一种适用于能量信号四路同传的复合磁耦合机构的制作方法

1.本发明涉及无线电能信号同传技术领域，尤其涉及一种适用于能量信号四路同传的复合磁耦合机构。


背景技术：

2.高集成度的无线设备要求电能传输的同时满足信息交互，比如申请号cn202011327325.2所示的《一种能量信号同传结构及动态无线能量传输系统》方案中，针对能量传输与信号传输，分别采用不同的线圈，并使得各侧的能量线圈与信号线圈相互解耦，从而使得能量传输与信号传输互不影响。还比如申请号cn202010895860.1所示的《基于双侧lcc的全双工wpt能量信号并行传输系统》方案中，能量与信号共用一组线圈，通过添加阻波网络的方式使得能量传输与信号传输互不干扰。
3.为确保信号传输有一定抗风险能力，往往要求无线信号传输具备应急保障功能，即一路信号传输通路出现故障后，信息交互系统能持续工作。为确保能量传输有一定抗风险能力，往往要求无线能量传输具备应急保障功能，即一路能量传输通路出现故障后，仍能持续充电。但目前的技术仅能实现能量和信号两路同传，无法实现能量双路同传以及信号双路同传，以具备能量和信息的应急保障功能。


技术实现要素：

4.本发明提供一种适用于能量信号四路同传的复合磁耦合机构，解决的技术问题在于：如何实现能量双路同传以及信号双路同传(能量信号四路同传)，以具备能量和信息的应急保障功能。
5.为解决以上技术问题，本发明提供一种适用于能量信号四路同传的复合磁耦合机构，包括发射端和接收端；所述发射端包括任意顺序叠置的原边第一路线圈、原边第二路线圈、原边第三路线圈和原边第四路线圈，所述接收端包括任意顺序叠置的副边第一路线圈、副边第二路线圈、副边第三路线圈和副边第四路线圈，所述原边第一路线圈与所述副边第一路线圈组成第一路耦合通道，所述原边第二路线圈与所述副边第二路线圈组成第二路耦合通道，所述原边第三路线圈与所述副边第三路线圈组成第三路耦合通道，所述原边第四路线圈与所述副边第四路线圈组成第四路耦合通道；
6.所述原边第一路线圈、所述副边第一路线圈、所述原边第二路线圈、所述副边第二路线圈采用规格相同的8字形线圈，所述8字形线圈采用8字形绕线方式绕制，所述原边第一路线圈、所述副边第一路线圈摆放位置相同，所述原边第二路线圈、所述副边第二路线圈摆放位置相同，所述原边第一路线圈与所述原边第二路线圈摆放位置相互正交；
7.所述原边第三路线圈与所述副边第三路线圈采用与所述8字形线圈大小匹配的矩形线圈；
8.所述原边第四路线圈与所述副边第四路线圈采用规格相同的双8字形线圈，所述双8字形线圈采用88字形绕线方式绕制，其大小与所述8字形线圈适配。
9.优选的，所述第一路耦合通道、所述第二路耦合通道、所述第三路耦合通道、所述第四路耦合通道均可作为能量传输通道或信号传输通道，当其中一路或两路或三路作为信号传输通道，其余作为能量传输通道；四路传输通道同时或不同时工作，线路之间互不干扰。
10.优选的，将所述双8字形线圈看作由左上矩形线圈、右上矩形线圈、左下矩形线圈、右下矩形线圈组成，则所述双8字形线圈的绕制步骤包括：
11.1)依次绕制所述左上矩形线圈的左边、上边、右边；
12.2)依次绕制所述右上矩形线圈的下边、右边、上边、左边；
13.3)依次绕制所述右下矩形线圈的上边、右边、下边、左边；
14.4)依次绕制所述左下矩形线圈的上边、左边、下边、右边、上边。
15.优选的，将所述8字形线圈看作由左矩形线圈和右矩形线圈组成，则所述8字形线圈的绕制步骤包括：
16.1)依次绕制所述左矩形线圈的左边、上边、右边；
17.2)依次绕制所述右矩形线圈的下边、右边、上边、左边；
18.3)绕制所述左矩形线圈的下边。
