一种有限自由度全向可重构发射线圈结构及扩展结构

本发明属于无线电能传输，特别是涉及到一种有限自由度全向可重构发射线圈结构及扩展结构。

背景技术：

1、无线电能传输技术(wpt)即：用电设备以非接触方式从固定电网取电的技术，它实现了电源的便捷和安全接入，解决了因具有电源电线，需要频繁地拔插、不美观、且容易磨损的问题。根据传输原理的不同，wpt技术主要有以下三种方式：微波辐射式、电磁感应耦合式，以及磁耦合谐振式(cmr)。其中磁耦合谐振式无线电能传输具有较大的传输距离且具有较高的传输功率和效率；非辐射技术、良好的穿透性，不受非金属障碍物的影响。使得该技术已经成为无线电能传输技术的重要发展方向之一。

2、无线电能传输作为一种新型的电能传输方法有效地避免了“不宜、不易”使用导线供电场景中的诸多弊端，提高了供电方法的自由度，拓展了人们对电能传输方法的想象，与传统利用电缆线输送电能方式相比更加安全、便捷和可靠，被认为是能源传输和接入的一种革命性进步。

3、无线电能传输结构作为电能被发射和接收的装置，在系统中起着关键性作用，可以直接影响系统的传输性能，因此传输结构的设计是实现全向差异化自由度无线电能传输的可能方法。现有的平面线圈组合成的三维立体结构及三维多边形结构均不能很好的实现全向差异化的电能传输，这就不可避免的造成了全向电能传输中的能量浪费，而随着社会发展的不断进步，对能量传输的高效及经济性提出了更高的要求。因此适应于不同负载状况的全向差异化能量传输已成为研究热点问题，问题的解决对于行业发展具有引领性。

4、现有的可拼接扩展结构，主要是二维平面的形式，虽然能实现某一平面上的结构扩展，但平面结构仅能产生垂直于该平面沿法线方向的磁场，不能满足全向高自由度的要求；现有的三维传输结构形式主要有两类：一类是通过平面线圈在空间中两两正交的形式；另一类是根据几何图形中的体结构进行设计，如正方体、矩形、锥型及类球型等结构。现有的这些三维传输结构，虽然都能在一定程度上实现全向自由度，但都受限于线圈结构固定，不具有可重构性。这就造成了不能很好的适应于各种负载状况，例如仅有一个负载时，由三维传输结构全向传输的能量，仅有很小部分传输到负载，并没有考虑能量传输的经济性与差异化需求。

5、如何设计新型的三维立体线圈结构，满足无线电能传输中不同负载状况下能量高效传输的需求，是实现经济性和差异化自由度无线电能传输的关键。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种有限自由度全向可重构发射线圈结构及扩展结构，在实现很好局部自由度基础上，可实现有限全向传输，并具有很好的重构性，可根据实际负载需要利用可重构原理和拼接方式将自由度扩展，实现设计的成本优化和差异化自由度的需求。同时发射线圈结构整体具有高度对称性、可重构性，对全向磁场的可塑性强。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种有限自由度全向可重构发射线圈结构，是由单独的导线或导线组整体绕制而成的三维立体线圈结构，包括顶面、底层、中间层；所述顶面包括一个横向矩形线圈；所述底层包括两个纵向矩形线圈，以及两个纵向矩形线圈之间邻接且绕向互异的一个纵向半矩形线圈；所述横向矩形线圈与每个纵向矩形线圈之间都邻接一个绕向互异的斜向半矩形线圈；所述纵向半矩形线圈与两个斜向半矩形线圈围成一个三角形线圈；所述三角形线圈与两个所述斜向半矩形线圈构成所述中间层。

4、进一步的，所述三维立体线圈结构为对称结构；其中所述横向矩形线圈与所述纵向矩形线圈相互对称，所述两个纵向矩形线圈相互对称，所述斜向半矩形线圈与所述纵向半矩形线圈相互对称，所述两个斜向半矩形线圈相互对称；分别从x、y、z轴观察所述三维立体线圈结构，所得结果相同。

5、更进一步的，所述三维立体线圈结构为垂直对称结构；其中所述横向矩形线圈与所述纵向矩形线圈相互垂直对称，所述两个纵向矩形线圈相互垂直对称。

6、进一步的，所述三维立体线圈结构的始端与终端在任意同一条边或同一角的位置，与任意位置的高频逆变电源相连接。

7、进一步的，所述三维立体线圈结构最左侧边与最右侧边夹角范围为0度-360度之间。

8、本发明还提出了一种有限自由度全向可重构发射线圈扩展结构，使用若干如上所述的对称结构或垂直对称结构的三维立体线圈结构，相互拼接扩展而成。

9、进一步的，以如上所述的四个垂直对称结构的三维立体线圈结构，相互拼接扩展为半球型结构。

10、进一步的，以如上所述的八个垂直对称结构的三维立体线圈结构，相互拼接扩展为球型结构。

11、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

12、1、本发明采用单独的导线或导线组整体绕制而成的三维立体线圈作为新型有限自由度全向可重构发射线圈。此三维立体线圈结构中同层相邻的线圈绕向互异，并且相邻非同层的各矩形的线圈(包括横向矩形线圈、纵向矩形线圈、纵向半矩形线圈、斜向半矩形线圈)绕向互异，其产生的正负磁场相互增强，使总磁场密度提高。

