本发明属于无线电能传输技术领域，尤其是涉及一种用于旋转设备无线电能传输的交叉绕线式耦合装置。
背景技术：
无线电能传输技术由于摆脱了传统有线电力传输对导线等电导体的依赖，避免了传统的导线直接接触供电方式带来各种问题，如摩擦、老化、接触电阻、火花等问题，满足了特殊用电场合的实际需要，是电能传输的一种全新形式，具有非接触、安全可靠的特点，适用于一些特殊背景应用的场合。
旋转设备无法直接使用电缆方式进行电能传输，因为其旋转工作时电缆会发生缠绕，进而破坏供电电缆，导致供电中断。目前旋转设备主要依靠导电滑环进行电能传输，而滑环采用电刷接触方式供电，因此长时间工作，接触表面磨损严重，接触电阻变大，产生局部过热现象，从而导致接触不良或接触脱离，极大降低了旋转设备供电的可靠性，减少滑环的使用寿命，严重可能导致重大事故发生，而且更换滑环，需消耗较大的成本。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于旋转设备无线电能传输的交叉绕线式耦合装置，安全可靠，可以在360°旋转范围内实现电能稳定的无线传输。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于旋转设备无线电能传输的交叉绕线式耦合装置，包括供电磁芯和供电线圈，所述的供电磁芯均为方条形磁芯，所述的供电磁芯包括多个原边磁芯和多个副边磁芯，多个所述的原边磁芯和多个所述的副边磁芯均是按照圆周阵列围成的骨架型磁芯结构，骨架型磁芯结构的每处的原边磁芯和副边磁芯位置均相对，所述的供电线圈包括原边线圈和副边线圈，所述的原边线圈和副边线圈同轴嵌套，所述的原边线圈和副边线圈均为一根导线采用交叉绕线方式绕制在各自磁芯上成型，所述的原边线圈和副边线圈之间存在气隙距离；
多个所述原边磁芯围成的骨架型磁芯结构与固定端连接，多个所述副边磁芯围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，形成固定供电设备为旋转设备供电模式；
多个所述原边磁芯围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，多个所述副边磁芯围成的骨架型磁芯结构与固定端连接，形成旋转供电设备为固定设备供电模式。
进一步的，多个所述原边磁芯和多个所述副边磁芯及相应线圈均通过一磁芯骨架支撑。
进一步的，所述磁芯骨架为中空圆柱状，且在中空圆柱的外表面设有供电磁芯嵌入槽和供电线圈绕制槽。
进一步的，所述原边线圈和副边线圈之间的气隙距离为0.1mm-1m。
进一步的，所述原边磁芯的圆周阵列的数目为n1，所述副边磁芯的圆周阵列的数目为n2，且n1≥3，n2≥3。
相对于现有技术，本发明所述的一种用于旋转设备无线电能传输的交叉绕线式耦合装置具有以下优势：
本发明所述的一种用于旋转设备无线电能传输的交叉绕线式耦合装置，此种装置避免了传统滑环供电方式所存在的接触磨损严重，可靠性差，成本高等问题，具有非接触，安全可靠的特点，具有更加广泛的应用前景，此种耦合装置，原副边可交换使用，即原边可作为副边使用，副边可作为原边使用，适用于风力发电机、卫星、雷达、石油钻井、直升机旋翼等多个用于旋转设备无线电能传输的场合。而且所设计的耦合装置，采用骨架型磁芯结构，根据系统需求选择所需磁芯的数量及尺寸，大大提高了装置的灵活性，减轻耦合装置的重量，降低了成本。同时供电线圈采用交叉绕线方式，线圈采用嵌套形式，具有较高的耦合系数，相较于平面相对式线圈形式，具有较小的尺寸，可以保证旋转设备在旋转过程中实现电能传输的稳定性好。