19.优选的，所述第一路耦合通道作为第一路能量传输通道，所述第二路耦合通道作为第二路能量传输通道，所述第三路耦合通道作为第一路信号传输通道，所述第四路耦合通道作为第二路信号传输通道。
20.优选的，所述第一路耦合通道作为能量传输通道，所述第二路耦合通道作为第一路信号传输通道，所述第三路耦合通道作为第二路信号传输通道，所述第四路耦合通道作为第三路信号传输通道。
21.优选的，所述第一路耦合通道作为第一路能量传输通道，所述第二路耦合通道作为第二路能量传输通道，所述第三路耦合通道作为第三路能量传输通道，所述第四路耦合通道作为信号传输通道。
22.优选的，所述原边第一路线圈、所述原边第二路线圈、所述原边第三路线圈和所述原边第四路线圈由下至上顺序叠置，所述副边第一路线圈、所述副边第二路线圈、所述副边第三路线圈和所述副边第四路线圈由上至下顺序叠置。
23.优选的，所述原边第一路线圈、所述原边第二路线圈、所述原边第三路线圈和所述原边第四路线圈由上至下顺序叠置，所述副边第一路线圈、所述副边第二路线圈、所述副边第三路线圈和所述副边第四路线圈由下至上顺序叠置。
24.本发明提供的一种适用于能量信号四路同传的复合磁耦合机构，搭建了四路传输通道，通过设计各路收发线圈的结构，使得发射端的发射线圈之间相互解耦，以及接收端的接收线圈之间相互解耦，使得四路通道之间的传输互不干扰，从而实现在能量传输的过程中，一路信号传输通路出现故障后，信息交互系统能持续工作，以及一路能量传输通路出现故障后，能持续充电。本发明：
25.1)将四路磁耦合线圈嵌入到一个工装内，节省了无线电能传输设备的安装面积；
26.2)在耦合机构环节添加了无线信号传输冗余功能，其中一路信号传输通路出现故障时，另一路能正常工作，确保信息交互无间断；
27.3)在耦合机构环节添加了能量传输冗余功能，其中一路能量传输通路出现故障
时，另一路能正常工作，确保充电无间断；
28.4)无线电能、无线信号同传且互不干扰；
29.5)4路通道可同时工作。
附图说明
30.图1是本发明实施例1提供的一种适用于能量信号四路同传的复合磁耦合机构的叠放关系示意图；
31.图2是本发明实施例提供的原边第一路线圈、副边第一路线圈的位置摆放图；
32.图3是本发明实施例提供的原边第二路线圈、副边第二路线圈的位置摆放图；
33.图4是本发明实施例提供的原边第三路线圈、副边第三路线圈的位置摆放图；
34.图5是本发明实施例提供的原边第四路线圈、副边第四路线圈的位置摆放图；
35.图6是本发明实施例提供的第一路发射线圈对第二路发射线圈的磁场干扰图；
36.图7是本发明实施例提供的第一路发射线圈对第三路发射线圈的磁场干扰图；
37.图8是本发明实施例提供的第一路发射线圈对第四路发射线圈的磁场干扰图；
38.图9是本发明实施例提供的第三路发射线圈对第一路发射线圈的磁场干扰图；
39.图10是本发明实施例提供的第三路发射线圈对第二路发射线圈的磁场干扰图；
40.图11是本发明实施例提供的第三路发射线圈对第四路发射线圈的磁场干扰图；
41.图12是本发明实施例提供的第四路发射线圈对第一路发射线圈的磁场干扰图；
42.图13是本发明实施例提供的第四路发射线圈对第三路发射线圈的磁场干扰图。
43.附图标记：原边第一路线圈11、原边第二路线圈12、原边第三路线圈13、原边第四路线圈14、副边第一路线圈21、副边第二路线圈22、副边第三路线圈23、副边第四路线圈24。
具体实施方式
44.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。
45.实施例1
