CN102882290A - 新型电磁耦合谐振式无线电能传输*** - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型电磁耦合谐振式无线电能传输***，属于无线电能传输与转换范畴，利用电磁耦合谐振技术可以实现数米范围内能量的高效传输与转换，具有广阔市场前景。该装置采用大功率电源实现自激振荡并向谐振电路供电，谐振电路产生交变磁场并通过高品质因数谐振器实现能量的无线传递，从而使电能可以方便的利用。主要包括有：直流电源(1)，限压保护(2)，选频网络(3)，升压线圈(4)，反馈调节(5)，放大环节(6)，源线圈S(7)，谐振线圈A1(8)，谐振线圈A2(9)，负载线圈D(10)，负载(11)。本发明可为数米范围内的负载高效的提供电功率，具有高效安全可靠、成本与维护费用低、操作简便与智能可控等优点。

Description

新型电磁耦合谐振式无线电能传输***

技术领域

无线电能传输技术是目前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，是集基础研究与应用研究为一体的前沿课题，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科强交叉的新的研究领域，涵盖电磁场、电力***、电力电子技术、控制技术、材料学、物理学、信息技术等诸多技术领域。采用无线供电方式能够有效克服电线连接方式存在的各类缺陷，实现电子电器的自由供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。

本发明——新型电磁耦合谐振式无线电能传输***，基于无线电能传输技术原理，遵从整体效率最大化以及优化设计的理念，设计出高效能量传输***——高品质因数对称式无干扰谐振结构，能够充分发挥电磁耦合谐振***的电气特性，可实现向数米范围内的负载高效可靠的提供电磁能量，可以广泛应用于公共用电场合或各种存在安全隐患的用电环境。

背景技术

无线电能传输技术大致可分为三种：第一种为感应耦合式电能传输，它利用松耦合变压器原理进行传能，发射端与接收端一般存在降低回路磁阻的铁心装置。第二种为电磁耦合谐振式电能传输，通过高品质因数的谐振器上电感与分布式电容发生谐振传输能量。第三种为电磁辐射式电能传输，在该技术中电能被转换为微波形式，传输距离超过数千米，可实现电能的远程传送。其中电磁耦合谐振技术利用非辐射电磁场近场区域完成电能传输，一方面较之电磁感应式传能，在传输距离上有了很大的扩展；另一方面相比电磁辐射式传能，近场区域能量具有非辐射的特点，该技术有较好的安全性，因此目前得到很大的关注和研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在整体效率最大化以及优化设计的理念引导下，对电磁耦合谐振式无线电能传输***进行整体设计，实现电能的高效可靠且远距离的无线传输。

本发明所采用的技术方案是：新型电磁耦合谐振式无线电能传输***，包括有直流电源(1)通过限压保护(2)及选频网络(3)后加载到升压线圈(4)上，反馈调节(5)控制反馈量的大小并通过放大环节(6)输入到选频网络(3)，源线圈S(7)从升压线圈(4)上获得能量后，通过磁场作用依次经过谐振线圈A1(8)、谐振线圈A2(9)、负载线圈D(10)后，向负载(11)提供能量。

所述的选频网络(3)由粗调选频和微调选频两部分构成。其中粗调选频部分为一组单端相联的固定容值的空气电容，微调选频部分为一空气可变电容。将二者串联后通过档位选择***容值可最终决定***的工作频率。

所述的升压线圈(4)通过具有一定横截面积的低损耗利兹线按照选定的匝数绕制而成，包括初级低压侧与次级高压侧两部分。初级低压侧采用匝数较少且横截面及较大的利兹线绕制，而次级高压侧采用匝数较多且横截面及较小的利兹线绕制，从而可以通过电磁感应的原理将低压大电流转功率转换为高压小电流功率。

所述的谐振线圈A1(8)由低损耗紫铜管绕制成螺旋结构并与源线圈S(7)同轴向放置，螺旋结构的匝数、半径根据具体的工作频率确定，螺旋结构中匝间距保留3-5cm间距，负责感应位于源线圈S(7)上的高频能量并建立无功近场。

所述的谐振线圈A2(9)由低损耗紫铜管绕制成螺旋结构并与谐振线圈A1(8)同轴向对称放置，螺旋结构的匝数、半径根据具体的工作频率确定，螺旋结构中匝间距保留3-5cm间距，表面经过镀银处理，负责从谐振线圈A1(8)建立的无功近场中吸取能量。

所述的负载线圈D(10)由镀银低损耗多匝并绕特氟龙线绕制而成，每匝之间保持相互绝缘并与谐振线圈A2(9)同轴同心放置，输出两端连接有负载(11)，其匝数决定于负载线圈工作的空间位置。

本发明的电磁耦合谐振式无线电能传输***，通过源线圈S(7)加载高频电磁功率并以感应的方式传送给谐振线圈A1(8)，能量以电磁耦合谐振的方式传送给谐振线圈A2(9)，然后再通过感应的方式传送给负载线圈D(10)，从而使负载(11)以无线的方式获得电能，实现数米范围内高效可靠稳定的电力供应。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是选频网络(3)的结构图；