13、2、本发明提出的三维立体线圈结构具有高度对称性，从x、y以及z轴方向观察该结构完全相同，且线圈的始端与终端在任意同一条边或同一角的位置，方便与任意位置的高频逆变电源相连接；

14、3、本发明提出的三维立体线圈结构可作为通用、基础模块，利用可重构原理和拼接方式，使用任意多个所述三维立体线圈结构，在空间中进行0度-360度全向重构扩展放置。在可实现全向高自由度的基础上，将三维发射线圈模块化，使该结构在实际应用中，更能满足不同负载状况下的差异化自由度需求，实现成本优化，符合未来的发展需要。

技术特征：

1.一种有限自由度全向可重构发射线圈结构，其特征在于，是由单独的导线或导线组整体绕制而成的三维立体线圈结构，包括顶面、底层、中间层；所述顶面包括一个横向矩形线圈；所述底层包括两个纵向矩形线圈，以及两个纵向矩形线圈之间邻接且绕向互异的一个纵向半矩形线圈；所述横向矩形线圈与每个纵向矩形线圈之间都邻接一个绕向互异的斜向半矩形线圈；所述纵向半矩形线圈与两个斜向半矩形线圈围成一个三角形线圈；所述三角形线圈与两个所述斜向半矩形线圈构成所述中间层。

2.根据权利要求1所述的有限自由度全向可重构发射线圈结构，其特征在于，所述三维立体线圈结构为对称结构；其中所述横向矩形线圈与所述纵向矩形线圈相互对称，所述两个纵向矩形线圈相互对称，所述斜向半矩形线圈与所述纵向半矩形线圈相互对称，所述两个斜向半矩形线圈相互对称；分别从x、y、z轴观察所述三维立体线圈结构，所得结果相同。

3.根据权利要求2所述的有限自由度全向可重构发射线圈结构，其特征在于，所述三维立体线圈结构为垂直对称结构；其中所述横向矩形线圈与所述纵向矩形线圈相互垂直对称，所述两个纵向矩形线圈相互垂直对称。

4.根据权利要求1所述的有限自由度全向可重构发射线圈结构，其特征在于，所述三维立体线圈结构的始端与终端在任意同一条边或同一角的位置，与任意位置的高频逆变电源相连接。

5.根据权利要求1所述的有限自由度全向可重构发射线圈结构，其特征在于，所述三维立体线圈结构最左侧边与最右侧边夹角范围为0度-360度之间。

6.一种有限自由度全向可重构发射线圈扩展结构，其特征在于，使用若干如权利要求2或3所述的有限自由度全向可重构发射线圈结构，相互拼接扩展而成。

7.根据权利要求6所述的有限自由度全向可重构发射线圈扩展结构，其特征在于，使用如权利要求3所述的四个有限自由度全向可重构发射线圈结构，相互拼接扩展为半球型结构。

8.根据权利要求6所述的有限自由度全向可重构发射线圈扩展结构，其特征在于，使用如权利要求3所述的八个有限自由度全向可重构发射线圈结构，相互拼接扩展为球型结构。

技术总结本发明提出一种有限自由度全向可重构发射线圈结构及扩展结构，是由单独的导线或导线组整体绕制而成的三维立体线圈结构，顶面包括一个横向矩形线圈；底层包括两个纵向矩形线圈，以及两个纵向矩形线圈之间邻接且绕向互异的纵向半矩形线圈；横向矩形线圈与每个纵向矩形线圈之间都邻接一个绕向互异的斜向半矩形线圈；纵向半矩形线圈与两个斜向半矩形线圈围成一个三角形线圈；三角形线圈与两个所述斜向半矩形线圈构成所述中间层。本发明在实现很好局部自由度基础上，可实现有限全向传输，并可利用可重构原理和拼接方式将自由度扩展，实现设计的成本优化和差异化自由度的需求。同时发射线圈结构整体具有高度对称性、可重构性，对全向磁场的可塑性强。技术研发人员：李阳,王华鑫,祝丽花,翟宇洁,张冲,袁宝,胡玮,蒲晓飞,孙世同受保护的技术使用者：天津理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2