全空间磁耦合无线局域传能系统及其磁能调控方法

1.本发明涉及磁耦合无线电能传输(mc-wpt)技术领域，尤其涉及一种全空间磁耦合无线局域传能系统及其磁能调控方法。


背景技术：

2.磁耦合无线电能传输(magnetic coupling wireless power transfer,mc-wpt)技术基于磁场耦合原理实现电能从电源端到用电设备端的无电气连接传输，具有安全、可靠、灵活、便捷等优势，目前已成功应用于消费电子、家用电器、电动汽车等领域，已成为当前电气工程及自动化领域的研究热点。随着应用领域的扩展及产业化深入，传能的空间灵活性及高效性成为该技术重要共性需求之一。
3.无线传能空间能力提升已经得到了国内外研究学者的广泛关注。目前mc-wpt系统空间能力提升主要可分为两类：单激励系统的磁耦合机构设计和多激励模式。
4.单激励系统空间能力提升主要集中在磁耦合机构设计方法，现有的方法主要有：增加磁芯材料，设计3d磁耦合机构等。增加磁芯材料能够有效增加磁耦合无线电能传输的纵向传能距离，但是横向传能范围的提升以及自由度的提升有限，同时磁芯材料会带来额外的损耗，影响系统的能效。设计3d磁耦合机构，可以使得空间多个维度内都有磁场分布，能够有效增强无线传能的自由度。但是3d磁耦合机构通常是串联结构，一旦激励线圈工作，多个维度的磁场分布都是同时存在，漏磁大，损耗大，且电磁干扰大。由于单激励系统磁耦合机构设计难以同时兼顾传输距离、传输范围、自由度以及存在损耗大、漏磁严重等问题，多激励模式近几年得到了极大的关注。
5.多激励模式提升系统空间能力主要是构建多线圈架构来实现的，比如平面线圈阵列，三维正交线圈架构等，通过选择性激励不同线圈以此提升系统的空间能力。多线圈架构系统可以使得空间磁场较为均匀的分布，从而能够有效增加磁能传输范围。并且通过终端位置选择不同的激励线圈阵列组合，在提升系统空间能力的基础上，也能减小系统损耗，减小漏磁，保证传输能效。但是，目前多线圈架构，大多都是集中式传能架构，一旦结构给定，传能空间就是给定的，因此有效传能范围比较有限。同时，目前的多线圈激励系统，大多都是单一调控，即多激励源的单一变量进行调控，单一变量包括组合方式、仅幅值或仅相位，难以实现空间磁场动态调控。
6.众所周知，对于mc-wpt系统而言，实现系统高效传能的充分条件就是有一定的磁力线穿过接收线圈。但由于磁力线永不相交的特性，三维空间内必定存在着没有磁力线穿过的方位，这些方位必然不能实现有效的电能传输，因此可以定义这些方位为无效传能空间。无效传能空间是由磁力线特性决定的，本质上无法消除。随接收线圈方位动态调控系统的磁场分布，是解决无效传能方位，实现全空间有效传能的有效途径。同时动态调控磁场也是有效减小漏磁，高效精准传能的重要手段。


技术实现要素：

7.本发明提供全空间磁耦合无线局域传能系统及其磁能调控方法，解决的技术问题在于：现有多激励系统结构固定且对多激励源进行单一调控，存在无效传能方位，无法实现全空间有效传能，且系统损耗大、漏磁严重。
8.为解决以上技术问题，本发明提供全空间磁耦合无线局域传能系统，包括n≥3个三维正交立体线圈；
9.以每个三维正交立体线圈的几何中心作为各自三维笛卡尔坐标系的坐标原点，每个三维正交立体线圈包括分别分布于x、y、z坐标面上、几何中心均与坐标原点重合的x面正交线圈、y面正交线圈和z面正交线圈；
10.在无线电能传输时，任一x面正交线圈、任一y面正交线圈与任一z面正交线圈中组合成一发射机构进行全空间电磁发射。
11.优选的，n个x面正交线圈、n个y面正交线圈、n个z面正交线圈均采用结构相同的单发射线圈。
