX-V、RX-H，RX-V与RX-H臂上的线圈做串联处理，形成双交叉偶极子接收线圈；
[0038] 步骤3：设置与发射端线圈a、线圈b、线圈c、线圈d配套的发射级电路，为每个线圈提供高频交流电源；
[0039] 步骤4：确定线圈a、线圈b、线圈c和线圈d在双交叉偶极子发射端TX-1、TX-2双臂上放置的位置，用近场探头测量线圈载具周围的磁场，待线圈载具周围产生均匀分布的三维全向磁场且磁场最强时，固定线圈a、线圈b、线圈c和线圈d，即完成三维全向无线电能传输发射端装置的制作。
[0040] 步骤4的具体过程为：
[0041] 步骤4.1：以线圈载具顶面中心为原点建立三维坐标系，以线圈a和线圈c的底面中心线为x轴，以线圈b和线圈d的底面中心线为y轴，以线圈载具的中心轴线为z轴，用坐标表示线圈a、线圈b、线圈c、和线圈d的形状；
[0042] 步骤4.2：用近场探头测量线圈载具内的磁场，待线圈载具内部产生均匀分布的多自由度磁场且磁场强度相较高且强度变化稳定时，记录线圈a和线圈c每匝利兹线圈底部中点x轴坐标、线圈b和线圈d中每匝利兹线圈底部中点y轴坐标；
[0043] 步骤4.3：根据记录的每匝利兹线圈底部中点和顶点坐标对线圈载具内壁进行位置标记，将绕制好的利兹线绕在对应坐标处，即完成线圈a、线圈b、线圈c和线圈d的固定。
[0044] 线圈a 21、线圈b 22、线圈c 23和线圈d 24均由四匝利兹线圈组成，每匝利兹线圈底部与图1线圈载具1上下表面相贴，底部与线圈载具1侧壁相贴。
[0045] 利兹线由450股AWG48线组成。
[0046] 一种多自由度无线电能传输装置，包括双交叉偶极子发射装置，线圈内安装有通电后能够产生多自由度磁场，线圈集包括周向安装在线圈载具四个方向臂的线圈a、线圈b、线圈c、线圈d，以及双交叉接受装置包括周向安装在线圈载具四个方向臂的两个接收线圈RX#1、RX#2，如图2所示。
[0047] TX-1偶极子臂上的发射线圈a和线圈c沿x轴平移设置，由于电流流向一致，相当于线圈a和线圈c串联，线圈a/c连接在能将直流电转化为高频交流电的发射级电路上，如图3所示。
[0048] TX-2偶极子臂上线圈b和线圈d沿y轴平移设置，由于电流流向一致，相当于线圈b和线圈d相当于串联，线圈b/d连接在有能将直流电转化为高频交流电的发射级电路上，如图3所示。
[0049] 与TX-1臂上的线圈a21和线圈c23相连接的为发射级电路，参照图3，发射级电路a21/c23包括与线圈a21/c23一端连接的电容CQ，谐振电容CQ分别连接有MOS管VT1和MOS管VT2，线圈a21/c23一自由端和b22/d24一自由端并联，线圈a21/c23一自由端延伸处与有极电容C1阴极和有极电容C2阳极连接，与TX-2臂上的线圈b22和线圈d24相连接的为发射级电路a，TX-2臂上的线圈b22/d24一自由端与谐振电容CD连接，谐振电容CD的另一自由端与MOS管VT3的发射极以及MOS管VT4的基极连接，TX-2臂上的线圈b22/d24另一自由端与有极电容C1的阴极以及有极电容C2的阳极相连，直流电源VDC正极依次与MOS管VT1的基极、有极电容的C1的正极、MOS管VT3的基极相连，直流电源VDC负极依次与MOS管VT2的发射极、有极电容的C2的负极、MOS管VT4的发射极相连，参照图MOS管VT1的发射极与MOS管VT2的基极相连，有极电容C1的负极与有极电容C2的正极相连，MOS管VT3的发射极与MOS管VT4的基极连接，给线圈a21和线圈c23通入500KHZ的交流电Id∠0，与此同时给线圈b22和线圈d24通入500KHZ的交流电Id∠Π/2，通过逐渐改变逆变器的开关角频率ωs值实现本无线电能传输装置的全向供电。
