CN106026410B - 一种无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线电能传输装置，包括发射端和接收端，所述发射端包括位于三维坐标系XOY、XOZ、YOZ平面内的至少三个同圆心发射线圈、用于驱动发射线圈横向转动的转动机构。所述发射端还包括设置在转动机构上的电源输入模块、用于控制发射端旋转和处理信号的总控制模块、信号接收模块；电源输入模块的输出端与发射线圈的输入端相连；总控制模块与电源输入模块交互式连接；信号接收模块的输出端与总控制模块的输入端相连通过本发明发射端结构的发送线圈可在三维空间内任意方向上进行无线电能传输，而且还可以同时对多个放置在该区域内不同方向的负载进行无线电能传输。

Description

一种无线电能传输装置

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种无线电能传输装置。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，WPT)就是借助电磁场、电磁波、激光和超声波等进行能量传递的一种技术。迄今为止能实现能量无线传输的方式主要有微波、激光、磁耦合谐振、电场耦合、电磁感应方式等，可实现小功率到大功率，远距离到近距离的不同场合、不同功率需求的能量传输。

无线电能传输技术在各种可移动机电设备、医疗器械、电子产品充电器等领域都有很广阔的应用前景。例如城市轻轨、电力机车、工矿用车等，其一般的供电方式为滑动摩擦式，还会带来大气高频电磁污染，存在很多的安全隐患。而应用无线电能传输技术，在设备移动范围内安装发射源，移动设备本身自带接收线圈，这样在危险、恶劣环境下，移动设备的供电隐患这一问题将能得到解决，给人生带来安全的保证。同时，如心脏起搏器的充电***、手机无线充电器、家用电器无线供电***等等这些无线电能传输技术的应用都为我们生活增添了色彩。这些都与我们现代所倡导的绿色能源、节能减排等环保理念相悖。

至今为止无线电能传输在应用上还面临着以下问题：远距离、区域性、传输效率、低辐射等，现有技术中都是单发射端、单接收端、一多一、点对点、近距离的无线电能传输结构，相应的，作为发射端和接收端的线圈通常是矩形或圆形等平面型的二维结构，这种二维线圈具有较强的方向性，通常只能在某个特定方向上具有最大的传输效率，当接收端线圈一旦偏离特定的方向，接收线圈所接收到的能量将越来越小，甚至进入能量传输的死区，无法真正实现三维空间内多个不同方向对多个负载进行电能传输。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线电能传输装置，该无线电能传输装置能够解决现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种无线电能传输装置，包括发射端和接收端，所述发射端包括分别位于三维坐标系XOY、XOZ、YOZ平面内的至少三个同圆心发射线圈、用于驱动发射线圈横向转动的转动机构；位于YOZ平面内的发射线圈设置在转动机构上，位于XOY和XOZ平面内的发射线圈通过穿过所述圆心且设置在转动机构上的纵向旋转轴连接；

所述发射端还包括设置在转动机构上的电源输入模块、用于控制发射端旋转和处理信号的总控制模块、信号接收模块；电源输入模块的输出端与发射线圈的输入端相连；总控制模块与电源输入模块交互式连接；总控制模块的输入端与信号接收模块的输出端相连。

所述转动机构包括底座、设置在底座上的转盘以及设置在转盘上的第一支撑体和第二支撑体，所述纵向旋转轴设置在第一支撑体和第二支撑体之间；所述纵向旋转轴上设有驱动纵向旋转轴转动的第一电机。

所述底座上设有与转盘连接的横向旋转轴，横向旋转轴上设有驱动横向旋转轴转动的第二电机。

所述发射线圈包括壳体和设置在壳体上的线圈；位于YOZ平面内的发射线圈的壳体设置在转动机构上，位于XOY和XOZ平面内的两个发射线圈的壳体通过纵向旋转轴连接。

所述接收端包括接收线圈、整流滤波模块、负载、用于处理信号的控制模块以及信号发送模块；控制模块的输入端与整流滤波模块的输出端相连，控制模块的输出端与信号发送模块的输入端相连；控制模块与负载交互式连接；整流滤波模块的输入端与接收线圈的输出端相连。

