CN109888893B - 一种两自由度wpt线圈结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两自由度WPT线圈结构，在接收线圈载体上沿接收线圈载体长度方向缠绕有接收线圈Rx，发射线圈载体外侧沿发射线圈载体长度方向缠绕有发射线圈Tx，接收线圈载体和发射线圈载体在长度方向同轴设置，接收线圈载体能够沿长度方向轴线相对发射线圈载体转动和滑动，利用接收线圈载体带动发射线圈Tx绕x轴旋转同时带动发射线圈Tx在半圆柱型滑槽内沿x轴直线运动，得到在不同旋转角度下输入输出电压波形互感的微小变化使得在接收线圈旋转时，系统的输出功率和效率保持不变，利用接收线圈载体和发射线圈载体的相对转动和滑动，保证WPT线圈在两自由度情况下能够正常工作传送，本结构简单，可应用于机器人关节，实现关节运动中进行无线功率传输。
Description
技术领域
本发明属于电力电子无线功率传输研究领域，涉及一种两自由度WPT线圈结构。
背景技术
无线功率传输技术(WPT)较有线充电有着使用方便，灵活性强，安全性高等不可替代的优点，因而无线充电技术近几年得到了飞速发展，被广泛应用于各类电子产品、电动汽车、工业生产、医疗设备等领域。
无线功率传输线圈结构的优化对提高无线功率传输系统的效率和功率都有极其重要的作用。随着无线功率传输技术的广泛应用，针对不同的应用场合，传输线圈的结构也从简单的平面螺旋型扩展到圆环型、正方环型、六边环型等。已公开的发明专利如：《用于向深植入装置提供无线功率的系统》公开了一种用于向植入装置提供无线功率的天线系统，其中传输天线采用六边形环分布，降低了传输比吸收率，提高了聚焦性从而改善了系统的传输效率。《用于眼植入体的3线圈的无线功率传输系统》公开了一种用于视网膜植入的电磁感应功率传输系统。其中，为适应眼球的特殊结构，所采用的缓冲线圈为卵形，接收线圈螺旋缠绕为圆形。《使用堆叠谐振器的无线功率传输》采用正方环型的主次谐振器作为传输线圈，通过摆放位置和个数的合理配置，使得合成的磁场具有更加均匀的场分布。在机器人关节运动过程中，充电系统无法随关节运动的同时进行充电，现有的用于无线功率传输的线圈结构无法应用于机器人关节处的无线功率传输。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两自由度WPT线圈结构，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种两自由度WPT线圈结构，包括接收线圈载体和发射线圈载体，接收线圈载体上沿接收线圈载体长度方向缠绕有接收线圈Rx，发射线圈载体外侧沿发射线圈载体长度方向缠绕有发射线圈Tx，接收线圈载体和发射线圈载体在长度方向同轴设置，接收线圈载体能够沿长度方向轴线相对发射线圈载体转动和滑动。
进一步的，接收线圈载体为圆柱形接收线圈载体，发射线圈载体为半圆柱行滑槽，接收线圈载体安装于发射线圈载体的滑槽内同轴设置。
进一步的，发射线圈Tx绕于发射线圈载体的下半部，接收线圈Rx绕于接收线圈载体的上半部，发射线圈Tx相对接收线圈Rx移动或者转动过程中不交叉。
进一步的，接收线圈载体两端分别通过伸缩杆与发射线圈载体连接，伸缩杆与发射线圈载体之间转过轴承转动连接。
进一步的，其中一个伸缩杆的端穿过发射线圈载体连接有能够控制伸缩杆转动的同时能够带动接收线圈载体相对发射线圈载体转动的驱动装置。
进一步的，接收线圈载体沿长度方向轴线相对发射线圈载体旋转角度范围为0°～85°。
进一步的，发射线圈Tx接有发射电路，发射电路包括与发射线圈Tx一端依次接的电阻R1、谐振补偿电容C1和逆变桥DC/AC，发射线圈Tx另一端接逆变桥DC/AC；逆变桥DC/AC的正负极接直流源DC。