12.优选的，发射机构中3个正交线圈的频率相同、相位相同。
13.优选的，单发射线圈采用任意形状的平面线圈。
14.本发明还提供一种针对上述全空间磁耦合无线局域传能系统的磁能调控方法，包括步骤：
15.s1、根据实际需求确定n个三维正交立体线圈的结构和位置，以及接收线圈的结构及位置；
16.s2、根据实际需求确定接收线圈的期望磁场大小与方向；
17.s3、将每个三维正交立体线圈作为一个结点，任意结点的任意三个x、y和z面的单发射线圈组合成一个发射机构，集合所有发射机构形成发射机构集；
18.s4、根据接收线圈的期望磁场方向，基于漏磁最小原理，计算发射机构集中各发射机构的三个正交线圈电流幅值比；
19.s5、基于接收线圈的期望磁场大小，确定发射机构集中各发射机构的三个正交线圈电流幅值；
20.s6、以损耗最小为目标，建立非线性规划模型进行求解，得到最优结点组合以及该最优结点组合所对应的最优发射机构中3个正交线圈的电流幅值；
21.s7、对最优发射机构中3个正交线圈以采用步骤s6计算的电流幅值、相同频率、相同相位的激励电流进行激励。
22.进一步地，在步骤s3中，发射机构集q表示为：
23.q＝{x|x＝[x1,x2,x3],x1,x2,x3∈(1,2,...,n)}
[0024]
其中，x＝[x1,x2,x3]表示取第x1个结点的x面正交线圈、第x2个结点的y面正交线圈和第x3个结点的z面正交线圈组合而成的发射机构，n为结点个数，因此发射机构集q中一共有个发射机构。
[0025]
进一步地，在步骤s4中，根据接收线圈的期望磁场方向，基于漏磁最小原理，计算任一发射机构中3个正交线圈的电流幅值比的矩阵方程表达如下：
[0026][0027]
其中，t
ui
为正交线圈i在u方向磁场分量的电流系数，表示接收线圈的平面法向量，a、b、c分别为x、y、z方向上单位矢量的系数，ii表示正交线圈i的电流幅值，为比例系数，hu为3个正交线圈总合成磁场在u方向的磁场分量，i＝1,2,3，u＝x,y,z，这里建立的三维笛卡尔坐标系以任一个三维正交立体线圈的三维笛卡尔坐标系为准。
[0028]
进一步地，在任一发射机构中3个正交线圈的电流幅值比表示为：
[0029][0030]
进一步地，在步骤s5中，任一发射机构中3个正交线圈的电流幅值表示为：
[0031]
(i1,i2,i3)＝h(h
期望
，(i1/i2/i3))
[0032]
其中，h
期望
表示接收线圈的期望磁场大小，h(h
期望
，(i1/i2/i3))表示h
期望
与i1/i2/i3之间的函数。
[0033]
进一步地，在步骤s6中，非线性规划模型描述如下：
[0034][0035]
其中，表示目标函数，r表示正交线圈i的内阻，ri表示任一发射机构中正交线圈i与接收线圈的距离，i＝1,2,3，r
max
为有效传能最大距离，i
coilmax
为正交线圈的最大耐流值。
[0036]
本发明提供的一种全空间磁耦合无线局域传能系统及其磁能调控方法，突出的优势在于：
[0037]
1、提供了一种全空间磁耦合无线局域传能系统，包括n≥3个三维正交立体线圈，根据具体的应用需求可对该发射机构进行任意组合，选择组合后的发射机构进行全空间电磁发射，该机构可以工作在集中式三维正交传能(选择一个三维正交立体线圈作为传能的发射机构)和分布式三维正交传能(从2个或3个三维正交立体线圈中选择对应线圈组合成发射机构)两种工作模式下，是在有效传能范围内实现随终端位置与方位动态调控磁能空间分布，消除死区空间带来的影响，实现全方位、全角度传能的结构基础；
[0038]
2、以全空间磁耦合无线局域传能系统为结构基础，提供一种磁能调控方法，根据
