CN103915907B - 主从自耦合磁共振无线电能传输装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种主从自耦合磁共振无线电能传输装置及其操作方法，包括：输入电路，发射线圈串联谐振电容，主从自耦合磁共振线圈，接收线圈串联谐振电容和整形和负载电路。输入电路含输入交流电源、交流电源阻抗、高频高功率谐振发射电源，主从自耦合磁共振线圈有发射线圈和接收线圈。主从自耦合磁共振线圈还包括：主从自耦合线圈单个线圈开环结构，主从自耦合线圈单个线圈闭环结构，主从自耦合线圈多线圈开环结构，主从自耦合线圈多线圈闭环结构。本发明有效的解决了磁共振无线电能传输的大功率、高频率及空间紧凑的问题。

Description

主从自耦合磁共振无线电能传输装置及其操作方法

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，特别涉及主从自耦合磁共振无线电能传输装置及其操作方法。

背景技术

电能像无线电波一样无线传播一直是人类的梦想，100多年来很多科学家和工程师一直执着地开展着这项研究和应用。电磁共振式无线电能传输***首先由美国麻省理工学院的研究人员提出，与Qi标准所使用的电磁感应式传输不同的是电磁共振式传输不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的电磁波场。强度和地球磁场强度相似，不会对人体和周围设备产生不良影响，并且在中等距离内有极高的传输效率，其有效传输距离为几十厘米到几米。研发一种基于电磁共振原理的无线电能传输***，该***具有比Qi标准更远的传输距离、更低的电磁辐射和更高的效率。

目前市场上应用的无线充电装置都是电磁感应式充电器，其充电原理是通过短距离高耦合系数来提高电能传输效率。而基于电磁共振原理的无线电能传输***在中等距离上为低耦合系数下高效无线电能传输提供了全新的思路，若该技术能成功应用于智能无线终端和电动汽车充电，则可带来显著的无线电能传输效率提升，使得移动充电更加方便、灵活。

2007年美国麻省理工学院的研究人员提出了电磁共振式无线电能传输***，该***中电磁共振线圈共有四个，分别是：电源线圈、发射磁共振线圈、接收磁共振线圈和负载接收线圈。这种多线圈结构使得电能传输效率还有提高的空间，并且线圈有较大空间占有，不利于充电装置紧凑、高效和中远距离传输。

因此，设计一款在中等距离上有较高的传输效率的磁共振无线电能传输装置，能有极大的市场前景。本发明旨在提出一个具有空间紧凑、高效率的磁共振无线电能传输装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主从自耦合磁共振无线电能传输装置及其操作方法。

本发明提出的主从自耦合磁共振无线电能传输装置，包括：输入电路、发射线圈串联谐振电容、主从自耦合磁共振线圈、接收线圈串联谐振电容及整形和负载电路，输入电路包括输入交流电源、交流电源阻抗、高频高功率谐振发射电源，主从自耦合磁共振线圈包括主从自耦合发射线圈和主从自耦合接收线圈，其中：

输入电路与发射线圈串联谐振电容一端相连接，发射线圈串联谐振电容另一端与主从自耦合磁共振线圈一端相连接，主从自耦合磁共振线圈另一端与接收线圈串联谐振电容相连，交流电源与交流电源阻抗一端相连接，交流电源阻抗另一端与高频高功率谐振发射电源一端相连接，接收线圈串联谐振电容另一端与整形和负载电路相连接。

本发明中，所述主从自耦合发射线圈包含有辅助从发射磁耦合线圈和主共振发射线圈，且两者共用一个线圈；所述主从自耦合接收线圈包含有辅助从接收磁耦合线圈和主共振接收线圈，且两者共用一个线圈。