所述电源输入模块包括电源模块、整流滤波模块和振荡电路模块；

电源模块的输出端与整流滤波模块的输入端相连，整流滤波模块的输出端与振荡电路模块的输入端相连；振荡电路模块的输出端与发射线圈的输入端相连；

总控制模块包括用于处理接收端发送的电能信号的信号处理模块、用于发射线圈监测和补偿的反馈电路模块、电机控制模块、用于检测发射线圈和转盘转速的转速检测模块；

信号处理模块的输入端与信号接收模块的输出端相连，所述信号处理模块的输出端与反馈电路模块的输入端、电机控制模块的输入端相连；电机控制模块的输入端还与转速检测模块的输入端相连。

所述总控制模块与电源输入模块的交互式连接为整流滤波模块的输入端与反馈电路模块的输出端相连；振荡电路模块的输出端与信号处理模块的输入端相连。

所述振荡电路模块的输出端通过电刷与每个发射线圈的输入端相连。

所述发射端还包括用于将全部发射线圈包在内部的线圈外壳。

由以上技术方案可知，通过本发明发射端结构的发送线圈可在三维空间内任意方向上进行无线电能传输，而且还可以同时对多个放置在该区域内不同方向的负载进行无线电能传输。在能量传输的过程中多个发射线圈位于三维坐标系中三个不同的平面内，发射线圈通过纵向旋转轴和转盘同时进行横向和纵向旋转，当发射线圈转速达到临界转速以上时，死区将消失，即负载能稳定供电，实现三维空间内所有方向上的电能传输，有效的消除电能传输过程中存在的死区，同时也提高了电能传输的效率。

附图说明

图1是本发明的发射线圈平面结构示意图；

图2是本发明发射端与任意方向上的接收端的接收线圈示意图；

图3是本发明等效电路模型；

图4是本发明发射端结构示意图；

图5是本发明接收端线圈三维分布示意图；

图6是本发明结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图6所示的一种无线电能传输装置，包括发射端和接收端，发射端转动机构包括底座10、设置在底座上的转盘20以及设置在转盘20上的第一支撑体21和第二支撑体22。底座10上还设有滚珠11，通过滚珠11可使转盘20灵活顺畅转动。发射线圈30的数量可以是三个或三个以上，其中三维坐标系的每个平面上均需至少一个发射线圈，而且所有发射线圈的中心点要求在同一个中心点上，允许存在一定的误差，在本实施例中以三个线圈为例，分别为发射线圈31、发射线圈32和发射线圈33，以图1中三维坐标系为基准，发射线圈31分布在XOY平面上，发射线圈32分布在XOZ平面上，发射线圈33分布在YOZ平面上，发射线圈31、发射线圈32和发射线圈33的圆心均为坐标轴的原点O点，三个发射线圈的缠绕圈数和缠绕半径均不同，此种线圈既可以应用到发射端，也可以应用到接收端。图1所示的三维的三个发射线圈由特定的导线沿着各自的方向缠绕若干圈而制的，通常根据不同的应用需求选择不同材质、线径的导线，一般均保留一定的空隙。位于YOZ平面内的发射线圈33设置在转动机构上，位于XOY和XOZ平面内的发射线圈31和发射线圈32通过穿过所述圆心且设置在转动机构上的纵向旋转轴40连接。

转盘20上设有第一支撑体21和第二支撑体22，纵向旋转轴40设置在第一支撑体21和第二支撑22体之间，第一支撑体21和第二支撑体22设置在转盘20上。纵向旋转轴40上设有驱动纵向旋转轴40转动的第一电机41；发射线圈31和发射线圈32通过纵向旋转轴40与第一支撑体21和第二支撑体22连接，发射线圈33设置在转盘20上，纵向旋转轴40穿过发射线圈31、发射线圈32和发射线圈33的圆心，纵向旋转轴40和第一电机41带动发射线圈31、发射线圈32做纵向旋转。底座10上设有与转盘20连接的横向旋转轴50，横向旋转轴50上设有驱动横向旋转轴转动的第二电机51。横向旋转轴50的上端是直接固定在转盘20的中心，下端是直接固定在第二电机51上，横向旋转轴50和第二电机51带动转盘20做横向旋转。第一支撑体21和第二支撑体22直接固定在转盘20上，通过转盘20、第一支撑体21和第二支撑体22就可以带动发射线圈31、发射线圈32和发射线圈33做横向旋转。

