CN103915916A - 基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁共振无线电能传输装置，尤其涉及一种基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置。包括输入电源，具有一输出端，高频谐振电源，具有一输入端和一输出端；高频谐振整流电路；与现有技术相比，本发明所述电源线圈与所述电磁共振发射线圈之间相互缠绕构成一个平面结构线圈；所述电磁共振接收线圈和所述负载线圈之间相互缠绕构成一个平面结构线圈，减少了空间占有率，降低共振频率，提高了能量传输效率。

Description

基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置

技术领域

本发明涉及一种磁共振无线电能传输装置，尤其涉及一种基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置。

背景技术

无线电能传输技术又称无接触电能传输技术，早在1890年，由塞尔维亚裔美国著名电气工程师、物理学家尼古拉·特斯拉提出。无线电能传输技术是利用电磁波感应原理及相关的交流感应技术，在发送和接收端用相应的线圈来发送和接收产生感应的交流信号来进行电能传输，按照电能传输原理的不同，无线电能传输可分为：电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。

国际无线充电联盟对无线充电联盟发布Qi标准，该Qi标准是对便携式终端充电设备的生产和制造进行了行规范，便携式终端充电设备应用的就是电磁感应式无线电能传输原理通电。最初由英国一家公司发明了一种新型无线充电器，它看上去就像一块塑料鼠标垫，这个“鼠标垫”里装有密集的小型线圈阵列，可产生磁场，将能量传输给装有专用接收线圈的电子设备，进行充电。利用非接触“电磁感应”来进行无线供电传输技术会受到很多限制。比如变压器绕组的位置，气隙的宽度，使得磁场会随着距离的增加而快速衰减。如果要增加电能传输距离，只能加大磁场的强度。然而，磁场强度太大一方面会增加电能的消耗，另一方面可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效。所以其有效传输距离只有几厘米，所以这种无线电力传输只适用短距离电能传输。

电磁共振式无线传输原理是由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，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磁场，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，其有效传输距离为几十厘米到几米，但是现有的电磁共振发射线圈与电磁共振接收线圈的结构均采用空间螺旋结构，采用此种结构使得共振频率偏高，空间占据大，电能传输效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有电磁共振线圈空间螺旋结构技术的缺陷，提供一种基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置，包括

——输入电源，具有一输出端，

——高频谐振电源，具有一输入端和一输出端；

——高频谐振整流电路；

所述输入电源连接交流电源负载的一端，所述交流电源负载的另一端连接所述高频谐振电源输入端；

还包括电源线圈、电磁共振发射线圈、电磁共振接收线圈和负载线圈，所述电源线圈通过输入串联谐振电容连接所述高频谐振电源的输出端，所述负载线圈通过输出串联谐振电容连接所述高频谐振整流电路，所述电源线圈、所述电磁共振发射线圈、所述电磁共振接收线圈和所述负载线圈之间形成耦合连接。

所述电磁共振发射线圈与所述电磁共振接收线圈完全相同。

所述电源线圈与所述电磁共振发射线圈之间相互缠绕构成一个平面结构；所述电磁共振接收线圈和所述负载线圈之间相互缠绕构成一个平面结构。

作为进一步优选实施方案，所述电源线圈与所述电磁共振发射线圈之间相互缠绕构成一个平面螺旋结构线圈；所述电磁共振接收线圈和所述负载线圈之间相互缠绕构成一个平面螺旋结构线圈。

作为进一步优选实施方案，所述平面结构为单层PCB磁平面线圈结构，所述单层PCB磁平面线圈结构包括PCB线圈和PCB板，所述PCB线圈的导线宽度为所述PCB线圈半径的10％～15％。

作为进一步优选实施方案，所述电源线圈、所述电磁共振发射线圈、所述电磁共振接收线圈与所述负载线圈采用所述PCB线圈，所述电源线圈与所述电磁共振发射线圈构成一个螺旋的单层PCB磁平面线圈结构，所述电磁共振接收线圈与所述负载线圈构成一个螺旋的单层PCB磁平面线圈结构。

作为进一步优选实施方案，本发明所述PCB线圈的材质为铜线。

作为进一步优选实施方案，本发明所述电磁共振发射线圈、所述电磁共振接收线圈为开环结构。

作为进一步优选实施方案，本发明所述电磁共振发射线圈、所述电磁共振接收线圈为闭环结构。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)所述电源线圈与所述电磁共振发射线圈之间相互缠绕构成一个平面结构；所述电磁共振接收线圈和所述负载线圈之间相互缠绕构成一个平面结构，平面结构减少了空间占有率，降低共振频率，提高了能量传输效率。