接收线圈的位置、期望磁场大小与方向选择最优发射机构，并确定发射机构的电流幅值并保证同相位，可以在有效传能范围内实现随终端位置与方位动态调控磁能空间分布，消除死区空间带来的影响，实现全方位、全角度传能；建立了多激励协同控制准则，不仅能实现一定位置磁场方向控制，还能最小化漏磁，抑制涡流损耗从而有效降低激励源的损耗，提升传能效率。
附图说明
[0039]
图1是本发明实施例提供的全空间磁耦合无线局域传能系统的架构图；
[0040]
图2是本发明实施例提供的集中式三维正交传能模式的示意图；
[0041]
图3是本发明实施例提供的分布式三维正交传能模式的示意图；
[0042]
图4是本发明实施例提供的磁能传输空间任意矢量r的合成示意图；
[0043]
图5是本发明实施例提供的接收线圈合成磁场矢量分析示意图；
[0044]
图6是本发明实施例提供的三正交线圈与中心点p的位置示意图；
[0045]
图7是本发明实施例提供的在图6中建立辅助坐标系的示意图；
[0046]
图8是本发明实施例提供的三正交线圈的合成磁场分量示意图；
[0047]
图9是本发明实施例提供的comsol空间结构示意图；
[0048]
图10是本发明实施例提供的接收线圈随x轴偏转后得到的接收线圈中心点合成磁场方向与接收线圈平面法向量的夹角变化曲线图；
[0049]
图11是本发明实施例提供的接收线圈随y轴偏转后得到的接收线圈中心点合成磁场方向与接收线圈平面法向量的夹角变化曲线图；
[0050]
图12是本发明实施例提供的接收线圈随z轴偏转后得到的接收线圈中心点合成磁场方向与接收线圈平面法向量的夹角变化曲线图；
[0051]
图13是本发明实施例提供的不同电流工作模式下的空间磁力线示意图。
具体实施方式
[0052]
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。
[0053]
为了实现随接收线圈方位动态调控系统的磁场分布以及有效减小漏磁，本发明实施例首先提供一种全空间磁耦合无线局域传能系统(或称为局域传能网)，包括n≥3个三维正交立体线圈；以每个三维正交立体线圈的几何中心作为各自三维笛卡尔坐标系的坐标原点，每个三维正交立体线圈包括分别分布于x、y、z坐标面上、几何中心均与坐标原点重合的x面正交线圈、y面正交线圈和z面正交线圈；在无线电能传输时，任一x面正交线圈、任一y面正交线圈与任一z面正交线圈中组合成一发射机构进行全空间电磁发射。
[0054]
图1所示为n＝4时发射机构的示意图，4个三维正交立体线圈各作为一个结点，可以看到4个x面正交线圈、4个y面正交线圈、4个z面正交线圈均采用结构相同的单发射线圈，并且单发射线圈采用圆形线圈。本专利以圆形线圈为例，其他任意形状的三正交线圈，同样可实现磁场跟踪，比如正多边形线圈。
[0055]
在图1所示的多结点无线电能传输网中，根据发射机构的组合方式不同，可以分为
集中式三维正交传能模式和分布式三维正交传能模式。集中式三维正交传能模式是指以同一个结点的三个正交发射线圈(x面正交线圈、y面正交线圈和z面正交线圈)作为发射机构，控制空间磁场矢量，具体结构图如图2所示。分布式三维正交传能模式是指三个正交激励线圈来自不同的结点，可以来自两个结点，也可以来自三个结点，结构示意图如图4所示。在图2与图3中，正交密虚线表示有效传能范围，实线表示激励线圈，粗虚线表示未激励线圈。
[0056]
两种传能模式都能控制空间任意点的磁场方向。但由于磁场存在衰减性，单一结点只可以在有限距离内传输能量，这个范围称为有效传能范围。不同空间区域内，不同传能模式产生相同磁场强度矢量需要的各线圈电流幅值不一样，从而线圈损耗、系统效率都不一样。因此可以根据空间区域位置，择优选择相应的传能模式。该发射机构的磁能调控方式基于如下原理进行：
