CN103928991B - 基于pcb谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置 - Google Patents

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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PCB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，高频发射电源，具有一输入端和一输出端；电磁共振线圈，具有一输入端和一输出端；整流及负载电路；与现有技术相比，电磁共振发射线圈和电磁共振接收线圈完全相同，电磁共振发射线圈在共振带宽频率内的衰减率、电磁共振接收线圈在共振带宽频率内的衰减率均降低，提高了能量传输效率。

Description

基于PCB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PCB谐振耦合线圈结构的磁共振无线电能传输装置。
背景技术
传统的电能传输主要通过导线连接，在一般情况下合理有效。近年来，随着平板电脑、手机通讯、相机等对电量充满“饥渴”的移动消费电子产品的兴起，研发无线充电等突破性充电技术的需求日益提高。
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。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充电的的一项技术，按照电能传输原理的不同，无线电能传输分为：电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。
国际无线充电联盟于2010年7月发布Qi标准，对便携式终端充电设备的生产和制造进行了行规范，其应用的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，并能同时给多个设备充电。利用非接触“电磁感应”来进行无线供电传输技术受到很多限制。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。如果要增加供电距离，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于短距离电能传输。
电磁共振式无线电能传输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，但是整个电磁共振式传输装置是在高频状态下工作，导致无线电能传输的效率较低。
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技术的缺陷，提供一种基于PCB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，
——高频发射电源，具有一输入端和一输出端；
——电磁共振线圈，具有一输入端和一输出端；
——整流及负载电路；
所述输入电源连接输入电源负载的一端，所述输入电源负载的另一端连接所述高频发射电源输入端；
所述高频发射电源的输出端通过输入串联谐振电容连接所述电磁共振线圈的输入端，所述电磁共振线圈的输出端通过输出串联谐振电容连接所述整流及负载电路；
所述电磁共振线圈包括电源线圈、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、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，所述电源线圈连接所述输入串联谐振电容，所述电源线圈与所述输入串联谐振电容形成输入串联谐振，所述负载线圈连接所述输出串联谐振电容，所述负载线圈与所述输出串联谐振电容之间形成输出串联谐振。
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。
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均采用PCB板线圈。
作为进一步优选实施方案，本发明所述PCB板线圈包括PCB板和PCB线圈，所述PCB线圈固定设置于所述PCB板上，所述PCB线圈设有线圈第一输出端和线圈第二输出端。
作为进一步优选实施方案，本发明所述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，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PCB板线圈采用单层PCB线圈结构的PCB板线圈。
作为进一步优选实施方案，本发明所述PCB板线圈采用N层PCB线圈结构的PCB板线圈，N≥2且N≤6。
作为进一步优选实施方案，本发明所述N层PCB线圈结构的PCB板线圈为N个单层PCB线圈结构通过所述线圈第一输出端和所述线圈第二输出端串联而成。
作为进一步优选实施方案，本发明所述电磁共振发射线圈为开环结构。开环结构的电磁共振发射线圈为单层PCB线圈结构的PCB线圈或N层PCB线圈结构的PCB板线圈。
作为进一步优选实施方案，本发明所述电磁共振发射线圈为闭环结构。闭环结构的电磁共振发射线圈为N层PCB线圈结构的PCB板线圈。
作为进一步优选实施方案，本发明所述电磁共振发射线圈为3-6层PCB线圈结构的PCB板线圈。
作为进一步优选实施方案，本发明所述电磁共振发射线圈为3层PCB线圈结构的PCB板线圈。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)电磁共振发射线圈和电磁共振接收线圈完全相同，电磁共振发射线圈在共振带宽频率内的衰减率、电磁共振接收线圈在共振带宽频率内的衰减率均降低，提高了能量传输效率。
(2)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均为PCB板线圈，PCB板线圈具有抗干扰特性强的优点，提高无线电能传输的稳定性
(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、电磁共振接收线圈电路结构简单，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。
(5)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。
附图说明
图1是本发明的电路结构方框图；
图2是本发明电磁共振线圈电路开环结构示意图；
图3是本发明PCB结构单层PCB线圈的结构示意图；
图4是本发明PCB结构N层PCB线圈的结构示意图；
图5是本发明PCB结构N层PCB线圈的进一步优化结构示意图；
图6是本发明电磁共振线圈电路闭环结构示意图。
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，基于PCB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，
——高频发射电源3，具有一输入端和一输出端；
——电磁共振线圈5，具有一输入端和一输出端；
——整流及负载电路7；
所述输入电源1连接输入电源负载2的一端，所述输入电源负载2的另一端连接所述高频发射电源3输入端；
所述高频发射电源3的输出端通过输入串联谐振电容4连接所述电磁共振线圈5的输入端，所述电磁共振线圈5的输出端通过输出串联谐振电容6连接整流及负载电路7；
如图2所示，所述电磁共振线圈5包括电源线圈8、电磁共振发射线圈9、电磁共振接收线圈10和负载线圈11，所述电源线圈8、电磁共振发射线圈9、电磁共振接收线圈10和负载线圈11之间形成耦合连接，所述电源线圈8连接所述输入串联谐振电容4，所述电源线圈8与所述输入串联谐振电容4形成输入串联谐振，所述负载线圈11连接所述输出串联谐振电容6；所述负载线圈11与所述输出串联谐振电容6之间形成输出串联谐振。
所述电磁共振发射线圈9与所述电磁共振接收线圈10完全相同。
本发明中，磁共振线圈的耦合方程如下
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；
Γl是负载谐振带宽，其值正比于负载导纳；
Fs(t)为谐振源激励值；
kst为共振耦合系数。
由上述公式可知，所述电磁共振发射线圈9和电磁共振接收线圈10完全相同，电磁共振发射线圈9在共振带宽频率内的衰减率、电磁共振接收线圈10在共振带宽频率内的衰减率均降低，提高了能量传输效率。
作为进一步优选实施方式，本发明所述电源线圈8、所述电磁共振发射线圈9、所述电磁共振接收线圈10与所述负载线圈11均采用PCB板线圈。PCB板线圈具有抗干扰特性强的优点，提高能量传输的稳定性。
如图3所示，作为进一步优选实施方案，本发明所述PCB结构包括PCB板12和PCB线圈13，所述PCB线圈13固定设置与所述PCB板12上，所述PCB线圈13设有线圈第一输出端14和线圈第二输出端15。
作为进一步优选实施方案，本发明所述PCB线圈13的导线宽度为所述PCB线圈13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9、所述电磁共振接收线圈10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PCB板线圈可为单层PCB线圈13结构的PCB板线圈。单层PCB线圈13结构的PCB板线圈结构简单、寄生电容小。
如图4所示，作为进一步优选实施方案，本发明所述PCB板线圈可为N层PCB线圈16结构的PCB板线圈，N≥2且N≤6，降低共振频率，提高能量传输效率。
如图5所示，作为进一步优选实施方案，本发明所述N层PCB线圈16结构的PCB板线圈也可为N个单层PCB线圈13结构的PCB板线圈通过所述线圈第一输出端14和所述线圈第二输出端15串联而成。
作为进一步优选实施方式，本发明所述电磁共振发射线圈9、所述电磁共振接收线圈10为开环结构，开环结构的电磁共振发射线圈9、所述电磁共振接收线圈10可为单层PCB线圈13结构的PCB板线圈或N层PCB线圈16结构的PCB板线圈。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，抗干扰能量强。
如图6所示，作为进一步优选实施方式，本发明所述电磁共振发射线圈9、所述电磁共振接收线圈10为闭环结构，闭环结构的电磁共振发射线圈9、所述电磁共振接收线圈10可为N层PCB线圈16结构的PCB板线圈，闭环结构的电磁共振发射线圈9、电磁共振接收线圈10，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9与电磁共振接收线圈10之间的能量转换效率。
作为进一步优选实施方式，本发明所述闭环结构的电磁共振发射线圈9、所述电磁共振接收线圈10为3-6层PCB线圈结构的PCB板线圈。
作为进一步优选实施方式，，本发明所述闭环结构的电磁共振发射线圈9、所述电磁共振接收线圈10为3层PCB线圈结构的PCB板线圈。
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 (3)

