一种平面电机动子无线供电装置及实现方法与流程

本技术涉及平面电机，尤其涉及一种平面电机动子无线供电装置及实现方法。

背景技术：

1、平面电机凭借动子可在二维平面工作区域内运动、定位精度高、动态响应快等优势，被广泛应用于半导体制造、精密检测、智能物流分拣等领域；其动子侧通常搭载有位置检测传感器、运动控制电路、通信模块及功能执行机构等用电负载，需要持续、稳定的电能供给。

2、目前针对平面电机动子的常规供电方案多采用有线供电形式，包括拖链供电、直连电缆供电或滑触线供电等；但该类方案存在明显局限：拖链或直连电缆会限制动子的最大运动范围，拖曳阻力还会降低动子的运动精度与动态响应速度；滑触线存在接触磨损、电火花隐患，需要定期维护，大幅提升了系统的全生命周期成本，难以适配高洁净度、高防爆要求的特殊应用场景。

3、无线电能传输技术可在定子侧与动子侧无直接物理电连接的情况下实现能量传输，无需额外机械连接结构。现有一种无线供电方案为在定子的二维供电区域内密集排布主动发射线圈，每个主动发射线圈独立连接高频激励电路，通过动子位置匹配对应主动发射线圈工作实现随动供电。但该方案中主动发射线圈及配套驱动通道的数量随供电区域面积增大显著增长，当供电区域较大时，主动发射线圈、功率器件及连接线路的数量大幅增加，布线复杂度大幅提升；且多组主动发射线圈同时工作时，需要对各驱动通道的输出频率、相位进行同步控制，进一步增加了控制难度与系统功耗。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本技术提供了一种平面电机动子无线供电装置及实现方法。

2、本技术的第一方面，提供了一种平面电机动子无线供电装置，包括定子组件、动子组件；

3、所述定子组件包括激励单元以及混合线圈阵列；所述动子组件包括无线受电单元；所述混合线圈阵列包括多个第一线圈单元和多个第二线圈单元；所述第一线圈单元被配置为在所述激励单元的驱动下产生激励磁场；所述第二线圈单元构成闭合中继回路，且不与所述激励单元直接导电连接，被配置为通过磁耦合中继所述激励磁场；多个所述第一线圈单元和第二线圈单元沿平面内相互正交的第一方向和第二方向交错布置，形成二维正交拓扑阵列，至少一个第二线圈单元与多个相邻第一线圈单元形成多对一耦合；至少一个第一线圈单元同时与至少两个相邻第二线圈单元形成一对多共享；所述第一线圈单元的第一接线端与激励单元的第一交流供电端连接；所述第一线圈单元的第二接线端与所述激励单元的第二交流供电端连接；被共享的第一线圈单元同时与至少两个第二线圈单元形成磁耦合关系；所述无线受电单元用于接收所述混合线圈阵列产生的磁场并将磁场转化为电能。

4、本技术一些实施例中，所述混合线圈阵列包括多个局部耦合单元，相邻两个所述局部耦合单元共享交界处的第一线圈单元或者第二线圈单元。

5、本技术一些实施例中，根据第二线圈单元在所述混合线圈阵列中的位置，其邻接的所述第一线圈单元的数量不同：位于内部位置的第二线圈单元邻接四个第一线圈单元，位于边缘非角部位置的第二线圈单元邻接三个第一线圈单元，位于角部位置的第二线圈单元邻接两个第一线圈单元；所述第二线圈单元邻接的相应数量的第一线圈单元被配置为共同激励以驱动第二线圈单元。

6、本技术一些实施例中，每个相邻的第一线圈单元和第二线圈单元之间形成耦合边；所述第二线圈单元所对应的多个耦合边具有一致的耦合方向。

7、本技术一些实施例中，所述第一线圈单元和第二线圈单元形成有符号二部网络；确定所述有符号二部网络中闭合主动—中继交替耦合回路的互感符号乘积，当各闭合回路的符号乘积均为正时，所述有符号二部网络满足全局固定极性映射相容条件，并据此确定所述第一线圈单元的固定接线极性。

8、本技术一些实施例中，所述混合线圈阵列为行列的矩形阵列结构，所述矩形阵列结构的顶点点位、中心点位布设第二线圈单元，四条侧边的中点点位布设第一线圈单元；中心点位的第二线圈单元与与其相邻的四个第一线圈单元耦合；顶点点位的第二线圈单元与与其相邻的两个第一线圈单元耦合；每个第一线圈单元同时与中心点位以及位于其所在侧边的顶点点位的第二线圈单元耦合。

