CN107026494A - 用于室内的三维无线充电结构 - Google Patents
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Classifications
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Abstract
本发明提供一种用于室内的三维无线充电结构，将室内的房间视为一个空心长方体，所述房间包括相互正交的前后、左右和上下三组平面，每组平面中至少有一个平面上设有无线电能发射结构，所述无线电能发射结构包括多个发射线圈，所述发射线圈由内向外排布为多层，每层所述发射线圈以正六边形为基本单元排列，使所述无线电能发射结构整体为蜂巢结构。三维无线电能传输即在三个维度上皆有电能的传输，因而如果在内部放置了一个接收线圈，那么无论它旋转到任何角度，仍然能够与空间磁场耦合，采用蜂巢的分布方式，保证了磁场的稳定性，提高了空间利用率。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，特别是涉及一种用于室内的三维无线充电结构。
背景技术
目前，无线电能传输技术已经应用到人们的日常生活中，比如说智能设备以及电动汽车的充电。以目前已有的无线充电智能手机举例，传统的无线电能传输技术即在手机内部装设一个接收线圈，然后将手机放置在一个装有电能发射线圈的基座上。这种无线充电方式相比于传统充电方式省去了充电线，而通过交变的电场来传递能量。这种技术，传输方向固定，即只能在一个维度上进行电能传输。一维的无线电能传输技术磁场分布简单，易于分析计算，且较容易实现，但是这种技术适合于发射和接收位置相对固定的场合。比如说正在充电的手机一旦离开充电基座，充电效果将大打折扣，甚至于无法实现。这都暴露出一维无线充电的局限性，即一旦接收线圈和发射线圈存在较大的相对偏移时，电能传输效率将急剧下降。这也就是目前无线充电技术没有在电子设备中广泛作用起来的原因，因为它仍然需要依靠一个充电基座才能实现，而基座依然是需要通过线路连接电源的，较之传统有线充电方式并没有显著的优越性。
为了克服一维无线电能传输存在的问题，人们提出了三维无线电能传输的概念。三维无线电能传输***即在三个维度分别装设一套电能发射***，通过控制每个发射***中的电流，来改变空间电磁场的分布，使电磁场能完全覆盖整个三维空间，即电能可以从三个维度进行传输。因而接收线圈不管处于空间中的任意位置和任意角度偏转时，都能与空间磁场较好地耦合，实现无线电能传输。
如果将三维无线电能传输的理念应用于室内，即通过设计改造在室内安装一套无线电能传输***，那么室内的任何电器都可以通过无线电能传输的方式来获得电能，因而将省去诸多插座开关以及电源线路。关键即在于如何选定发射线圈的安装位置，以保证房间内部的电气设备中的接收线圈均能较好的与发射线圈耦合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种用于室内的三维无线充电结构，合理选择发射***的安装位，保证整个空间内任何位置都有电能传输。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种用于室内的三维无线充电结构，将室内的房间视为一个空心长方体，所述房间包括相互正交的前后、左右和上下三组平面，每组平面中至少有一个平面上设有无线电能发射结构，所述无线电能发射结构包括多个发射线圈，所述发射线圈由内向外排布为多层，每层所述发射线圈以正六边形为基本单元排列，使所述无线电能发射结构整体为蜂巢结构。
具体的，位于前后和左右两组平面上的所述无线电能发射结构为平铺式结构，所述平铺式结构保证每一个发射线圈均与所在平面平行。
具体的，位于上面的平面上的所述无线电能发射结构为平铺式结构或弧顶式结构。
具体的，所述弧顶式结构选取房间顶部的中心点为正六边形的几何中心，位于中心处的正六边形为第一层，且所述第一层所在平面与水平面平行，并且由中心向外辐射，每层由多个所述发射线圈围成的正六边形构成，第一层与水平面夹角为0°，从第二层开始每层与水平面所成夹角逐渐递增，且最外层与水平面夹角小于等于90°。