本发明中，所述主从自耦合发射线圈与主从自耦合接收线圈在空间有一定的距离。

本发明中，所述主共振发射线圈和主共振接收线圈的数量相等。

本发明中，当主共振发射线圈处于开环状态时，主共振接收线圈处于开环状态；当主共振发射线圈处于闭环状态时，主共振接收线圈处于闭环状态。

本发明中，当辅助从发射磁耦合线圈为多个时，每个辅助从发射磁耦合线圈连接一个发射线圈串联谐振电容，所述多个发射线圈串联谐振电容与各自的辅助从发射磁耦合线圈串联；相应的，辅助从接收磁耦合线圈为多个，每个辅助从接收磁耦合线圈连接一个接收线圈串联谐振电容，所述多个接收线圈串联谐振电容与各自的辅助从接收磁耦合线圈串联。

本发明提出的主从自耦合磁共振无线电能传输装置的操作方法，具体步骤如下：

步骤一：交流电源并有一定的交流电源阻抗共同构成交流输入电源，输入交流电；

步骤二：输入交流电经高频高功率谐振调谐电源转化后输出高频高功率且频率可调的交流电；

步骤三：高频高功率谐振调谐电源输入到发射线圈串联谐振电容上，交流发射谐振电容与发射辅助线圈串联并工作在谐振频率带；

步骤四：发射辅助线圈与发射共振线圈为同一个线圈，但匝数不同，该线圈发射高频磁共振电磁波到接收线圈；

步骤五：接收辅助线圈与接收共振线圈为一个线圈，但匝数不同，该线圈接收发射线圈发射的高频磁共振电磁波；

步骤六：接收辅助线圈与接收线圈谐振电容串联连接并工作在谐振频率带；

步骤七：接收线圈谐振电容输出与整形和负载电路相连接，输出电能。

本发明的有益效果是：

1．通过高频磁共振线圈能无线传输较高功率电能；

2．把发射辅助线圈与共振发射线圈、共振接收线圈和接收辅助线圈绕制成同一个线圈，节省了线圈数量，紧凑空间结构，同时增加耦合能力，提高了无线电能传输效率；

3．对发射辅助线圈和接收辅助线圈串联一个谐振电容，以减少输入与输出主抗，增加电能传输功率和效率；

4．无需磁芯，降低了重量，节省了成本；

5．可以提高传输距离，为中等距离无线电能传输提高便利；

6．无线电能传输装置使得无线充电方便、轻松。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。

图1是本发明主从自耦合磁共振无线电能传输装置结构示意图。

图2是本发明主从自耦合磁共振无线电能传输装置单个主从自耦合线圈开环结构示意图。

图3是本发明主从自耦合磁共振无线电能传输装置单个主从自耦合线圈闭环结构示意图。

图4是本发明主从自耦合磁共振无线电能传输装置主从自耦合线圈多线圈开环结构示意图。

图5是本发明主从自耦合磁共振无线电能传输装置主从自耦合线圈多线圈闭环结构示意图。

图中标号：1为输入电路，2为交流电源，3为交流电源阻抗，4为高频高功率谐振发射电源，5为第一发射线圈串联谐振电容，6为主从自耦合共振线圈，7为主从自耦合发射线圈，8为主从自耦合接收线圈，9为第一接收线圈串联谐振电容，10为整形和负载电路，11为第一辅助从发射磁耦合线圈，12为主共振发射线圈，13为第一辅助从接收磁耦合线圈，14为主共振接收线圈，15为第二辅助从发射磁耦合线圈，16为第二发射线圈串联谐振电容，17为第二辅助从接收磁耦合线圈，18为第二接收线圈串联谐振电容。

具体实施方式

为了使本发明技术实现的措施、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

图1是本发明主从自耦合磁共振无线电能传输装置的结构示意图。本发明提供了一种主从自耦合磁共振无线电能传输装置，包括输入电路1、发射线圈串联谐振电容5、主从自耦合共振线圈6、接收线圈串联谐振电容9、整形和负载电路10。输入电路1还包括通用交流电源2、交流电源阻抗3、高频高功率谐振发射电源4。通用交流电源2与交流电源阻抗3相连接，交流电源阻抗3与高频高功率谐振发射电源4相连接；高频高功率谐振发射电源4与发射线圈串联谐振电容5相连接；主从自耦合发射线圈7与主从自耦合接收线圈8在空间内有一定距离；主从自耦合接收线圈8与接收线圈串联谐振电容9相连接；接收线圈串联谐振电容9与整形和负载电路10相连接。