[0057]
1)对于给定位置的单发射线圈来说，在空间某任意点所产生的磁场矢量方向是确定的且是唯一的，磁场矢量的大小由激励电流的幅值和相角决定；
[0058]
2)对于几何位置两两正交的三个单发射线圈，三个线圈在空间某任意点所参数的磁场矢量方向一定是彼此不相同的；
[0059]
3)三个方向不同的磁场矢量，通过控制其幅值比和相角，可以合成任意方向的磁场矢量。
[0060]
矢量合成数学表达式为式(1)，其空间示意图如图4所示，其中为三个方向不同的矢量，通过控制三个矢量的幅值，可以合成空间任意矢量
[0061][0062]
对接收线圈所处位置的合成磁场矢量进行分析，示意图如图5所示。
[0063]
图5中，hi为线圈i即coili产生的磁场矢量，i＝1,2,3为选择的线圈标号，h
合成
为三正交线圈合成的磁场矢量；n为接收线圈平面法向量。图5中矢量关系可由式(2)表示为：
[0064][0065]
由图3与式(2)可以得知，当接收线圈处于局域传能空间某一位置且接收线圈尺寸远小于发射线圈尺寸时，可将其近似看作局域传能网内的质点，分别选择结点1、结点2和结点3的1个正交线圈组合成发射机构，通过多激励协同控制准则，使接收线圈所处位置处的合成磁场指向线圈平面法向量方向，且无多余漏磁，实现磁能调控。
[0066]
下面以局域传能系统的任意三正交线圈为例，给出三正交线圈实现磁场控制的多激励协同控制准则。给出三个正交线圈与接收中心点p，将线圈1几何中心即作为原点，建立坐标系o1，整体示意图如图6所示，中心点p坐标为(x0,y0,z0)，线圈i坐标为(xi,yi,zi)，i＝1,2,3。
[0067]
对线圈1应用毕奥-萨伐尔定理，可得激励线圈1在中心点p处激发的空间磁场为：
[0068][0069]
其中，为线圈1的激励电流，r1为中心点p距线圈1上电流元的距离，为线圈1上的电流元指向中心点p的单位向量。
[0070]
对线圈2与线圈3建立自身坐标系，只需要进行平移、旋转，即可求得中心点p在o2与o3坐标系中的坐标为式(4)。线圈2与线圈3建立的辅助坐标系如图7所示。
[0071][0072]
其中，(xi,yi,zi)为中心点p在线圈i(i＝1,2,3)坐标系中的坐标，ri为线圈1到线圈i(i＝2,3)的旋转矩阵，θ1、θ2分别为线圈1到线圈2、3的顺时针旋转角。
[0073]
由于mc-wpt系统的有效传输范围属于近场传播，在此范围内电磁波波数与传播距离的乘积远小于1，结合上述分析并将式(4)代入式(3)进行化简，解得磁场在笛卡尔坐标系中的分量为：
[0074][0075]
其中，ar为线圈半径，分别为中心点p在线圈i坐标系中的基方向单位矢量，为中心点p与线圈i中心的距离，为线圈i在自身坐标系中的磁场矢量。
[0076]
应用坐标系逆旋转，结合式(4)，求得线圈i在中心点p激发的空间磁场于o1坐标系中的表达式概括为：
[0077][0078]
为线圈i在o1坐标系中的磁场矢量的表示。
[0079]
结合叠加定理可知，三正交线圈总合成磁场的x、y、z分量可以表示为：
[0080][0081][0082]
其中，h
x
为合成磁场的x分量，hy为合成磁场的y分量，hz为合成磁场的z分量，h
ui1
为线圈i在o1坐标系中u方向上的磁场矢量，u＝x,y,z。
[0083]
将式(8)中的合成磁场的分量绘制于图8中，h
合成
为三个线圈共同作用下的合成磁场矢量。
[0084]
将图5中的平面法向量与式(1)结合，可以将接收线圈的平面法向量n转化为基方向矢量：