优选的，每层与水平面的夹角以相同角度递增。
优选的，每层递增的角度为5°。
进一步，每个所述发射线圈连接一个谐振电路，所述谐振电路包括电容器和电感线圈。
进一步，同一面上的所述发射线圈的两个端子引出，采用并联式连接，集中连接到一个高频逆变电源上。
具体的，所述发射线圈包括铜管和绕制在铜管上的线圈。
具体的，所述铜管直径为4mm，所述铜管上线圈的匝数为5匝，且所述线圈的厚度小于30mm，线圈的直径为300mm。
电路：包括电源回路、高频逆变、多发射谐振回路、接收谐振回路、控制与检测电路和负载回路等几部分。其中，电源回路包括220V直流电源、输入EMI滤波、AC/DC变换等功能。高频逆变部分包括高频逆变主回路、驱动回路和控制回路等部分。多谐振发射回路由多个发射线圈和谐振电容组成。接收谐振回路由接受线圈和谐振电容组成，负载回路由整流、稳压和负载几个部分组成。
工作机制：220V交流电经过AC/DC转换成直流电，然后经过高频DC/AC逆变转换为高频交流电，多发射谐振回路再将逆变后的高频交流电通过谐振耦合发送给接收谐振回路，然后经过整流稳压等环节从而将符合要求的能量传递给负载，完成整个无线电能传输的任务。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种用于室内的三维无线充电结构，在选择发射***的安装位置时，首先三维无线电能传输即在三个维度上皆有电能的传输，因而如果在内部放置了一个接收线圈，那么无论它旋转到任何角度，仍然能够与空间磁场耦合，采用蜂巢的分布方式，保证了磁场的稳定性，提高了空间利用率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明蜂窝结构的结构示意图；
图2是本发明平铺式结构的结构示意图；
图3是本发明弧顶式结构的结构示意图。
图中：1、发射线圈，2、屋顶，3、墙壁。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明的一种用于室内的三维无线充电结构，在选择发射***的安装位置时，首先三维无线电能传输即在三个维度上皆有电能的传输，如果选取室内的一点作为原点建立空间直角坐标系，也就是说在X，Y，Z三个方向上都有电能的传输。因而如果这一点放置了一个接收线圈，那么无论它旋转到任何角度，仍然能够与空间磁场耦合。
由于室内的墙壁3和屋顶2的天花板通常为矩形平面，而发射线圈1为圆形。为了最大程度地利用圆形线圈安装平面的有效面积，借鉴蜂巢以六边形为基本单元排列组合而形成的结构，其对于圆柱体的放置是最为稳定的，并且对于空间的利用率也较高。因而将线圈的铺设平面设计为采取多层六边形结构排列，将每个发射线圈1放入每个六边形中，同一面上的发射线圈1由一套单独的可调逆变电源供电，可利用计算机对区域内部的磁场分布进行实时仿真。
具体的结构设计如下：
如图2-3所示，将房间视作一个空心长方体(图中只示出相互正交的三个面)，由于它的前后、左右、上下平面相互正交，那么只要在这三组平面上分别装设发射线圈1，就能保证形成一个三维磁场，即在三个维度上均有电能的传输。则无论室内的用电设备中的接收线圈处于何种角度，皆能与磁场产生较好的耦合。
(1)墙壁3上的发射线圈1排布设计
根据上述的蜂巢结构，在四周墙壁3中安装时采取平铺式结构安装，即保证每一个发射线圈1均与墙壁3所在平面平行。
(2)屋顶2上的发射线圈1排布设计
在实际应用中由于需求的不同，有些房间内的用电设备相对集中分布，比如一些办公场所。而有些房间内用电设备分布较为分散，比如客厅和卧室等。根据这两种不同的情况，屋顶2可采取两种相应的设计。
平铺式结构
与墙壁3的铺设方式相同，即每个发射线圈1与屋顶2所在平面平行，这种设计可使三个维度存在完全正交的磁场，能够覆盖到房间内几乎绝大多数区域，死区较小，能够满足用电设备分布相对分散的场所。
弧顶式结构