图2是本发明主从自耦合磁共振无线电能传输装置单个主从自耦合线圈开环结构示意图。主从自耦合共振线圈6包括：第一辅助从发射磁耦合线圈11与主共振发射线圈12，第一辅助从接收磁耦合线圈13与主共振接收线圈14。主共振发射线圈12处于开环结构，主共振接收线圈14处于开环结构。第一辅助从发射磁耦合线圈11与第一发射线圈串联谐振电容5串联连接，第一辅助从接收磁耦合线圈13与第一接收线圈串联谐振电容9串联连接。

图3是本发明主从自耦合磁共振无线电能传输装置单个主从自耦合线圈闭环结构示意图。主从自耦合线圈6包括：第一辅助从发射磁耦合线圈11与主共振发射线圈12，第一辅助从接收磁耦合线圈13与主共振接收线圈14。主共振发射线圈12处于闭环结构，主共振接收线圈14处于闭环结构。第一辅助从发射磁耦合线圈11与第一发射线圈串联谐振电容5串联连接，第一辅助从接收磁耦合线圈13与第一接收线圈串联谐振电容9串联连接。

图4是本发明主从自耦合磁共振无线电能传输装置主从自耦合线圈多线圈开环结构示意图。主从自耦合线圈6包括：第一辅助从发射磁耦合线圈11、第二辅助从发射磁耦合线圈15和主共振发射线圈12，第一辅助从接收磁耦合线圈13、第二辅助从接收磁耦合线圈17和主共振接收线圈14。主共振发射线圈12处于开环结构，主共振接收线圈14处于开环结构。第一辅助从发射磁耦合线圈11与第一发射线圈串联谐振电容5串联连接，第一辅助从接收磁耦合线圈13与第一接收线圈串联谐振电容9串联连接，第二辅助从发射磁耦合线圈15与第二发射线圈串联谐振电容16串联连接，第二辅助从接收磁耦合线圈17与第二接收线圈串联谐振电容18串联连接。

图5是本发明主从自耦合磁共振无线电能传输装置主从自耦合线圈多线圈闭环结构示意图。主从自耦合线圈6包括：第一辅助从发射磁耦合线圈11、第二辅助从发射磁耦合线圈15和主共振发射线圈12，第一辅助从接收磁耦合线圈13、第二辅助从发射磁耦合线圈17和主共振接收线圈14。主共振发射线圈12处于闭环结构，主共振接收线圈14处于闭环结构。第一辅助从发射磁耦合线圈11与第一发射线圈串联谐振电容5串联连接，第一辅助从接收磁耦合线圈13与第一接收线圈串联谐振电容9串联连接，第二辅助从发射磁耦合线圈15与第二发射线圈串联谐振电容16串联连接，第二辅助从接收磁耦合线圈17与第二接收线圈串联谐振电容18串联连接。

本发明工作时，首先，通用交流电源2及其内交流电源阻抗3经高频高功率谐振发射电源4调谐后输出高频交流电源。其次，输出的高频交流电源输入到发射线圈串联谐振电容5，第一发射线圈串联谐振电容5输出高频谐振电能到主从自耦合共振线圈6，主从自耦合共振线圈6通过辅助从发射磁耦合线圈、主共振发射线圈、辅助接收磁耦合线圈、主共振接收线圈传输能量。主从自耦合共振线圈6输出电能到接收线圈串联谐振电容9，最后第一接收线圈串联谐振电容9传递电能到整形和负载电路10上。