1.基于PCB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，
——高频发射电源(3)，具有一输入端和一输出端；
——电磁共振线圈(5)，具有一输入端和一输出端；
——整流及负载电路(7)；
所述输入电源(1)连接输入电源负载(2)一端，所述输入电源负载(2)的另一端连接所述高频发射电源(3)输入端；
所述高频发射电源(3)的输出端通过输入串联谐振电容(4)连接所述电磁共振线圈(5)的输入端，所述电磁共振线圈(5)的输出端通过输出串联谐振电容(6)连接整流及负载电路(7)；
所述电磁共振线圈(5)包括电源线圈(8)、电磁共振发射线圈(9)、电磁共振接收线圈(10)和负载线圈(11)，所述电源线圈(8)、电磁共振发射线圈(9)、电磁共振接收线圈(10)和负载线圈(11)之间形成耦合连接，所述电源线圈(8)连接所述输入串联谐振电容(4)，所述负载线圈(11)连接所述输出串联谐振电容(6)；
所述电磁共振发射线圈(9)与所述电磁共振接收线圈(10)完全相同；
其中，所述电源线圈(8)、电磁共振发射线圈(9)、电磁共振接收线圈(10)和负载线圈(11)均采用PCB板线圈；所述PCB板线圈为N层PCB线圈(16)结构的PCB板线圈，N≥2且N≤6；所述电磁共振发射线圈(9)为开环结构。
2.根据权利要求1所述的基于PCB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板线圈包括PCB板(12)和PCB线圈(13)，所述PCB线圈(13)固定设置于所述PCB板(12)上，所述PCB线圈(13)设有线圈第一输出端(14)和线圈第二输出端(15)，所述PCB线圈(13)的导线宽度为所述PCB线圈(13)半径的10％～15％，所述PCB线圈(13)的材质为铜线。
3.根据权利要求1所述的基于PCB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N层PCB线圈(16)结构的PCB板线圈为N个单层的PCB线圈(13)结构的PCB板线圈通过所述线圈第一输出端(14)和所述线圈第二输出端(15)串联而成。
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