[0085][0086]
其中，a、b、c分别为单位矢量的系数。
[0087]
当图8接收线圈中心点p的磁场的基方向的分量比等于法向单位矢量的基方向的分量比时，两矢量平行。将式(8)与式(9)代入到式(2)右等式可得：
[0088][0089]
其中，k为比例系数。
[0090]
将式(10)代入到式(2)左等式，并进行化简可得：
[0091][0092]
其中，ti为正交线圈i激发磁场公式中的几何参数系数，为正交线圈i的激励电流，ri为中心点p距正交线圈i上电流元的距离，为正交线圈i上的电流元指向中心点p的单位向量。
[0093]
将式(11)表示在频域中可得：
[0094][0095]
其中，ii、ωi、分别为激励电流的振幅、角频率和相位。对于式(12)进行定性分析可知，当三个激励线圈频率相同且同相位的时候，合成磁场的方向完全由三个激励线圈的幅值比决定，且不会随时间发生变化。基于此，在具体应用时，将各线圈的电流设置为同频、同相位，以此保证h
合成
的矢量方向不随时间变化而发生改变，只需要调控幅值比就能进行合成磁场的方向控制，满足幅值比的条件下，调控幅值就能进行合成磁场的大小控制，实现磁场动态调控。
[0096]
当中心点位置处的期望磁场方向给定时，在电流相位调控为同相位的基础上，将式(7)与式(10)联立并进行转换可得矩阵方程为：
[0097][0098]
其中，t
ui
为正交线圈i在u方向磁场分量的电流系数，u＝x,y,z。
[0099]
通过解矩阵方程(13)，可以得到一发射机构中三正交线圈的电流幅值比的解为：
[0100][0101]
当中心点位置处的期望磁场大小给定时，结合式(11)与式(14)，可定义三正交线圈的电流幅值的求解函数如下：
[0102]
(i1,i2,i3)＝h(h
期望
，(i1/i2/i3))
ꢀꢀꢀ
(15)
[0103]
其中，h
期望
表示接收线圈的期望磁场大小，h(h
期望
，(i1/i2/i3))表示h
期望
与i1/i2/i3之间的函数。
[0104]
可以看出，当三个正交线圈几何中心、期望磁场方向给定时，此时电流幅值只与电流幅值比和期望磁场大小有关，故通过求解式(15)，即可求得选定的三正交线圈的电流具体幅值。通过在三正交线圈中通上述大小的激励电流，线圈可以在中心点位置处产生期望大小且垂直于线圈平面的磁场矢量。
[0105]
结合上述理论分析，任意三正交线圈即任意发射机构皆可实现磁能调控，即上述组合都可以通过调节三正交线圈的电流幅值与相位，在中心点位置产生期望的磁场大小与方向。基于此，本发明实施例还提供一种全空间磁耦合无线局域传能系统的磁能调控方法，具体包括步骤：
[0106]
s1、根据实际需求确定n个三维正交立体线圈的结构和位置，以及接收线圈的结构及位置；
[0107]
s2、根据实际需求确定接收线圈的期望磁场大小与方向；
[0108]
s3、将每个三维正交立体线圈作为一个结点，任意结点的任意三个x、y和z面的单发射线圈组合成一个发射机构，集合所有发射机构形成发射机构集；
[0109]
s4、根据接收线圈的期望磁场方向，基于漏磁最小原理，计算发射机构集中各发射机构的三个正交线圈电流幅值比；
[0110]
s5、基于接收线圈的期望磁场大小，确定发射机构集中各发射机构的三个正交线圈电流幅值；
[0111]
s6、以损耗最小为目标，建立非线性规划模型进行求解，得到最优结点组合以及该最优结点组合所对应的最优发射机构中3个正交线圈的电流幅值；
[0112]
s7、对最优发射机构中3个正交线圈以采用步骤s6计算的电流幅值、相同频率、相同相位的激励电流进行激励。
[0113]
