一种磁耦合谐振式无线电能多向传输三维空心线圈.pdf

一种磁耦合谐振式无线电能多向传输三维空心线圈，将导线沿着正立方体或长方体的六条棱缠绕若干圈，构成非平面结构的三维空心线圈。将其两根引线与调谐电容相连接，构成无线电能多向传输中继端；将其两根引线与调谐电容和逆变电源串联，构成无线电能多向传输发射端；将其两根引线与调谐电容和负载串联，构成无线电能多向传输负载端。本发明其结构简单、制作方便。易于和商场、工厂、家庭等周围环境中的墙壁、家具拐角共形。利用该三维线圈与调谐电容连接所构成的谐振器可在多谐振器的无线电能传输系统中充当发射端谐振器、中继端谐振器或负载接收端谐振器，灵活改变无线电能的传播方向，为位于不同方位的负载进行无线电能传输。

权利要求书
1.  一种磁耦合谐振式无线电能多向传输三维空心线圈，其特征是将导线沿着正立方体或长方体的六条棱缠绕若干圈，构成一个非平面结构的三维空心线圈。

2.  权利要求1所述的三维空心线圈的应用，其特征是将三维空心线圈的两根引线与调谐电容相连接，构成无线电能多向传输中继端。

3.  权利要求1所述的三维空心线圈的应用，其特征是将三维空心线圈的两根引线与调谐电容和逆变电源串联，构成无线电能多向传输发射端。

4.  权利要求1所述的三维空心线圈的应用，其特征是将三维空心线圈的两根引线与调谐电容和负载串联，构成无线电能多向传输负载接收端。

说明书一种磁耦合谐振式无线电能多向传输三维空心线圈
技术领域
本发明属于无线电能传输系统技术领域。
背景技术
近几年发展起来的磁耦合谐振式无线电能传输技术，利用发射端电感线圈和接收端电感线圈的近场磁耦合谐振在中程距离高效、非辐射地传输电能，具有方便、安全、干净等优点，广受人们关注。
目前该领域已有的大多数专利都是单发射端、单接收端的无线充电结构。对应的，作为发射端和接收端谐振器重要部件的空心电感线圈通常是矩形或圆形等平面型的二维结构，这种二维线圈具有较强的方向性，通常只在某一特定方向上具有最大的传输效率，不利于沿多个不同的方向对多个负载进行电能传输。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种磁耦合谐振式无线电能多向传输三维空心线圈，利用这种结构的电感线圈制作的LC谐振器可在空间沿着多个方向上进行无线电能传输，或者同时对多个放置于不同方向的负载进行无线充电。
本发明是通过以下技术方案实现的。
将导线沿着正立方体或长方体的六条棱缠绕若干圈，构成一个非平面结构的三维空心线圈。
本发明将上述三维空心线圈两根引线与调谐电容相连接，即可构成充当能量中转的无线电能多向传输中继端，扩充无线电能传输的覆盖范围。
本发明将上述三维空心线圈两根引线与调谐电容与和逆变电源串联，可构成无线电能多向传输发射端，可为多个不同方向的负载接收端提供电能。 
本发明将上述三维空心线圈两根引线与调谐电容和负载串联，可构成无线电能多向传输负载端，以便接收来自多个不同方向的无线电能。
本发明对小功率应用，可采用漆包铜线密绕的方式。对大功率应用，应采用大线径的铜线绕制，并在每圈导线间预留一定空隙。
本发明提出了一种三维的空心电感线圈，其结构简单、制作方便。易于和商场、工厂、家庭等周围环境中的墙壁拐角、家具拐角等共形。利用该三维线圈与调谐电容连接所构成的谐振器可以在多谐振器的无线电能传输系统中充当发射端谐振器、中继端谐振器或负载接收端谐振器，灵活改变无线电能的传播方向，为位于不同方位的负载进行无线电能传输。
附图说明
图1为本发明沿正方体六条棱缠绕了两匝的三维空心电感线圈的示意图。1为三维空心电感线圈，11为两根引线。 
图2为本发明三维空心电感线圈沿上下左右前后6个方向进行等互感的无线电能 传输示意图。
图3为本发明三维空心电感线圈在水平面上的多向传输特性。其中，1为三维空心电感线圈，2为平面矩形线圈。
图4是图3中的Φ从0°到360°变化时，三维空心电感线圈和平面矩形线圈之间的互电感值。
图5为本发明以三维空心电感线圈作为组件的无线电能多向传输发射端示意图。
图6为本发明以三维空心电感线圈作为组件的无线电能多向传输中继端示意图。
图7为本发明以三维空心电感线圈作为组件的无线电能多向传输负载接收端示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1所示的三维线圈由导线沿着正立方体框架的六条棱缠绕若干圈而成。对小功率应用，该线圈可采用漆包铜线密绕的方式。对大功率应用，该线圈应采用大线径的铜线绕制，并在每圈导线间预留一定空隙。三维线圈引出两根引线11作为与调谐电容、逆变电源或负载相连接的接口。研究表明，若将平面矩形线圈以相同距离如图2所示放置于该三维线圈所处正立方体的上方、下方、左方、右方、前方以及后方六个方向、并与正立方体正对面平行时，平面矩形线圈和该三维线圈的互电感大小一致，这是该三维线圈多向传输的理论依据。
而该三维线圈的多向传输特性并不局限在上述6个方向上。如图3所示，将矩形线圈(视应用场合可以作为负载接收线圈也可以作为源发射线圈)垂直放置在三维线圈所处框架正立方体的xOy水平面处，框架正立方体的中心和坐标原点重合，矩形线圈的中心P与坐标原点O连线OP与矩形测试线圈垂直，当OP和x轴夹角Φ从0°增大至360°,即矩形线圈绕z轴旋转一周时，在-20°～110°以及160°～290°的大角度范围内，互电感变化非常平稳。图4给出了三维空心电感线圈的框架正方体边长20cm、匝数3圈，平面矩形线圈边长16cm、匝数3圈，r＝20cm时的仿真结果。结果表明在 处于(-20°～110°)以及(160°～290°)大角度范围内，上述两个线圈之间的互电感大小取值在0.22μH-0.24μH之间，变化幅度小于10％。
在实际应用中，图5所示的三维线圈通过引线和调谐电容以及逆变电源相串联，构成无线电能多向传输发射端，平面矩形线圈作为负载线圈可放置于上下左右前后等多个方位，以相同的互感与源发射线圈耦合接收电能。图6所示的三维线圈通过引线连接调谐电容，构成无线电能多向传输中继端，可从上下左右前后等多个方向无线接收电能、然后中继传递给上下左右前后等其它多个方向上的负载。图7所示的三维线圈经引线和调谐电容以及负载相串联，构成无线电能多向传输负载接收端，便于接收来自多个方向上的源端发射线圈或中继发射线圈的无线电能。
这种三维的空心电感线圈具有结构简单、制作方便的优点。由于其自身的结构特点，易于和墙壁拐角、家具拐角等结构共形，并作为家庭装修、家具的一部分。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，例如，图3中与上述三维线圈进行电感耦合传递无线电能的平面线圈的形状并不局限于矩形，也可以是圆形、六边形或其他适用形状。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。