发射线圈31包括壳体311和缠绕在壳体311上的线圈，发射线圈32包括壳体321和缠绕在壳体321上的线圈，壳体311和壳体321与纵向旋转轴40相连，纵向旋转轴40转动从而带动发射线圈31和发射线圈32做纵向旋转。发射线圈33包括壳体331和缠绕在壳体331上的线圈，壳体331固定在转盘20上。发射线圈30还包括线圈外壳80，线圈外壳80将发射线圈31、发射线圈32、发射线圈33包在内部。

如图4所示的无线电能传输装置，发射线圈30的结构既可以应用到发射端，也可以应用到接收端，当应用到发射端时，在能量传输的过程中三个发射线圈同时旋转，当发射线圈转速达到临界转速以上时，死区将消失，即负载能稳定供电，可以实现三维空间内所有方向上的电能传输，既有效的消除电能传输过程中存在的死区，同时也提高了电能传输的效率。当应用到接收端时，只需要采用如图1和图6所示的方式进行接收端线圈的制作就可以，无需再将三个线圈旋转起来。当然，接收端的线圈也可以采用二维平面式的缠绕方式，通常采用圆形、方形、椭圆形或多线圈叠加式的方式进行制作。

本发明线圈的设计方法为：首先确定谐振频率，同时确定线圈直径，然后根据谐振频率的要求利用电磁仿真软件HFSS得到所需要的线圈匝数，再用阻抗分析仪对线圈的谐振频率进行测量，比较仿真和实际测量结果，如果谐振频率偏大，则增加线圈匝数，如果谐振频率偏小则减少线圈匝数，调整好线圈谐振频率接近要求后，带上负载，再次测量带负载线圈谐振频率，如有偏移，则按上述方法调整，直到符合要求。

如图6所示的一种无线电能传输装置的控制装置，发射端还包括设置在转动机构上的电源输入模块100、用于控制发射端旋转和处理信号的总控制模块101、信号接收模块67；电源输入模块100的输出端与发射线圈30的输入端相连；总控制模块101与电源输入模块100交互式连接；信号接收模块67的输出端与总控制模块101的输入端相连。电源输入模块100包括电源模块60、整流滤波模块61、振荡电路模块62。

总控制模块101包括用于处理信号的信号处理模块63、用于发射线圈监测和补偿的反馈电路模块64、用于控制第一电机41和第二电机51的电机控制模块65、用于检测发射线圈30和转盘20转速的转速检测模块661和转速检测模块662。电源模块60的输出端与整流滤波模块61的输入端相连，整流滤波模块61的输出端与振荡电路模块62的输入端相连，振荡电路模块62的输出端通过电刷71和电刷72与发射线圈30的输入端相连。信号处理模块63的输入端与振荡电路模块62的输出端、信号接收模块67的输出端相连，信号处理模块的63输出端与反馈电路模块64的输入端以及电机控制模块65的输入端相连；

反馈电路模块64的输出端与整流滤波模块61的输入端相连。

电机控制模块65的输入端还与转速检测模66块的输入端相连，电机控制模块65的输出端与第一电机41和第二电机51的输入端相连

接收端包括接收线圈90、整流滤波模块91、负载92、用于处理信号的控制模块93以及用于发出信号的信号发送模块94；控制模块93的输入端与整流滤波模块91的输出端相连，控制模块93的输出端与信号发送模块94的输入端相连；控制模块93与负载92交互式连接；整流滤波模块91的输入端与接收线圈90的输出端相连。

如图3所示，一种无线电能传输装置的等效电路模型。Ls1、Ls2和Ls3为发射线圈，Rs1、Rs2和Rs3分别为发射源高频等效电路模型内阻，Cs1、Cs2和Cs3分别为发射源高频等效电路模型震荡电容，L1为接收线圈，RL为接收源高频等效电路模型的内阻，RW为接收源的负载电阻；M12为发射线圈Ls1与Ls2之间的互感，M13为发射线圈Ls1与Ls3之间的互感,M23为发射线圈Ls2与Ls3之间的互感,而M1、M2和M3分别为三个发射线圈与接收源线圈之间的互感。