图3是升压线圈(4)的结构图；

图4是源线圈S(7)、谐振线圈A1(6)、谐振线圈A2(7)与负载线圈D(10)的结构图；

图5是新型电磁耦合谐振式无线电能传输***的工作原理图。

其中：

(1)：直流电源；(2)：限压保护；(3)：选频网络；(4)：升压线圈；(5)：反馈调节；(6)：放大环节；(7)：源线圈S；(8)：谐振线圈A1；(9)：谐振线圈A2；(10)：负载线圈D；(11)：负载。C₁：粗调固定电容；L_s：源线圈电感；M_S1：反馈电容；M₁₂：交流旁路电容；M_2D：反馈电容；R_L：负载电阻；V_S：等效电压

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明的新型电磁耦合谐振式无线电能传输***做出详细说明。

如图1所示，本发明的电磁耦合谐振式无线电能传输***，包括有：直流电源(1)，限压保护(2)，选频网络(3)，升压线圈(4)，反馈调节(5)，放大环节(6)，源线圈S(7)，谐振线圈A1(8)，谐振线圈A2(9)，负载线圈D(10)，负载(11)。

如图2所示，所述的选频网络(3)由粗调选频和微调选频两部分构成。当放大环节(6)、源线圈S(7)与反馈调节(5)构成的自激振荡***成功实现振荡功率输出时，先变换粗调固定电容C₁的档位，然后调节微调可变电容C₂的容值，使***刚工作频率最终达到预定值。

如图3所示，所述的升压线圈(4)通过具有一定横截面积的低损耗利兹线绕制而成，包括初级低压侧与次级高压侧两部分。在放大环节(6)正常工作并成功建立起高频振荡工作模式并调节至预定工作频率时，高频电磁功率将加载到升压线圈(4)的初级侧。根据电磁感应原理，初级低压侧的低压大电流转功率将转换为高压小电流功率并加载到次级高压侧。

如图4所示，所述的源线圈S(7)、谐振线圈A1(8)、谐振线圈A2(9)与负载线圈D(10)同轴放置。首先源线圈S(7)吸收的电磁功率通过电磁感应加载至谐振线圈A1(8)，然后以电磁耦合谐振的方式加载至谐振线圈A2(9)，随后再以电磁感应的方式加载至负载线圈D(10)，最终实现向负载(11)供电。

如图5所示，所述的新型电磁耦合谐振式无线电能传输***首先将高频电磁能量加载到源线圈S(7)上，能量以感应的形式传递给谐振线圈A1(8)并建立无功近场，谐振线圈A2(9)从该场中获得电磁能量并再一次以感应的方式传递给负载线圈D(10)，从而使负载(11)获得电能供应。整个过程中并没有利用电磁辐射进行电能传输，因此可以保证生物安全性。

本发明的新型电磁耦合谐振式无线电能传输***，在整体效率最大化以及优化设计的理念引导下，对电磁耦合谐振式无线电能传输***进行整体设计，实现电能的高效可靠且远距离的无线传输。在正常工作情况下，能够实现数米范围内的电能无线供给，可以广泛应用于公共用电场合或各种存在安全隐患的用电环境，具有高效安全可靠、成本与维护费用低、操作简便与智能可控等优点。

Claims (5)

1.新型电磁耦合谐振式无线电能传输***，其特征在于包括有直流电源(1)通过限压保护(2)及选频网络(3)后加载到升压线圈(4)上，反馈调节(5)控制反馈量的大小并通过放大环节(6)输入到选频网络(3)，源线圈S(7)从升压线圈(4)上获得能量后，通过磁场作用依次经过谐振线圈A1(8)、谐振线圈A2(9)、负载线圈D(10)后，向负载(11)提供能量。

2.根据权利要求1所述的新型电磁耦合谐振式无线电能传输***，其特征还在于，所述的升压线圈(4)通过具有一定横截面积的低损耗利兹线按照选定的匝数绕制而成，包括初级低压侧与次级高压侧两部分；初级低压侧采用匝数较少且横截面及较大的利兹线绕制，而次级高压侧采用匝数较多且横截面及较小的利兹线绕制。

3.根据权利要求1所述的新型电磁耦合谐振式无线电能传输***，其特征还在于，所述的谐振线圈A1(8)由低损耗紫铜管绕制成螺旋结构并与源线圈S(7)同轴向放置，螺旋结构的匝数、半径根据具体的工作频率确定，螺旋结构中匝间距保留3-5cm间距。

4.根据权利要求1所述的新型电磁耦合谐振式无线电能传输***，其特征还在于，所述的谐振线圈A2(9)由低损耗紫铜管绕制成螺旋结构并与谐振线圈A1(8)同轴向对称放置，螺旋结构中匝间距保留3-5cm间距，表面经过镀银处理。

5.根据权利要求1所述的新型电磁耦合谐振式无线电能传输***，其特征还在于，所述的负载线圈D(10)由镀银低损耗多匝并绕特氟龙线绕制而成，每匝之间保持相互绝缘并与谐振线圈A2(9)同轴同心放置，输出两端连接有负载(11)。

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