进一步的，接收线圈Rx接有接收电路，接收电路包括与接收线圈Rx一端依次接的电阻R2、谐振补偿电容C2和整流桥AC/DC，接收线圈Rx另一端接整流桥AC/DC，整流桥AC/DC的输出端接负载RL。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
公开了一种两自由度WPT线圈结构，包括接收线圈载体和发射线圈载体，接收线圈载体上沿接收线圈载体长度方向缠绕有接收线圈Rx，发射线圈载体外侧沿发射线圈载体长度方向缠绕有发射线圈Tx，接收线圈载体和发射线圈载体在长度方向同轴设置，接收线圈载体能够沿长度方向轴线相对发射线圈载体转动和滑动，利用接收线圈载体带动发射线圈Tx绕x轴旋转同时带动发射线圈Tx在半圆柱型滑槽内沿x轴直线运动，可得到在不同旋转角度下输入输出电压波形互感的微小变化使得在接收线圈旋转时，系统的输出功率和效率保持不变，利用接收线圈载体和发射线圈载体的相对转动和滑动，能够保证WPT线圈在两自由度情况下能够正常工作传送，本结构可应用于机器人关节，实现关节运动中进行无线功率传输，结构简单，操作方便。
附图说明
图1为可自由旋转及直线移动的2自由度WPT线圈结构模型。
图2为无线功率传输SS补偿电路的等效电路模型。
图3为发射线圈和接收线圈间互感及耦合系数随旋转角度变化的变化趋势。
图4为基于可自由旋转及直线移动的2自由度WPT线圈结构搭建的实验平台
图5为在不同旋转角度下WPT系统输入输出电压波形变化图，图5a为0°时的输入和输出电压波形图，图5b为10°时的输入和输出电压波形图，图5c为20°时的输入和输出电压波形图，图5d为30°时的输入和输出电压波形图，图5e为40°时的输入和输出电压波形图，图5f为50°时的输入和输出电压波形图，图5g为50°时的输入和输出电压波形图，图5h为70°时的输入和输出电压波形图，图5i为80°时的输入和输出电压波形图，图5j为85°时的输入和输出电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种两自由度WPT线圈结构，包括接收线圈载体1和发射线圈载体2，接收线圈载体1为圆柱形接收线圈载体，接收线圈载体1上沿接收线圈载体1长度方向缠绕有接收线圈Rx4，发射线圈载体2为半圆柱行滑槽，接收线圈载体1放置于发射线圈载体2的滑槽内，发射线圈载体2外侧缠绕有与接收线圈Rx4缠绕方向一致的发射线圈Tx3，发射线圈载体2外侧沿发射线圈载体2长度方向缠绕有发射线圈Tx3；接收线圈载体1能够相对发射线圈载体2转动，接收线圈载体1能够相对发射线圈载体2沿接收线圈载体1或发射线圈载体2长度方向滑动；
为了保证系统的稳定性，发射线圈Tx3绕于发射线圈载体2的下半部，接收线圈Rx4绕于接收线圈载体1的上半部，发射线圈Tx3相对接收线圈Rx4移动或者转动过程中不交叉；
具体实施例：如图2所示，接收线圈载体1两端分别通过伸缩杆5与发射线圈载体2连接，伸缩杆5与与发射线圈载体2之间转过轴承6转动连接；其中一个伸缩杆5的端穿过发射线圈载体2连接有驱动装置；驱动装置控制伸缩杆5转动的同时能够带动接收线圈载体1相对发射线圈载体2转动；
接收线圈载体1能够沿长度方向轴线相对发射线圈载体2旋转角度范围为0°～85°；
发射线圈Tx3和接收线圈Rx4绕制方式的优化设计使得在发射线圈沿x轴旋转和直线移动过程中，互感M随角度变化而变化的幅度很小；因为系统的效率和功率均与M有关，如公式(1)(2)所示，
式中，P为功率，ω为角频率，M为互感，Uin为输入电压，RL为负载阻值，R1为发射线圈内阻，R2为接收线圈内阻；η为效率，ω为角频率，M为互感，RL为负载阻值，R1为发射线圈内阻，R2为接收线圈内阻；
所以当M变化的幅度很小时，统的效率和功率变化的幅度也很小，从而实现系统的稳定；因而维持输出功率和效率恒定。
无线功率传输SS补偿电路如图3所示：