在这几个步骤中，步骤s4根据上述理论分析可求得任意发射机构中3个正交线圈的电流幅值比，步骤s5可基于接收线圈的期望磁场大小进一步求得任意发射机构中3个正交线圈的电流幅值。另一个关键还在于如何确定最优发射机构即步骤s6。
[0114]
根据图2、图3可知，当接收线圈位置处于不同位置时，存在三个正交线圈位于同一个或分别位于两个、三个结点的不同组合情况。由于不同组合中的三正交线圈原点坐标不同，不同组合的三正交线圈上的激励电流大小也不尽相同。同时，由于不同的电流会产生不同的磁耦合机构损耗p
loss
，在实际系统的使用中，损耗越低越好。因此，需要建立选取三正交线圈的非线性规划模型来确定三个不同正交线圈的最优选取结点组合。
[0115]
由于任意三正交线圈都可以实现三维空间内的磁能调控功能，也就是存在着多种的三正交线圈可选组合，最大可选组合数n与总结点数n的关系如式所示。
[0116][0117]
对于局域传能网架构，线圈所处结点中心坐标的不同，会影响激励电流的大小，从而导致介质损耗不同。因此，系统优化目标为磁耦合机构损耗，且该目标主要与结点坐标相关，定义目标函数f(x)为：
[0118][0119]
其中，q表示发射机构集，x＝[x1,x2,x3]表示取第x1个结点的x面正交线圈、第x2个结点的y面正交线圈和第x3个结点的z面正交线圈组合而成的发射机构，n为结点个数，因此发射机构集q中一共有个发射机构；ii表示发射机构中正交线圈i的激励电流；r表示正交线圈i的内阻。
[0120]
当f(x)值越小时，表明系统的介质损耗越低，该集合下的系统能效会相较其他集合更优秀。因此，建立的非线性规划目标为：
[0121][0122]
在实际应用中，结点的几何结构都是确定的，也就是有着固定的有效传能范围，当线圈位置超出有效传能范围时，系统无法实现电能传输。因此，当接收线圈处于结点有效传能范围内，相应结点才可以列入被算法考虑的集合中，进行下一步的结点组合寻优。对于局域传能网架构中的结点有效传能范围来说，接收线圈距三正交线圈的距离应满足：
[0123][0124]
其中，r
max
为有效传能最大距离。
[0125]
器件的稳定性需要考虑线圈绕线的耐流值，当绕线的选型确定时，其耐流值也是确定的。为避免线圈被烧毁，线圈流经的激励电流也需要被限制在一定的合理范围内。基于上述分析，则三正交线圈中激励电流大小应满足：
[0126]ii
≤i
coilmax
ꢀꢀꢀ
(20)
[0127]
其中，i
coilmax
为线圈最大耐流值。
[0128]
综合上述分析，局域传能网架构的三正交线圈结点选取准则为单目标、多约束的非线性优化问题，最终建立的非线性规划模型为：
[0129][0130]
通过求解式(21)的非线性规划模型，即可得到局域传能网架构的最优三正交线圈的结点组合，在实现磁能调控的同时，最小化系统的介质损耗，也可以通过结点的不同组合，来增大系统的有效传能范围。
[0131]
综上，本发明实施例提供的一种全空间磁耦合无线局域传能系统及其磁能调控方法，突出的优势在于：
[0132]
1、提供了一种全空间磁耦合无线局域传能系统，根据具体的应用需求可对该发射机构进行任意组合，选择组合后的发射机构进行全空间电磁发射，该机构可以工作在集中式三维正交传能(选择一个三维正交立体线圈作为传能的发射机构)和分布式三维正交传
能(从2个或3个三维正交立体线圈中选择对应线圈组合成发射机构)两种工作模式下，是在有效传能范围内实现随终端位置与方位动态调控磁能空间分布，消除死区空间带来的影响，实现全方位、全角度传能的结构基础；
[0133]