本发明由于采用交叉绕线方式，相对于螺线管绕制方式线圈，其大大降低了邻近效应所带来的影响，同时降低了线圈间的匝间电容，可以保证交叉绕制线圈具有较高的品质因数q值，从而降低线圈损耗，提高系统效率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种用于旋转设备无线电能传输的骨架式耦合装置实现固定供电设备为旋转设备供电模式的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种用于旋转设备无线电能传输的骨架式耦合装置实现旋转供电设备为固定设备供电模式的结构示意图；
图3为感应式电路图；
图4为串-串谐振拓扑(s-s型)图；
图5为串-并谐振拓扑(s-p型)图；
图6为并-串谐振拓扑(p-s型)图；
图7为并-并谐振拓扑(p-p型)图；
图8为lcl-串谐振拓扑(lcl-s型)图；
图9为lcl-并谐振拓扑(lcl-p型)图；
图10为串-lcl谐振拓扑(s-lcl型)图；
图11为并-lcl谐振拓扑(p-lcl型)图；
图12为lcc-串谐振拓扑(lcc-s型)图；
图13为lcc-并谐振拓扑(lcc-p型)图；
图14为串-lcc谐振拓扑(s-lcc型)图；
图15为并-lcl谐振拓扑(p-lcc型)图；
图16为lcl-lcl谐振拓扑(lcl-lcl型)图；
图17为lcc-lcc谐振拓扑(lcc-lcc型)图；
图18为单原边谐振型电路图；
图19为单副边谐振型电路图；
图20为电路拓扑结构与耦合装置推导关系图。
附图标记说明：
1-原边磁芯，2-副边磁芯，3-原边线圈，4-副边线圈。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种用于旋转设备无线电能传输的交叉绕线式耦合装置，包括供电磁芯和供电线圈，所述的供电磁芯均为方条形磁芯，所述的供电磁芯包括多个原边磁芯1和多个副边磁芯2，多个所述的原边磁芯1和多个所述的副边磁芯2均是按照圆周阵列围成的骨架型磁芯结构，骨架型磁芯结构的每处的原边磁芯1和副边磁芯2位置均相对，所述的供电线圈包括原边线圈3和副边线圈4，所述的原边线圈3和副边线圈4同轴嵌套，所述的原边线圈3和副边线圈4均为一根导线采用交叉绕线方式绕制在各自磁芯上成型。
多个所述原边磁芯1围成的骨架型磁芯结构设置在多个所述副边磁芯2围成的骨架型磁芯结构外部，多个所述原边磁芯1围成的骨架型磁芯结构与固定端连接，多个所述副边磁芯2围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，形成固定供电设备为旋转设备供电模式，例如本发明可以用于风机变桨系统的无线供电，可以替代原有滑环，经由耦合装置，将电能以非接触的方式送给风机的变桨系统。此时耦合装置原边线圈接逆变源输出，作为能量供给端，副边线圈接风机变桨系统，作为能量副边。多个原边磁芯1和多个副边磁芯2及相应线圈均通过一磁芯骨架定位，且内部的磁芯骨架与旋转端(例如风机主轴)连接，外部的磁芯骨架与固定端(例如底座或外壳)连接。