46.本发明实施例提供一种适用于能量信号四路同传的复合磁耦合机构，包括发射端和接收端。如图1所示，发射端包括由下至上顺序叠置的原边第一路线圈11、原边第二路线圈12、原边第三路线圈13和原边第四路线圈14，接收端包括由上至下顺序叠置的副边第一路线圈21、副边第二路线圈22、副边第三路线圈23和副边第四路线圈24。其中，原边第一路线圈11与副边第一路线圈21组成第一路耦合通道，原边第二路线圈12与副边第二路线圈22组成第二路耦合通道，原边第三路线圈13与副边第三路线圈23组成第三路耦合通道，原边第四路线圈14与副边第四路线圈24组成第四路耦合通道。
47.原边第一路线圈11、副边第一路线圈21、原边第二路线圈12、副边第二路线圈22采用规格相同的8字形线圈，8字形线圈采用8字形绕线方式绕制，原边第一路线圈11、副边第一路线圈21摆放位置相同，原边第二路线圈12、副边第二路线圈22摆放位置相同，原边第一路线圈11与原边第二路线圈12摆放位置相互正交。图2所示为原边第一路线圈11、副边第一路线圈21的摆放位置，图3所示为原边第二路线圈12、副边第二路线圈22的摆放位置，可以
看到，两者的摆放位置相互正交(交叉90
°
)，这是为了实现解耦，下文详细介绍解耦是如何实现的。
48.以图2所示摆放位置说明本例8字形线圈的绕制步骤，参考图2的箭头指示，将8字形线圈看作由左矩形线圈和右矩形线圈组成，则8字形线圈的绕制步骤包括：
49.1)依次绕制左矩形线圈的左边、上边、右边；
50.2)依次绕制右矩形线圈的下边、右边、上边、左边；
51.3)绕制左矩形线圈的下边。
52.如图4所示，原边第三路线圈13与副边第三路线圈23采用与8字形线圈大小匹配的矩形线圈。
53.如图5所示，原边第四路线圈14与副边第四路线圈24采用规格相同的双8字形线圈，双8字形线圈采用88字形绕线方式绕制，其大小与8字形线圈适配。
54.参考图5的箭头指示，将双8字形线圈看作由左上矩形线圈、右上矩形线圈、左下矩形线圈、右下矩形线圈组成，则双8字形线圈的绕制步骤包括：
55.1)依次绕制左上矩形线圈的左边、上边、右边；
56.2)依次绕制右上矩形线圈的下边、右边、上边、左边；
57.3)依次绕制右下矩形线圈的上边、右边、下边、左边；
58.4)依次绕制左下矩形线圈的上边、左边、下边、右边、上边。
59.在具体的应用中，第一路耦合通道作为第一路能量传输通道，第二路耦合通道作为第二路能量传输通道，第三路耦合通道作为第一路信号传输通道，第四路耦合通道作为第二路信号传输通道。当其中一路信号传输通路出现故障时，另一路能正常工作，确保信息交互无间断。当其中一路能量传输通路出现故障时，另一路能正常工作，确保充电无间断。
60.还需说明的是，本例四路通道其中二路用作能量传输，另两路用作信息传输，在其他实施方式中，也可三路通道用作能量传输，一路用作信息传输，或者三路通道用作信息传输，一路用作能量传输，根据具体需求而定。而信息传输时发射端的信号线圈可做信号发射线圈也可做信号接收线圈，根据具体应用需求设置。下面以发射端的四个线圈做能量发射和信号发射线圈、接收端的四个线圈做能量接收和信号接收线圈为例进行说明。
61.各路通道之间的传输互不干扰，下面分析其实现原理。
62.向发射端施加交变电流i
p
时，产生一个交变磁场，根据楞次定律，受到总体磁场强度不为0时，闭合线圈(接收线圈)将产生一个感应电动势u，由式(1)得，当谐振角频率ω，发射端电流i
p
固定情况下，该感应电动势与互感m成正比，互感m由两个能量线圈的特性决定，两个能量线圈相对角度固定、中心距离不变的情况下，互感m值仍然不变，即感应电动势不变，可实现任意角度拾取到稳定的能量。
63.u＝jωmi
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
64.首先分析向第一路发射线圈施加交变电流i
p1
，其余7个线圈均会受第一路发射线圈影响，由于每组发射线圈与接收线圈绕法一致，因此只分析发射线圈之间的影响即可以此类推。如图6所示，第一路发射线圈与第二路发射线圈呈交叉90