本发明的磁耦合线圈结构是主从自耦合线圈结构，辅助从线圈和主共振线圈为同一个线圈，设计独特、巧妙，结构简单。

本发明磁耦合线圈结构是主从自耦合线圈结构也可以由多个发射线圈和多个接收线圈结构组成，可以实现多种谐振频率和增加无线电能传输功率。

以上说明描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明了本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种主从自耦合磁共振无线电能传输装置，包括：输入电路、发射线圈串联谐振电容、主从自耦合磁共振线圈、接收线圈串联谐振电容及整形和负载电路，输入电路包括输入交流电源、交流电源阻抗、高频高功率谐振发射电源，主从自耦合磁共振线圈包括主从自耦合发射线圈和主从自耦合接收线圈，其特征在于：

交流电源与交流电源阻抗一端相连接，交流电源阻抗另一端与高频高功率谐振发射电源一端相连接；

输入电路的高频高功率谐振发射电源与发射线圈串联谐振电容一端相连接，发射线圈串联谐振电容另一端与主从自耦合发射线圈一端相连接，主从自耦合发射线圈另一端与高频高功率谐振发射电源相连接，构成回路；主从自耦合接收线圈一端与接收线圈串联谐振电容一端相连接，接收线圈串联谐振电容另一端与整形和负载电路相连接，整形和负载电路与主从自耦合接收线圈相连接，构成回路；所述主从自耦合发射线圈和主从自耦合接收线圈相连接；

所述主从自耦合发射线圈包含有辅助从发射磁耦合线圈和主共振发射线圈，且两者共用一个线圈；所述主从自耦合接收线圈包含有辅助从接收磁耦合线圈和主共振接收线圈，且两者共用一个线圈；

辅助从发射磁耦合线圈连接发射线圈串联谐振电容，发射线圈串联谐振电容与辅助从发射磁耦合线圈串联；相应的，辅助从接收磁耦合线圈连接接收线圈串联谐振电容，接收线圈串联谐振电容与各自的辅助从接收磁耦合线圈串联。

2.根据权利要求1所述的主从自耦合磁共振无线电能传输装置，其特征在于所述主从自耦合发射线圈与主从自耦合接收线圈在空间有一定的距离。

3.根据权利要求1所述的主从自耦合磁共振无线电能传输装置，其特征在于所述辅助从发射磁耦合线圈与主共振发射线圈处于自耦合线圈结构，辅助从接收磁耦合线圈与主共振接收线圈处于自耦合线圈结构。

4.根据权利要求1所述的主从自耦合磁共振无线电能传输装置，其特征在于当主共振发射线圈处于开环状态时，主共振接收线圈处于开环状态；当主共振发射线圈处于闭环状态时，主共振接收线圈处于闭环状态。

5.根据权利要求1所述的主从自耦合磁共振无线电能传输装置，其特征在于当辅助从发射磁耦合线圈为多个时，每个辅助从发射磁耦合线圈连接一个发射线圈串联谐振电容，多个所述发射线圈串联谐振电容与各自的辅助从发射磁耦合线圈串联；相应的，辅助从接收磁耦合线圈为多个，每个辅助从接收磁耦合线圈连接一个接收线圈串联谐振电容，多个所述接收线圈串联谐振电容与各自的辅助从接收磁耦合线圈串联。

6.一种如权利要求1所述的主从自耦合磁共振无线电能传输装置的操作方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：交流电源并有一定的交流电源阻抗共同构成交流输入电源，输入交流电；

步骤二：输入交流电经高频高功率谐振发射电源转化后输出高频高功率且频率可调的交流电；

步骤三：高频高功率谐振发射电源输入到发射线圈串联谐振电容上，发射线圈串联谐振电容与辅助从发射磁耦合线圈串联并工作在谐振频率带；

步骤四：辅助从发射磁耦合线圈与主共振发射线圈同为一个线圈，但匝数不同，该线圈发射高频磁共振电磁波到主从自耦合接收线圈；

步骤五：辅助从接收磁耦合线圈与主共振接收线圈同为一个线圈，但匝数不同，该线圈接收主从自耦合发射线圈发射的高频磁共振电磁波；

步骤六：辅助从接收磁耦合线圈与接收线圈串联谐振电容串联连接并工作在谐振频率带；

步骤七：接收线圈串联谐振电容输出与整形和负载电路相连接，输出电能。