发射电路和接收电路，发射电路包括与发射线圈Tx一端依次接的电阻R1、谐振补偿电容C1和逆变桥DC/AC，发射线圈Tx另一端接逆变桥DC/AC；逆变桥DC/AC的正负极接直流源DC；
接收电路包括与接收线圈Rx一端依次接的电阻R2、谐振补偿电容C2和整流桥AC/DC，接收线圈Rx另一端接整流桥AC/DC，整流桥AC/DC的输出端接负载RL；
在Matlab/Simulink环境下对图1所示的等效电路进行仿真，记录在不同旋转角度下发射线圈与接收线圈间的互感变化如图4所示；随着旋转角度的变化，互感M和耦合系数k均小幅增长；然而互感M的变化浮动非常小，因而可以实现输出功率及效率恒定。
为了验证仿真结果，搭建实验平台所示，将接收线圈载体1放置于发射线圈载体2滑槽内，接收线圈载体1的轴线与发射线圈载体2轴线同轴，将接收线圈载体1在发射线圈载体2的滑槽内平行滑动，角度不变，发射线圈与接收线圈间的互感无变化；将接收线圈载体1在发射线圈载体2的滑槽内转动，得到在不同旋转角度下WPT系统的输入输出电压变化波形如图5所示：图5a～j分别为旋转角度为0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，85°时的输入和输出电压波形。CH1为输入电压波形，CH2为输出电压波形，由实验波形可得，输入电压和输出电压波形随角度变化而变化的幅度很小，说明本系统稳定，可自由旋转及直线移动的2自由度WPT线圈模型，系统的输出功率和效率保持不变，该无线功率传输系统设计可应用于机器人关节，实现两自由度WPT线圈结构应用。
Claims (8)
1.一种两自由度WPT线圈结构，其特征在于，包括接收线圈载体(1)和发射线圈载体(2)，接收线圈载体(1)上沿接收线圈载体(1)长度方向缠绕有接收线圈Rx(4)，发射线圈载体(2)外侧沿发射线圈载体(2)长度方向缠绕有发射线圈Tx(3)，接收线圈载体(1)和发射线圈载体(2)在长度方向同轴设置，接收线圈载体(1)能够沿长度方向轴线相对发射线圈载体(2)转动和滑动。
2.根据权利要求1所述的一种两自由度WPT线圈结构，其特征在于，接收线圈载体(1)为圆柱形接收线圈载体，发射线圈载体(2)为半圆柱行滑槽，接收线圈载体(1)安装于发射线圈载体(2)的滑槽内同轴设置。
3.根据权利要求1所述的一种两自由度WPT线圈结构，其特征在于，发射线圈Tx(3)绕于发射线圈载体(2)的下半部，接收线圈Rx(4)绕于接收线圈载体(1)的上半部，接收线圈Rx(4)相对于发射线圈Tx(3)移动或者转动过程中不交叉。
4.根据权利要求1所述的一种两自由度WPT线圈结构，其特征在于，接收线圈载体(1)两端分别通过伸缩杆(5)与发射线圈载体(2)连接，伸缩杆(5)与发射线圈载体(2)之间转过轴承(6)转动连接。
5.根据权利要求4所述的一种两自由度WPT线圈结构，其特征在于，其中一个伸缩杆(5)的端穿过发射线圈载体(2)连接有能够控制伸缩杆(5)转动的同时能够带动接收线圈载体(1)相对发射线圈载体(2)转动的驱动装置。
6.根据权利要求1所述的一种两自由度WPT线圈结构，其特征在于，接收线圈载体(1)沿长度方向轴线相对发射线圈载体(2)旋转角度范围为0°～85°。
7.根据权利要求1所述的一种两自由度WPT线圈结构，其特征在于，发射线圈Tx(3)接有发射电路，发射电路包括与发射线圈Tx一端依次接的电阻R1、谐振补偿电容C1和逆变桥DC/AC，发射线圈Tx另一端接逆变桥DC/AC；逆变桥DC/AC的正负极接直流源DC。
8.根据权利要求1所述的一种两自由度WPT线圈结构，其特征在于，接收线圈Rx(4)接有接收电路，接收电路包括与接收线圈Rx一端依次接的电阻R2、谐振补偿电容C2和整流桥AC/DC，接收线圈Rx另一端接整流桥AC/DC，整流桥AC/DC的输出端接负载RL。
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