(2)所述PCB线圈的导线宽度为所述PCB线圈半径的10％～15％。采用此种宽度的导线，能够有效减少寄生电容的电容值，降低共振频率，提高电磁共振发射线圈与电磁共振接收线圈之间的能量转换效率。

(3)所述电磁共振发射线圈、电磁共振接收线圈为开环结构。开环结构的电磁共振发射线圈、电磁共振接收线圈结构简单，不受外部电路连接方式影响，抗干扰能力。

(4)所述电磁共振发射线圈、电磁共振接收线圈为闭环结构，闭环结构的电磁共振发射线圈、电磁共振接收线圈，寄生电容参数稳定，共振频率低，能够提高电磁共振发射线圈与电磁共振接收线圈之间的能量转换效率。

附图说明

图1是本发明的电路结构方框图；

图2是本发明电源线圈与电磁共振发射线圈的平面螺旋结构图；

图3是本发明负载线圈与电磁共振接收线圈的平面螺旋结构图；

图4是本发明负载线圈与电磁共振接收线圈的单层PCB磁平面线圈结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，一种基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置，包括

——输入电源1，具有一输出端，

——高频谐振电源3，具有一输入端和一输出端；

——高频谐振整流电路10；

所述输入电源1连接交流电源负载2的一端，所述交流电源负载2的另一端连接所述高频谐振电源3的输入端；

还包括电源线圈5、电磁共振发射线圈6、电磁共振接收线圈7和负载线圈8，所述电源线圈5通过输入串联谐振电容4连接所述高频谐振电源3的输出端，所述负载线圈8通过输出串联谐振电容9连接所述高频谐振整流电路10，所述电源线圈5、所述电磁共振发射线圈6、所述电磁共振接收线圈7和所述负载线圈8之间形成耦合连接。

所述电磁共振发射线圈6与所述电磁共振接收线圈7完全相同。

所述电源线圈5与所述电磁共振发射线圈6之间相互缠绕构成一个平面结构；所述电磁共振接收线圈7和所述负载线圈8之间相互缠绕构成一个平面结构。

本发明中，磁共振线圈的耦合方程如下

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d{\mathrm{\α}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-(j{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\Γ}}_1){\mathrm{\α}}_1\left(t\right)+j{k}_{\mathrm{st}}{\mathrm{\α}}_2\left(t\right)+F_s\left(t\right)\\ \frac{d{\mathrm{\α}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-(j{\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{\Γ}}_2+{\mathrm{\Γ}}_l){\mathrm{\α}}_2\left(t\right)+j{k}_{\mathrm{st}}{\mathrm{\α}}_1\left(t\right)\end{array}\right.$

其中，|α₁(t)|²为电磁共振状态下电磁共振发射线圈发出的能量；且α₁(t)＝A₁e^-jω1t，A1为电磁共振发射线圈电磁波辐射幅度值，ω₁电磁共振发射线圈电磁波辐射频率；

|α₂(t)|²为电磁共振状态下电磁共振接收线圈接收的能量，且A2为电磁共振接收线圈电磁波辐射幅度值，ω₂为电磁共振接收线圈电磁波辐射频率；

Γ₁是电磁共振发射线圈在共振带宽频率内的衰减率；

Γ₂是电磁共振接收线圈在共振带宽频率内的衰减率；

Γ_l是负载谐振带宽，其值正比于负载导纳；

F_s(t)为谐振源激励值；

k_st为共振耦合系数。

由上述公式可知，所述电源线圈5与所述电磁共振发射线圈6之间相互缠绕构成一个平面结构；所述电磁共振接收线圈7和所述负载线圈8之间相互缠绕构成一个平面结构，当电磁共振发射线圈6和电磁共振接收线圈7完全相同时，电磁共振发射线圈6在共振带宽频率内的衰减率、电磁共振接收线圈7在共振带宽频率内的衰减率均降低，降低共振频率，提高了能量传输效率，同时平面结构减少了空间占有率，降低共振频率，提高了能量传输效率。

如图2所示，作为进一步优选实施方案，所述电源线圈5与所述电磁共振发射线圈6之间相互缠绕构成一个平面螺旋结构线圈；如图3所示，所述电磁共振接收线圈7和所述负载线圈8之间相互缠绕构成一个平面螺旋结构线圈。