°
叠加一起，第一路发射线圈与第二路发射线圈均是依8字形状绕制。以第一路发射线圈为例，向第一路发射线圈施加交变电流i
p1
时，左右部分产生一个强度一致、方向相反的交变磁场；受第一路发射线圈的磁场影响，第二路发射线圈上半部分接收到不同方向但强度一致的磁场，综合来看，在第二路
发射线圈上半部分范围内，磁场强度为0。同理，第二路发射线圈下半部分范围内受第一路发射线圈的交变磁场强度为0，二者相加仍然为0，即表现为互感m为0，感应电动势为0，说明第一路发射线圈对第二路发射线圈的干扰为0，同理接收端分析情况类似，第一路发射线圈对第二路接收线圈干扰同样为0。
65.综上，第一路发射线圈对第二路线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。
66.类似的，第一路发射线圈施加交变电流i
p1
时，第三路发射线圈受到的磁场干扰如图7所示，第三路发射线圈范围受到第一路发射线圈产生的左右两部分强度一致、方向相反的磁场干扰，综合磁场强度为0，表现为互感m为0，感应电动势u为0，同理接收端分析情况类似，第一路发射线圈对第三路接收线圈干扰同样为0。
67.综上，第一路发射线圈对第三路线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。
68.如图8所示，向第一路发射线圈施加电流i
p1
后左部分产生方向向下的磁场，右部分产生方向向上的磁场，两部分磁场强度一致。受8字形线圈磁场影响双8形线圈感应产生相应的电流i
p1-1
、i
p1-2
、i
p1-3
、i
p1-4
，且电流大小相等。根据楞次定律，双8形线圈左上部分产生向上的磁场、右上部分产生向下的磁场、左下部分产生向上的磁场、右下部分产生向下的磁场。由于双8形线圈的特殊绕制方式，i
p1-1
与i
p1-4
反向，i
p1-2
与i
p1-3
反向。依绕制方向循迹不难得知，双8形线圈的感应电流合计为0，即8字形线圈对双8形线圈的干扰为0(感应电压为0)。同理接收端分析情况类似，第一路发射线圈对第四路接收线圈干扰同样为0。
69.综上，第一路发射线圈对第四路线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。
70.由于第二路线圈绕制方式与第一路线圈绕制方式一样，两者呈90
°
放置，分析方式类似，此处不再赘述。
71.同样的，第二路线圈加载电流后，对其它线圈无磁场干扰。
72.如图9所示，第三路发射线圈施加交变电流i
p3
时，第一路发射线圈受第二路信号线圈的磁场影响，根据楞次定律，第一路发射线圈左半部分产生一个方向向上的磁场，即产生一个逆时针方向的电流i
p3-1
；同理，第一路发射线圈右半部分产生一个方向向上的磁场，即产生一个逆时针方向的电流i
p3-2
，两部分感应电流大小相等。由于第一路发射线圈是反向绕制，因此顺着第一路发射线圈绕制的方向看，i
p3-1
与i
p3-2
方向相反，即总的感应电动势为0，由此可认为第三路发射线圈对第一路发射线圈的干扰电压为0。同理接收端分析情况类似，第三路发射线圈对第一路接收线圈干扰同样为0。
73.综上，第三路发射线圈对第一路线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。
74.如图10所示，第三路发射线圈施加交变电流i
p3
时，第二路发射线圈受第三路发射线圈的磁场影响，根据楞次定律，第二路发射线圈上半部分产生一个方向向上的磁场，即产生一个逆时针方向的电流i
p3-3
；同理，第二路发射线圈下半部分产生一个方向向上的磁场，即产生一个逆时针方向的电流i
p3-4
