无线电能传输的多发射线圈形成磁波束聚焦的方法及装置与流程

1.本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其是指一种无线电能传输的多发射线圈形成磁波束聚焦的方法及装置。


背景技术：

2.近年来，无线电能传输技术渗透到人们生活的方方面面，该技术基于法拉第电磁感应定律通过电感耦合传输能量，一般无线电能传输系统包括一个发射线圈和一个接收线圈，给发射线圈通入一个高频交流电，该交流电在发射线圈周围产生交变的磁场，变化的磁场在接收线圈产生交变电流，通过整流电路将交流电变为直流，进而传输到负载，从而实现了能量的传输。有些无线充电系统在发射线圈与接收线圈间处加入铁氧体用于聚磁，提高传输能力。但是，目前的无线电能传输系统多为高度定向传输，传输距离很近，一般为10mm以内，且随着距离的增加快速下降，且需要发射端与接收端紧密对齐。因此现有技术的无线电能传输系统存在传输距离近以及接收设备位置固定的问题。


技术实现要素：

3.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中无线电能传输系统存在传输距离近以及接收设备位置固定的缺陷。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种无线电能传输的多发射线圈形成磁波束聚焦的方法，包括：
5.确定多个发射线圈阵列的最优结构，在所述发射线圈侧与接收线圈侧应用串联
‑
串联谐振耦合；
6.设计每个发射线圈的电流的幅值与相位的分配策略，分配每个发射线圈的电流的幅值与相位，以使多个发射线圈产生的磁场波束汇聚到接收线圈。
7.在本发明的一个实施例中，所述确定多个发射线圈阵列的最优结构的方法包括：
8.将多个发射线圈的圆心按照等边三角形排列，形成磁感应强度为0的抵消平面；
9.调整发射线圈之间的距离，对比发射线圈之间互感的变化，在发射线圈之间的互感最小时，即获得多个发射线圈阵列的最优结构。
10.在本发明的一个实施例中，多个发射线圈的数量为三个，三个发射线圈的圆心按照等边三角形排列。
11.在本发明的一个实施例中，每个发射线圈均为平面螺旋型线圈。
12.在本发明的一个实施例中，每个发射线圈均由多极环构成。
13.在本发明的一个实施例中，每个发射线圈均连接稳定的电源，以使传输频率等于谐振频率。
14.在本发明的一个实施例中，设计每个发射线圈的电流的幅值与相位的分配策略的方法包括：
15.对多个发射线圈进行建模，得到发射线圈模型；
16.根据所述发射线圈模型设计每个发射线圈的电流的幅值与相位的分配策略。
17.在本发明的一个实施例中，运用凸优化与拉格朗日对偶理论，对发射线圈的个数、电感、谐振电容及寄生电阻参数进行建模，得到发射线圈模型。
18.在本发明的一个实施例中，所述分配策略包括分配每个发射线圈的电流的幅值与相位，使得每个发射线圈的最佳电流幅值与其发射线圈与接收线圈之间的互感成正比，且发射线圈的相位保持相同。
19.此外，本发明还提供一种无线电能传输装置，该装置采用上述的无线电能传输的多发射线圈形成磁波束聚焦的方法设计得到。
20.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
21.本发明通过确定多个发射线圈阵列的最优结构，将多个发射线圈产生的磁场波束汇聚到接收线圈，能够最大限度的提高能量传输效率，以达到提高无线充电传输距离的目标，能够克服现有技术中无线电能传输系统存在传输距离近以及接收设备位置固定的缺陷。
附图说明
22.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
23.图1是本发明无线电能传输的多发射线圈形成磁波束聚焦的方法的流程示意图。
24.图2是本发明确定的多个发射线圈的阵列结构示意图。
25.图3是本发明多个发射线圈的等效电路图。
26.图4是本发明多个发射线圈阵列磁场分布图。
27.图5是常规磁场分布图。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
29.请参阅图1所示，本发明实施例提供一种无线电能传输的多发射线圈形成磁波束聚焦的方法，包括以下步骤：
30.s100：确定多个发射线圈阵列的最优结构，在发射线圈侧与接收线圈侧应用串联
‑
串联谐振耦合。
31.示例地，在发射线圈侧与接收线圈侧应用串联
‑
串联谐振耦合，能够使得发射线圈与接收线圈产生强耦合，提高无线电能传输装置的传输能力。
32.s200：设计每个发射线圈的电流的幅值与相位的分配策略，分配每个发射线圈的电流的幅值与相位，以使多个发射线圈产生的磁场波束汇聚到接收线圈。
33.在步骤s100中，多个发射线圈的数量为三个，每个线圈均由多极环构成，其圆心按照等边三角形排列，形成磁感应强度为0的抵消平面；然后改变发射线圈之间的距离，对比发射线圈之间的互感变化，确定三个发射线圈阵列的最优结构(如图2所示)，使得发射线圈间的互感尽可能的小，消除三个发射线圈之间的耦合，避免能量在发射线圈间传递消耗，达到磁聚焦的目的。这里所用的发射线圈优选平面螺旋型线圈，平面螺旋型线圈所占体积更
小，安装更加方便。
34.应理解的是，设计发射线圈的参数结构及三个发射线圈阵列的结构，以达到消除发射线圈间耦合的效果，避免了能量在发射线圈的传输造成的损耗，实现磁场约束，使得能量尽可能的传递到负载以达到提高传输功率与传输效率的效果。
35.在步骤200中，在确定三个发射线圈阵列的最优结构的情况下，对三个发射线圈进行建模，每个发射线圈均连接一个稳定的电源，使传输频率等于谐振频率，将磁波束中的所有发射线圈产生的磁场与接收线圈相结合来提高无线电能传输系统的性能。
36.具体地，运用凸优化与拉格朗日对偶理论，对发射线圈的个数、电感、谐振电容及寄生电阻参数进行建模，得到发射线圈模型，根据发射线圈模型设计每个发射线圈的电流的幅值与相位的分配策略，包括分配每个发射线圈的电流的幅值与相位，使得每个发射线圈的最佳电流幅值与其发射线圈与接收线圈之间的互感成正比,且发射线圈的相位保持相同，达到多个发射线圈的磁场波束汇聚到接收线圈的效果，从而提高无线充电的充电距离。其中三个发射线圈的等效电路图如图3所示，以及三个发射线圈阵列磁场分布如图4所示。
37.相较于如图5所示的常规磁场分布而言，本发明具有更好的磁聚焦效果及更远的无线充电距离，其理论充电距离最远可达20cm，相较于现有无线充电10mm的充电距离，本设计实现了远距离无线充电功能。
38.本发明通过确定多个发射线圈阵列的最优结构，将多个发射线圈产生的磁场波束汇聚到接收线圈，能够最大限度的提高能量传输效率，以达到提高无线充电传输距离的目标，能够克服现有技术中无线电能传输系统存在传输距离近以及接收设备位置固定的缺陷。
39.此外，本发明还提供一种无线电能传输装置，该装置采用上述的无线电能传输的多发射线圈形成磁波束聚焦的方法设计得到，其具有上述提到的所有有益效果。
40.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。