如图4所示，作为进一步优选实施方案，本发明所述平面结构为单层PCB磁平面线圈结构9。单层PCB磁平面线圈结构9包括PCB线圈和PCB板，PCB线圈的导线宽度为所述PCB线圈半径的10％～15％。采用此种宽度的导线，能够有效减少寄生电容的电容值，降低共振频率，提高电磁共振发射线圈、所述电磁共振接收线圈之间的能量转换效率。

作为进一步优选实施方案，本发明所述电源线圈5、所述电磁共振发射线圈6、所述电磁共振接收线圈7与所述负载线圈8采用PCB线圈，所述电源线圈5与所述电磁共振发射线圈6构成一个螺旋的单层PCB磁平面线圈结构9，所述电磁共振接收线圈7与所述负载线圈8构成一个螺旋的单层PCB磁平面线圈结构9，单层PCB磁平面线圈结构9具有抗干扰特性强的优点，提高能量传输的稳定性。

作为进一步优选实施方案，本发明所述PCB线圈的材质为铜线。

作为进一步优选实施方案，本发明所述电磁共振发射线圈6、所述电磁共振接收线圈7为开环结构。开环结构的电磁共振发射线圈6、电磁共振接收线圈7结构简单，不受外部电路连接方式影响，抗干扰能量强。

作为进一步优选实施方案，本发明所述电磁共振发射线圈6、所述电磁共振接收线圈7为闭环结构，闭环结构的电磁共振发射线圈6、电磁共振接收线圈7寄生电容参数稳定，共振频率低，能够提高电磁共振发射线圈6与电磁共振接收线圈7之间的能量转换效率。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置，其特征在于：包括

——输入电源(1)，具有一输出端，

——高频谐振电源(3)，具有一输入端和一输出端；

——高频谐振整流电路(10)；

所述输入电源(1)连接交流电源负载(2)的一端，所述交流电源负载(2)的另一端连接所述高频谐振电源(3)的输入端；

还包括电源线圈(5)、电磁共振发射线圈(6)、电磁共振接收线圈(7)和负载线圈(8)，所述电源线圈(5)通过输入串联谐振电容(4)连接所述高频谐振电源(3)的输出端，所述负载线圈(8)通过输出串联谐振电容(9)连接所述高频谐振整流电路(10)，所述电源线圈(5)、所述电磁共振发射线圈(6)、所述电磁共振接收线圈(7)和所述负载线圈(8)之间形成耦合连接；

所述电磁共振发射线圈(6)与所述电磁共振接收线圈(7)完全相同；

所述电源线圈(5)与所述电磁共振发射线圈(6)之间相互缠绕构成一个平面结构；所述电磁共振接收线圈(7)和所述负载线圈(8)之间相互缠绕构成一个平面结构。

2.根据权利要求1所述的基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置，其特征在于：所述电源线圈(5)与所述电磁共振发射线圈(6)之间相互缠绕构成一个平面螺旋结构线圈；所述电磁共振接收线圈(7)和所述负载线圈(8)之间相互缠绕构成一个平面螺旋结构线圈。

3.根据权利要求1所述的基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置，其特征在于：所述平面结构为单层PCB磁平面线圈结构(9)，所述单层PCB磁平面线圈结构(9)包括PCB线圈和PCB板，所述PCB线圈的导线宽度为所述PCB线圈半径的10％～15％。

4.根据权利要求3所述的基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置，其特征在于：所述电源线圈(5)、所述电磁共振发射线圈(6)、所述电磁共振接收线圈(7)与所述负载线圈(8)采用所述PCB线圈，所述电源线圈(5)与所述电磁共振发射线圈(6)构成一个螺旋的单层PCB磁平面线圈结构(9)，所述电磁共振接收线圈(7)与所述负载线圈(8)构成一个螺旋的单层PCB磁平面线圈结构(9)。

5.根据权利要求3所述的基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置，其特征在于：所述PCB线圈的材质为铜线。

6.根据权利要求4所述的基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置，其特征在于：所述电磁共振发射线圈(6)、所述电磁共振接收线圈(7)为开环结构。

7.根据权利要求4所述的基于平面磁谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置，其特征在于：所述电磁共振发射线圈(6)、所述电磁共振接收线圈(7)为闭环结构。