选取房间顶部的中心点为正六边形的几何中心，位于中心处的正六边形为第一层，且所述第一层所在平面与水平面平行，并且由中心向外辐射，每层由多个所述发射线圈1围成的正六边形构成。第一层与水平面夹角成0°，第二层与水平面夹角成5°，第三层与水平面夹角成10°，第四层与水平面夹角成15°，以此类推。则由此结构产生的三维磁场，虽然在竖直方向上的磁场相对于平铺式设计有所削弱，但是位于房间中心附近一定范围内的磁场却大大加强，这对于一些用电设备相对集中分布的场所是比较适用的。
(3)发射线圈1绕制及其连接
材料：直径4mm的铜管，铜管可以增加导体的表面积，减少高频交流电状态下趋肤效应带来的不利影响。
匝数：5匝，匝间紧密排列以降低厚度，并在铜管外壁做绝缘处理，整个线圈厚度保持在30mm以内。
形状：5匝直径300mm的规则圆环，匝间紧密排列，成圆筒状。
电路：每个发射线圈1附带一个谐振电路，主要由电容器与电感线圈构成，用于产生谐振，传递电能，电容器的选取根据实际线圈的电感参数以及高频电源的角频率计算而确定。
电源：供电电源采用频率在800kHz以上的高频电源，在一定程度内提高电源频率，可以降低传输损耗。
连接方式：将每个平面内的线圈的两个端子引出，采取并联式连接，集中连接到电源上，即由一个高频逆变电源同时向多个发射线圈1供电。
电路：包括电源回路、高频逆变、多发射谐振回路、接收谐振回路、控制与检测电路和负载回路等几部分。其中，电源回路包括220V直流电源、输入EMI滤波、AC/DC变换等功能。高频逆变部分包括高频逆变主回路、驱动回路和控制回路等部分。多谐振发射回路由多个发射线圈和谐振电容组成。接收谐振回路由接受线圈和谐振电容组成，负载回路由整流、稳压和负载几个部分组成。
工作机制：220V交流电经过AC/DC转换成直流电，然后经过高频DC/AC逆变转换为高频交流电，多发射谐振回路再将逆变后的高频交流电通过谐振耦合发送给接收谐振回路，然后经过整流稳压等环节从而将符合要求的能量传递给负载，完成整个无线电能传输的任务。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种用于室内的三维无线充电结构，其特征在于：将室内的房间视为一个空心长方体，所述房间包括相互正交的前后、左右和上下三组平面，每组平面中至少有一个平面上设有无线电能发射结构，所述无线电能发射结构包括多个发射线圈(1)，所述发射线圈(1)由内向外排布为多层，每层所述发射线圈(1)以正六边形为基本单元排列，使所述无线电能发射结构整体为蜂巢结构。
2.如权利要求1所述的用于室内的三维无线充电结构，其特征在于：位于前后和左右两组平面上的所述无线电能发射结构为平铺式结构，所述平铺式结构保证每一个发射线圈(1)均与所在平面平行。
3.如权利要求1或2所述的用于室内的三维无线充电结构，其特征在于：位于上面的平面上的所述无线电能发射结构为平铺式结构或弧顶式结构。
4.如权利要求3所述的用于室内的三维无线充电结构，其特征在于：所述弧顶式结构选取房间顶部的中心点为正六边形的几何中心，位于中心处的正六边形为第一层，且所述第一层所在平面与水平面平行，并且由中心向外辐射，每层由多个所述发射线圈(1)围成的正六边形构成，第一层与水平面夹角为0°，从第二层开始每层与水平面所成夹角逐渐递增，且最外层与水平面夹角小于等于90°。
5.如权利要求4所述的用于室内的三维无线充电结构，其特征在于：每层与水平面的夹角以相同角度递增。
6.如权利要求5所述的用于室内的三维无线充电结构，其特征在于：每层递增的角度为5°。
7.如权利要求1所述的用于室内的三维无线充电结构，其特征在于：每个所述发射线圈(1)连接一个谐振电路，所述谐振电路包括电容器和电感线圈。
8.如权利要求1所述的用于室内的三维无线充电结构，其特征在于：同一面上的所述发射线圈(1)的两个端子引出，采用并联式连接，集中连接到一个高频逆变电源上。
9.如权利要求1所述的用于室内的三维无线充电结构，其特征在于：所述发射线圈(1)包括铜管和绕制在铜管上的线圈。
10.如权利要求9所述的用于室内的三维无线充电结构，其特征在于：所述铜管直径为4mm，所述铜管上线圈的匝数为5匝，且所述线圈的厚度小于30mm，线圈的直径为300mm。
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