如图2所示，多个所述原边磁芯1围成的骨架型磁芯结构设置在多个所述副边磁芯2围成的骨架型磁芯结构内部，多个所述原边磁芯1围成的骨架型磁芯结构与旋转端连接，多个所述副边磁芯2围成的骨架型磁芯结构与固定端连接，形成旋转供电设备为固定设备供电模式，例如应用于卫星等空间飞行器。考虑到太阳能电池帆板对空间飞行器主体蓄电池进行供电时，太阳能电池帆板和空间飞行器主体存在相对转动，因此可以采用本发明所设计耦合装置。其中太阳能电池帆板为电能发射端，接耦合装置原边线圈3，内侧线圈作为原边线圈3，可以在空间进行360度旋转。然后通过耦合装置将电能传输到副边线圈4，外部线圈作为副边线圈4，副边线圈4与空间飞行器主体蓄电池相连，从而实现电能的供给，此模式下的多个原边磁芯1和多个副边磁芯2及相应线圈均通过一磁芯骨架定位，且内部的磁芯骨架与旋转端(例如太阳能电池帆板)连接，外部的磁芯骨架与固定端(例如空间飞行器)连接。太阳能电池帆板和空间飞行器主体存在相对转动。
磁芯骨架为中空圆柱状，且在中空圆柱的外表面设有供电磁芯嵌入槽和供电线圈绕制槽。
原边线圈3和副边线圈4之间的气隙距离为0.1mm-1m，两个线圈之间的距离称为气隙距离，可根据实际需求进行调整，气隙距离越小，耦合系数越大，具体可根据需求选定。
原边磁芯1的圆周阵列的数目为n1，所述副边磁芯2的圆周阵列的数目为n2，且n1≥3，n2≥3。如图1和图2所示，原边磁芯1和副边磁芯2各以9块分别围成骨架型磁芯结构。也可以其他数量以及磁芯的尺寸，具体根据需求而定。
本发明由于采用交叉绕线方式，相对于螺线管绕制方式线圈，其大大降低了邻近效应所带来的影响，同时降低了线圈间的匝间电容，可以保证交叉绕制线圈具有较高的品质因数q值，从而降低线圈损耗，提高系统效率。
本发明工作过程可大体描述如下：首先给原边线圈3通电，通电后原边线圈3产生的磁场环路通过原边磁芯1和副边磁芯2而将原边线圈3包裹在内，此时若原边线圈3的电流发生变化，就可以在副边线圈4中产生感应电压，从而实现了将能量、信号等耦合到副边线圈4。
本发明所设计的耦合装置不仅适用于感应式无线供电，还可适用于任何一种磁耦合谐振式无线供电，并且适用于任何一种谐振电路拓扑，比如说串-串谐振拓扑(s-s型)，串-并谐振拓扑(s-p型)，并-串谐振拓扑(p-s型)，并-并谐振拓扑(p-p型)，lcl-串谐振拓扑(lcl-s型)，lcl-并谐振拓扑(lcl-p型)，串-lcl谐振拓扑(s-lcl型)，并-lcl谐振拓扑(p-lcl型)，lcc-串谐振拓扑(lcc-s型)，lcc-并谐振拓扑(lcc-p型)，串-lcc谐振拓扑(s-lcc型)，并-lcl谐振拓扑(p-lcc型),lcl-lcl谐振拓扑(lcl-lcl型)，lcc-lcc谐振拓扑(lcc-lcc型)，同样本发明所设计的耦合装置还适用于单边谐振的拓扑结构，具体电路拓扑如图3-图19所示。
上述电路拓扑中，us为系统等效逆变源；rs为逆变源等效内阻；r1，r2，r3，r4分别为对应拓扑中电感的内阻值，rl为系统负载；c0，c1，c2，c3分别为对应的谐振补偿电容器。
本发明所设计耦合装置满足互感计算模型
通常利用耦合装置的耦合系数k和原副边线圈的品质因数q1和q2作为参数变量，来对无线供电系统的输出功率、效率进行优化分析。系统效率的变化规律一般为：线圈的品质因数q1，q2越高，k越大，效率越高。系统的效率或者输出功率公式可通过拓扑推导得到，然后可根据理论分析结果，对耦合装置进行优化设计，具体的关系框图如图20所示。其中原、副边线圈的品质因数分别记作为：
相关参数为：
耦合装置参数变化范围：
此种耦合装置的气隙距离变化范围为：0.1mm-1m；
耦合系数k变化范围：0.001-0.99；
可适用系统工作频率范围：50hz-20mhz；
线圈自感l1，l2变化范围:1μh-5mh。
适用负载范围：0.1ω-1000ω。
品质因数q参数范围：1-50000。
此耦合装置适配性高，应用广泛。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。