2、以全空间磁耦合无线局域传能系统为结构基础，提供一种磁能调控方法，根据接收线圈的位置、期望磁场大小选择最优发射机构，并确定发射机构的电流幅值以及相位，可以在有效传能范围内实现随终端位置与方位动态调控磁能空间分布，消除死区空间带来的影响，实现全方位、全角度传能；建立了多激励协同控制准则，不仅能实现一定位置磁场方向控制，还能最小化漏磁，抑制涡流损耗从而有效降低激励源的损耗，提升传能效率。
[0134]
下面进行仿真验证。
[0135]
对于上述提出的多激励协同调控磁场矢量的方法，本例利用matlab数值仿真对不同偏转程度下的线圈中心合成磁场方向进行验证，同时利用comsol有限元仿真软件对不同电流工作模式下的合成磁场方向进行验证，仿真参数如表1、表2所示，三发射线圈与接收线圈空间结构如图9所示。
[0136]
表1 matlab仿真参数设置
[0137]
参数数值线圈1半径a1/m0.206线圈2半径a2/m0.203线圈3半径a3/m0.200接收线圈默认位置(x0,y0,z0)/m(0.3,0.3,0.3)接收线圈法向量默认方向(a,b,c)(1,2,4)
[0138]
表2集中式comsol仿真参数设置
[0139][0140][0141]
表3分布式comsol仿真参数设置
[0142][0143]
改变接收线圈平面的不同方向偏转程度，使用本例提出的多激励协同控制方法，可以得到接收线圈中心点合成磁场方向与接收线圈平面法向量的夹角变化曲线分别如图10、图11、图12所示。
[0144]
根据图10～12显示的数值仿真结果可以看出，接收线圈处于任意程度的偏转时，在系统激励电流满足多激励协同控制幅值比的情况下，系统在中心点位置处的合成磁场与线圈平面法向量夹角始终为零，即多激励协同调控磁能的方法可以实现合成磁场始终垂直于线圈平面，且该方法适用于有效传能范围内的全方位、全角度的无线电能传输系统。
[0145]
根据上述分析可知，当多激励线圈流经的电流之间关系满足本例提出的电流幅值比关系时，合成磁场可以垂直于线圈平面。在保证多激励线圈总损耗相同，即保持不变的情况下，对集中式的不同电流工作模式和分布式三正交线圈在协同控制模式的空间合成磁场利用comsol有限元软件进行仿真，更加直观地突出本专利提出的多激励协同调控磁场的磁力线与线圈平面的垂直关系，如图13所示，其中(1)对应仅线圈1进行激励，(2)对应仅线圈2进行激励，(3)对应仅线圈3进行激励，(4)对应线圈1、2和3串联激励，(5)对应集中式协同控制激励，(6)分布式协同控制激励，n为线圈平面法向量，每幅小图中无法看清的文字为“freq(1)＝100khz”、“流线类型：磁场”，“freq(1)＝100khz”表示各个线圈的激励频率为100khz，“流线类型：磁场”表示除线圈以外的实线表示磁力线，因软件显示问题，“i1、i2、i3”分别表示“i1、i2、i
3”。
[0146]
根据图13显示的空间磁力线仿真可以看出，传统激励模式下线圈产生的空间磁力线并不会垂直穿过线圈中心，而本例提出的多激励协同调控磁能方法产生的空间磁力线与线圈中心明显垂直，此仿真结果与式(2)一致。接收线圈无论处于哪个方位，角度如何，三线圈各电流满足协同调控的电流幅值比时，系统可以实现任意中心点处的磁场矢量可按期望进行调控。
[0147]
综上仿真，matlab理论仿真结果、comsol仿真结果与理论推导结论一致，通过本实施例提出的多激励磁能调控方法，通过三个正交线圈的组合可以实现任意位置磁场方向控制的同时，最小化漏磁，且分布式传能架构与线圈选取准则的提出能有效增大传能空间的范围。
[0148]
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。