9、本技术一些实施例中，位于中心点位的第二线圈单元所对应的四条耦合边具有一致的耦合方向；位于顶点点位的第二线圈单元所对应的耦合边具有一致的耦合方向；当改变主要传输能量的第二线圈单元的位置时，所述第一线圈单元的接线保持不变。

10、本技术一些实施例中，所述激励单元包括直流电源和逆变器；所述逆变器用于将直流电转换为角频率为的高频交流电，并具有第一公共交流供电端和第二公共交流供电端；所述逆变器的输入端与所述直流电源电连接；每个所述第一线圈单元的一端与所述第一公共交流供电端连接，另一端与第二公共交流供电端连接，形成主动发射支路；多个主动发射支路并联在所述第一公共交流供电端和第二公共交流供电端之间。

11、本技术一些实施例中，每个所述主动发射支路上还包括发射补偿电容；所述发射补偿电容与所述第一线圈单元串联形成补偿主动发射支路，所述主动发射支路连接于所述第一公共交流供电端和第二公共交流供电端之间。

12、本技术一些实施例中，所述第二线圈单元形成闭合中继回路且不与激励单元直接导电连接；每个中继回路上串联中继补偿电容，形成中继补偿回路。

13、本技术一些实施例中，所述无线受电单元包括接收线圈、接收补偿电容以及具有第一交流输入端和第二交流输入端的整流电路；第二交流输入端、接收线圈、接收补偿电容和第一交流输入端顺次连接，以形成串联补偿接收回路。

14、本技术的第二方面，提供了一种平面电机动子无线供电装置的实现方法，所述方法包括如下步骤：

15、步骤s1，为各第一线圈单元和第二线圈单元统一规定参考绕组方向、接线端定义及感应电压正方向，并设定激励单元的参考输出极性；

16、步骤s2，获得多个第一线圈单元与至少两个第二线圈单元之间的有符号互感关系；

17、步骤s3，根据有符号互感关系确定第一线圈单元接线端与激励单元交流输出端的固定对应关系；

18、步骤s4，按照获得的固定对应关系连接主动发射支路并保持该连接关系，使多个主动发射支路共同工作；

19、步骤s5，获得至少两个第二线圈单元处各有效耦合边的实际相位关系；

20、步骤s6，分别校核至少两个第二线圈单元处的有效耦合边是否满足预定相互增强条件。

21、本技术一些实施例中，所述步骤s2具体包括如下步骤：

22、将待测主动发射支路与其他支路隔离，依次单独激励各相邻主动发射支路，检测并在第二线圈单元处记录各支路产生的感应电压相位；

23、选取其中一个主动发射支路作为基准支路，将其余主动发射支路产生的感应电压相位与所述基准支路产生的感应电压相位进行比较，确定多个第一线圈单元与至少两个第二线圈单元之间的有符号互感关系或接线极性。

24、本技术一些实施例中，所述步骤s2中，根据绕组方向、相对安装方向及空间耦合关系确定有符号互感；

25、所述步骤s中，建立耦合阻抗关系并求解共同工作电流相量及实际相位。

26、本技术一些实施例中，还包括如下方法：

27、当校核表明存在相互削弱的有效耦合项或附加相位偏差时，确定或修正参与工作的主动发射支路、目标中继回路或接收回路中的至少一种补偿参数，并在修正后重新检测或计算各有效耦合项的实际相位关系。

28、本技术一些实施例中，还包括如下方法：

29、当由所述第一线圈单元、第二线圈单元及其耦合边形成的全局网络不相容时，将全局网络划分为分别相容的区域，每个冲突支路仅接入一个区域，在区域切换时切换极性；或为每个区域采用独立相位控制。

30、本技术一些实施例中，还包括如下方法：

31、获取有效耦合边，检查各有效耦合边的相容条件，确定固定端子；分别校核每个第二线圈单元的相位关系，当改变主要传输能量的第二线圈单元的位置时，所述第一线圈单元的接线保持不变。

32、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：本技术的平面电机动子无线供电装置，通过设置产生激励磁场的第一线圈单元和通过磁耦合中继所述激励磁场的第二线圈单元，第二线圈单元可由相邻的多个第一线圈单元共同激励，第二线圈单元的等效感应电压为各相邻第一线圈单元在该第二线圈单元中产生的感应电压分量的相量和，能够提升第二线圈单元的激励强度，增强了与动子无线受电单元的耦合能力，在各有效耦合项相互增强且激励单元的电源容量满足要求时，有利于提高目标第二线圈单元获得的合成感应电压；能够减少主动发射位置、主动补偿支路及主动供电连接位置，并降低多个独立驱动通道的频率同步控制复杂度。

33、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本文。