[0050] 一种多自由度无线电能传输装置的制备方法，包括以下步骤：
[0051] 步骤1：准备铁磁芯材料的双交叉偶极子线圈载具和4根利兹线；
[0052] 步骤2：绕制发射端线圈，将一根利兹线从双交叉偶极子TX-1臂的一端绕制线圈a，再从交叉偶极子载具对称一端绕制形成线圈c，绕制线圈，将一根利兹线从交叉偶极子TX-2臂的一端绕制线圈b，再从交叉偶极子载具对称一端绕制形成线圈d；绕制交叉偶极子接收线圈，其绕制方式与发射端线圈相同双交叉偶极子接收线圈两臂分别命名为RX-V、RX-H，RX-V与RX-H臂上的线圈做串联处理，形成双交叉偶极子接收线圈如图2的RX#1、RX#2所示；
[0053] 步骤3：设置与发射端线圈a、线圈b、线圈c、线圈d配套的发射级电路，为每个线圈提供高频交流电源；
[0054] 步骤4：确定线圈a、线圈b、线圈c和线圈d在双交叉偶极子发射端TX-1、TX-2双臂上放置的位置，用近场探头测量线圈载具周围的磁场，待线圈载具周围产生均匀分布的三维全向磁场且磁场最强时，固定线圈a、线圈b、线圈c和线圈d，即完成三维全向无线电能传输发射端装置的制作。
[0055] 线圈a、线圈b、线圈c和线圈d均由四匝利兹线圈组成，每匝利兹线圈底部与线圈载具臂相贴。
[0056] 步骤4的具体过程为：
[0057] 步骤4.1：以线圈载具顶面中心为原点建立三维坐标系，以线圈a和线圈c的底面中心线为x轴，以线圈b和线圈d的底面中心线为y轴，以线圈载具的中心轴线为z轴，用坐标表示线圈a、线圈b、线圈c、和线圈d的形状；
[0058] 步骤4.2：用近场探头测量线圈载具内的磁场，待线圈载具内部产生均匀分布的多自由度磁场且磁场强度相较高且强度变化稳定时，记录线圈a和线圈c每匝利兹线圈底部中点x轴坐标、线圈b和线圈d中每匝利兹线圈底部中点y轴坐标；
[0059] 步骤4.3：根据记录的每匝利兹线圈底部中点和顶点坐标对线圈载具内壁进行位置标记，将绕制好的利兹线绕在对应坐标处，即完成线圈a、线圈b、线圈c和线圈d的固定。
[0060] 利兹线由450股AWG48线组成。
[0061] 本发明一种多自由度无线电能传输装置，参照图1和图2，包括双交叉偶极子状线圈载具，线圈载具TX-1臂安装有通高频交流电后能够产生多自由度磁场的线圈集，线圈集包括周向安装在线圈载具TX-1臂上的线圈a21、线圈c23以及安装在线圈载具TX-2臂上的线圈b22、线圈d24。本发明一种多自由度无线电能传输装置的制备方法，包括以下步骤：
[0062] 步骤1：准备双交叉偶极子线圈载具1和四根利兹线，线圈载具发射端TX-1与TX-2的长为1000mm，高为30mm，线圈载具接收端RX-V与RX-H的长为100mm,高为1mm。双交叉偶极子材料为高磁导率的铁
氧体磁芯，所用利兹线由450股AWG48线组成；
[0063] 步骤2：绕制发射端线圈，将一根利兹线从双交叉偶极子TX-1臂的一端绕制线圈a21，再从交叉偶极子载具对称一端绕制形成线圈c23，绕制线圈，将一根利兹线从交叉偶极子TX-2臂的一端绕制线圈b22，再从交叉偶极子载具对称一端绕制形成线圈d24，绕制交叉偶极子接收线圈，其绕制方式与发射端线圈相同，双交叉偶极子接收线圈两臂分别命名为RX-V、RX-H，RX-V与RX-H臂上的线圈做串联处理，形成双交叉偶极子接收线圈绕制线圈；
[0064] 线圈a21、线圈b22、线圈c23和线圈d24均由四匝利兹线圈组成，每匝利兹线圈底部与线圈载具的臂相贴；
[0065] 步骤3：设置与线圈a21、线圈b22、线圈c23、线圈d24配套的发射级电路，为每个线圈提供高频交流电源；