对图3所示的***电路等效模型进行分析，可得到***的状态方程，如下：

其中，三个发射线圈以及负载的电抗分别是：

经分析计算可得***效率为：

无线电能传输就是通过无线的方式将电能从发射端输送到接收端，从而实现能量的交换。谐振式无线电能传输正是基于物理学的共振原理，通过利用两个铜线圈作为能量的传递媒介，其中一个铜线圈与高频功率发生器相连作为发射源，另一个铜线圈与负载相连，作为能量接收终端。接通电源后，将高频功率发生器调节到额定频率和功率，发射线圈将以此频率作为谐振频率而发生最大幅度的振动，形成一个极强的非辐射电磁场。在这个非辐射电磁场中，两个谐振频率相同的线圈发生共振，并将进行能量的高效传递，传递的能量受周围环境和物体影响极小，大部分能量由发射源传递到接收终端，而中间的物体由于没有发生谐振，故不会吸收能量。

无线电能传输***由高频功率源以及两个谐振频率相同的铜线圈和用电负载构成，高频功率源作为无线电能传输***的能量发生器，产生额定频率和功率的能量发生装置；作为能量传递媒介的两个铜线圈分别是发射线圈和接收线圈；原边铜线圈将能量传递给发射线圈。

如图5所示的无线电能传输装置当电源模块60接入220V交流电时，通过电源模块60、整流滤波模块61、振荡电路模块62和信号处理模块63、反馈电路模块64、电机控制模块65和信号接收模块67对整个发射端装置进行控制和电能的传输。电机控制模块65控制第一电机41和第二电机51的转速和旋转方向。当接收端只有一个负载设备时，接收线圈90接收到发射端发射线圈30传输的电能，根据接收电能的大小，通过整流滤波模块91将电能传输至控制模块93和负载92，控制模块93将信号处理后控制信号发送模块94发出相应的接收信号，信号发送模块94传输给发射端的信号接收模块67，信号接收模块67将信号传输到发射端信号处理模块63；信号处理模块63根据获取的信号进行信号处理，然后控制反馈电路模块64对整流滤波模块61进行频率补偿，同时，信号处理模块63处理信号后控制电机控制模块65，电机控制模块65控制第一电机41和第二电机51的转速和旋转方向，第一电机41和第二电机51分别控制纵向旋转轴40和横向旋转轴50旋转，从而将三个发射线圈30调整到与接收线圈90频率相匹配、与负载功率相匹配的最佳工作状态，最后发射线圈30将补偿后产生的电能传输至接收端。当接收端有多个负载设备时，每个接收端的接收线圈90接收到发射端发射线圈30传输的电能，根据接收电能的大小，每个接收端的控制模块93控制信号发送模块94发出相应的接收信号传输给发射端的信号接收模块67，信号接收模块67将信号传输到发射端信号处理模块63；信号处理模块63根据接收信号并处理信号得出最优工作频率(即多个负载设备同时接收电能时每个负载能接收到的最大功率状态)，然后控制反馈电路模块64对整流滤波模块61进行频率补偿，同时，信号处理模块63处理信号后控制电机控制模块65，电机控制模块65控制第一电机41和第二电机51的转速和旋转方向，第一电机41和第二电机51分别控制纵向旋转轴40和横向旋转轴50旋转，从而将三个发射线圈30调整到与接收线圈90频率相匹配、与负载功率相匹配的最佳工作状态，最后发射线圈将电能传输至接收端的接收线圈；当接收端有多个负载设备时，且负载设备发生移动时，同样会调整三个线圈的工作状态，从而电能的传输达到实时跟踪的状态，而且不会影响到电能的传输，更不会出现电能传输中断的现象发生。