，两部分感应电流大小相等。由于第二路发射线圈是反向绕制，因此顺着第二路发射线圈绕制的方向看，i
p3-3
与i
p3-4
方向相反，即总的感应电动势为0，由此可认为第三路发射线圈对第二路发射线圈的干扰电压为0。同理接收端分析情况类似，第三路发射线圈对第二路接收线圈干扰同样为0。
75.综上，第三路发射线圈对第二路线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。
76.如图11所示，向第三路发射线圈施加电流i
p3
后产生方向向下的磁场。受8字形线圈磁场影响双8形线圈感应产生相应的电流i
p3-5
、i
p3-6
、i
p3-7
、i
p3-8
，且电流大小相等。根据楞次
定律，双8形线圈四个部分均产生向上的磁场。由于双8形线圈的特殊绕制方式，i
p3-5
与i
p3-6
反向，i
p3-7
与i
p3-8
反向。依绕制方向循迹不难得知，双8形线圈的感应电流合计为0，即8字形线圈对双8形线圈的干扰为0(感应电压为0)。同理接收端分析情况类似，第三路发射线圈对第四路接收线圈干扰同样为0。
77.综上，第三路发射线圈对第四路线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。
78.向第四路发射线圈施加交变电流i
p4
时，第一路发射线圈受到的磁场干扰如图12所示，第一路发射线圈左半部分范围内受到第四路发射线圈产生的上下两部分强度一致、方向相反的磁场干扰，综合来看，在第一路发射线圈左半部分范围内，磁场强度为0；同理，第一路发射线圈右半部分范围内，磁场强度为0。根据以上分析得知，第一路发射线圈不会受到第四路发射线圈磁场干扰，即两个线圈互相解耦。同理接收端分析情况类似，第四路发射线圈对第一路接收线圈干扰同样为0。
79.综上，第四路发射线圈对第一路线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。
80.第四路发射线圈施加电流后对第二路发射线圈的影响与第四路线圈对第一路线圈的影响类似，两者互相解耦，此处不再赘述。
81.与第四路线圈对第一路线圈的影响类似，第四路发射线圈施加交变电流i
p4
时，第三路发射线圈受到的磁场干扰如图13所示，第三路发射线圈范围内受到第四路发射线圈产生的强度一致、方向相反的磁场干扰，综合来看，第三路发射线圈受到的磁场强度为0，即两个线圈互相解耦。同理接收端分析情况类似，第四路发射线圈对第三路接收线圈干扰同样为0。
82.综上，第四路发射线圈对第三路线圈(发射线圈与接收线圈)无干扰。
83.综上分析可知，本文提出的4路同传复合耦合机构中，四对线圈中的任意一对线圈工作时，不影响其它三对线圈；可具备能量与信号同传的功能；具备能量或信号传输冗余设计，即一路能量或信号传输通道出现故障时，另一路能量或信号传输通道能正常工作不受影响；4路通道可同时工作。
84.实施例2
85.本实施例与实施例1的不同之处在于：
86.所述原边第一路线圈11、原边第二路线圈12、原边第三路线圈13和原边第四路线圈14由上至下顺序叠置，副边第一路线圈21、副边第二路线圈22、副边第三路线圈23和副边第四路线圈24由下至上顺序叠置。
87.在本实施例中，与实施例1同样的，二路通道用作能量传输，其余两路通道用作信息传输，通道之间互不干扰。
88.关于发射端或接收端的叠置方式，共计种叠置方式，实施例1、实施例2仅示出了其中两种，其余叠置方式可通过排列组合得到，本发明不再一一示出。上述实施例仅列出了发射端和接收端的线圈叠置为对称设置的情形，但对于发射端和接收端，线圈的叠置顺序可任意设置。
89.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。