[0066] 与TX-1臂上的线圈a21和线圈c23相连接的为发射级电路，参照图3，发射级电路a21/c23包括与线圈a21/c23一端连接的电容CQ，谐振电容CQ分别连接有MOS管VT1和MOS管VT2，线圈a21/c23一自由端和b22/d24一自由端并联，线圈a21/c23一自由端延伸处与有极电容C1阴极和有极电容C2阳极连接，与TX-2臂上的线圈b22和线圈d24相连接的为发射级电路a，TX-2臂上的线圈b22/d24一自由端与谐振电容CD连接，谐振电容CD的另一自由端与MOS管VT3的发射极以及MOS管VT4的基极连接，TX-2臂上的线圈b22/d24另一自由端与有极电容C1的阴极以及有极电容C2的阳极相连，直流电源VDC正极依次与MOS管VT1的基极、有极电容的C1的正极、MOS管VT3的基极相连，直流电源VDC负极依次与MOS管VT2的发射极、有极电容的C2的负极、MOS管VT4的发射极相连，参照图MOS管VT1的发射极与MOS管VT2的基极相连，有极电容C1的负极与有极电容C2的正极相连，MOS管VT3的发射极与MOS管VT4的基极连接，其中，其中线圈a、线圈b、线圈C和线圈d电感值为L＝4.3μH，谐振电容CD值为C＝23400PF,谐振电容CQ值为C＝23400PF；给线圈a21和线圈c23通入500KHZ的交流电Id∠0，与此同时给线圈b22和线圈d24通入500KHZ的交流电Id∠Π/2，通过逐渐改变逆变器的开关角频率ωs值实现本无线电能传输装置的全向供电。双交叉偶极子发射装置TX-1臂与TX-2臂周围产生磁场，参照图4、图5。
[0067] 步骤4：调节线圈a21、线圈b22、线圈c23和线圈d24在双交叉偶极子TX-1、TX-2臂上放置的位置，用近场探头测量双交叉偶极子发射装置周围的磁场，待双交叉偶极子发射装置产生均匀分布的三维全向磁场且磁场强度最高时，固定线圈a21、线圈b22、线圈c23和线圈d24，即完成多自由度无线电能传输发射装置的制作。
[0068] 步骤4的具体过程为：
[0069] 步骤4.1：以线圈载具顶面中心为原点建立三维坐标系，以线圈a和线圈c的底面中心线为x轴，以线圈b和线圈d的底面中心线为y轴，以线圈载具的中心轴线为z轴，用坐标表示线圈的形状；
[0070] 步骤4.2：用近场探头测量线圈载具内的磁场，待线圈载具内部产生均匀分布的三维全向磁场且磁场强度相较高且强度变化稳定时，记录线圈a和线圈c每匝利兹线圈底部中点x轴坐标、线圈b和线圈d中每匝利兹线圈底部中点y轴坐标；
[0071] 组成线圈a21的四匝线圈顶部在x轴起点为(300mm，0，0)，终点为(400mm,0,0)；组成线圈b22的四匝线圈顶部在x轴起点为(-300mm,0,0),终点为(400mm,0,0)；组成线圈c23的四匝线圈顶部在y轴起点为(0，300mm，0)，终点为(0,400mm,0)；组成线圈d24的四匝线圈顶部在y轴起点为(0,-300mm,0),终点为(0,-400mm,0)，此时，双交叉偶极子线圈载具周围的磁场分布相对均匀，参照图5。
[0072] 步骤4.3：根据记录的每匝利兹线圈底部中点和顶点坐标对线圈载具内壁进行位置标记，将绕制好的利兹线绕在对应坐标处，即完成线圈a、线圈b、线圈c和线圈d的固定。一种多自由度无线电能传输装置，包括双交叉偶极子发射装置，线圈内安装有通电后能够产生多自由度磁场，线圈集包括周向安装在线圈载具四个方向臂的线圈a、线圈b、线圈c、线圈d，以及双交叉接受装置包括周向安装在线圈载具四个方向臂的两个接收线圈RX#1、RX#2，如图2所示。
[0073] 给本发明线圈集通过两种励磁电流后，可在双交叉偶极子发射线圈载具周围形成强度较高并且分布均匀的多自由度的磁场，使线圈载具周围的双交叉偶极子接收线圈实现了接收级的自由定位和多自由度的方向充电。