本发明中的发射端的工作原理如下：

当电源模块60接入220V交流电时，电源模块60、整流滤波模块61、振荡电路模块62使发射线圈30和接收线圈90发生谐振，发射线圈31、发射线圈32和发射线圈33分别通过电刷71、电刷72在旋转的过程中有效地与发射端振荡电路模块62保持通电状态。当发射线圈30和接收线圈90发生谐振后，接收线圈90就会接收到发射线圈30传输的电能，根据接收电能的大小，接收端的控制模块93控制信号发送模块94发出相应的接收信号传输给发射端的信号接收模块67，发射端就会通过信号处理模块63、反馈电路模块64和电机控制模块65对第一电机41、第二电机51进行控制，将三个发射线圈调整到最佳或最优工作状态。第一电机41通过纵向旋转的纵向旋转轴40带动壳体311和壳体321旋转，从而发射线圈31和发射线圈32做纵向旋转。同样，第二电机51通过横向旋转的横向旋转轴50带动转盘20旋转，横向旋转轴50的上端是直接固定在旋转盘20的中心，下端是直接固定在第二电机51上，横向旋转轴50和第二电机51带动转盘20做横向旋转。第一支撑体21和第二支撑体22直接固定在转盘20上，通过转盘20、第一支撑体21和第二支撑体22就可以带动发射线圈31、发射线圈32和发射线圈33做横向旋转。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种无线电能传输装置，包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端包括分别位于三维坐标系XOY、XOZ、YOZ平面内的至少三个同圆心发射线圈、用于驱动发射线圈横向转动的转动机构；位于YOZ平面内的发射线圈设置在转动机构上，位于XOY和XOZ平面内的发射线圈通过穿过所述圆心且设置在转动机构上的纵向旋转轴连接；

所述发射端还包括设置在转动机构上的电源输入模块、用于控制发射端旋转和处理信号的总控制模块、信号接收模块；电源输入模块的输出端与发射线圈的输入端相连；总控制模块与电源输入模块交互式连接；总控制模块的输入端与信号接收模块的输出端相连；所述转动机构包括底座、设置在底座上的转盘以及设置在转盘上的第一支撑体和第二支撑体，所述纵向旋转轴设置在第一支撑体和第二支撑体之间；所述纵向旋转轴上设有驱动纵向旋转轴转动的第一电机；所述底座上设有与转盘连接的横向旋转轴，横向旋转轴上设有驱动横向旋转轴转动的第二电机。

2.如权利要求1所述的一种无线电能传输装置，其特征在于：所述发射线圈包括壳体和设置在壳体上的线圈；位于YOZ平面内的发射线圈的壳体设置在转动机构上，位于XOY和XOZ平面内的两个发射线圈的壳体通过纵向旋转轴连接。

3.如权利要求1所述的一种无线电能传输装置，其特征在于：所述接收端包括接收线圈、整流滤波模块、负载、用于处理信号的控制模块以及信号发送模块；控制模块的输入端与整流滤波模块的输出端相连，控制模块的输出端与信号发送模块的输入端相连；控制模块与负载交互式连接；整流滤波模块的输入端与接收线圈的输出端相连。

4.如权利要求1所述的一种无线电能传输装置，其特征在于：所述电源输入模块包括电源模块、整流滤波模块和振荡电路模块；

电源模块的输出端与整流滤波模块的输入端相连，整流滤波模块的输出端与振荡电路模块的输入端相连；振荡电路模块的输出端与发射线圈的输入端相连；

总控制模块包括用于处理接收端发送的电能信号的信号处理模块、用于发射线圈监测和补偿的反馈电路模块、电机控制模块、用于检测发射线圈和转盘转速的转速检测模块；

信号处理模块的输入端与信号接收模块的输出端相连，所述信号处理模块的输出端与反馈电路模块的输入端、电机控制模块的输入端相连；电机控制模块的输入端还与转速检测模块的输入端相连；

所述总控制模块与电源输入模块的交互式连接为整流滤波模块的输入端与反馈电路模块的输出端相连；振荡电路模块的输出端与信号处理模块的输入端相连。

5.如权利要求4所述的一种无线电能传输装置，其特征在于：所述振荡电路模块的输出端通过电刷与每个发射线圈的输入端相连。

6.如权利要求1所述的一种无线电能传输装置，其特征在于：所述发射端还包括用于将全部发射线圈包在内部的线圈外壳。