CN109361271B - 一种增强型电子产品无线充电装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型电子产品无线充电装置，包括源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈，四个线圈均采用由漆包铜线绕制而成的N匝锥形线圈，在设计时，首先确定漆包铜线的横截面半径、锥形线圈沿轴心方向的的匝间距、各个线圈的最小线圈半径，以及每匝线圈终止点半径与起始点半径相比的增量；然后计算各个线圈的最优谐振频率；根据计算的线圈最优谐振频率，计算每个回路需要匹配的补偿电容；并根据正向传输系数与电源频率之间的关系求得每个距离处电源的最优频率。本发明解决了传统四个线圈谐振频率相同的无线电能传输方式中随着距离的增加磁耦合作用减弱导致传输性能下降的问题，大大提高了***的传输效率和传输距离。

Description

一种增强型电子产品无线充电装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术领域，具体涉及一种增强型电子产品无线充电装置及其设计方法。

背景技术

无线电能传输技术可分为三种：感应耦合式无线电能传输、微波辐射式无线电能传输和磁耦合谐振式无线电能传输。感应耦合式无线电能传输方式，传输距离非常有限，一般在1cm范围内，适合小功率、短距离的应用场合，辐射式无线电能传输方式，传输距离远远大于传输装置的几何尺寸，但其传输功率较小，且能量传输方向受到很大的限制，对人体和其他生物都有严重伤害，磁耦合谐振式无线电能传输方式比感应耦合式传输距离远，相比于微波辐射式传能，对电磁环境的影响较小，且传输功率较大，因此受到越来越广泛的关注和研究。

传统的两线圈磁耦合谐振式无线能量传输技术虽然提高了传输距离，但是存在一个临界距离，一旦发射端与接收端的距离超过了临界距离，磁耦合会迅速减弱，致使传输效率迅速下降，为了提高能量的传输效率，有研究提出四线圈的传输方式，但是传统四线圈是将四个线圈的谐振频率设置在同一个频率处，并不能最大限度的发挥每一个线圈传输能量的作用，以至于线圈间的交叉能量传输较小，传输效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强型电子产品无线充电装置及其设计方法，使四个线圈均在最优谐振频率处谐振，充分发挥了线圈间交叉耦合能量传输的作用，大大提高了能量的传输距离与传输效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种增强型电子产品无线充电装置，包括发射端和接收端，发射端连接电源，接收端连接负载，所述发射端包括源线圈和发射线圈，源线圈和发射线圈的圆心在同一轴线上，且源线圈和发射线圈的起始端在同一竖直面上，所述接收端包括接收线圈和负载线圈，接收线圈和负载线圈的圆心在同一轴线上，且接收线圈和负载线圈的起始端在同一竖直面上，所述源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均采用N匝锥形线圈，其中，源线圈和负载线圈的最小半径均为r₁，发射线圈和接收线圈的最小半径均为r₂，r₁小于r₂，发射端半径小的一端对着接收端半径小的一端，发射端与接收端相互平行，圆心在同一轴线上，发射端和接收端的四个线圈均连接有补偿电容，其中，源线圈与负载线圈的补偿电容相等，发射线圈与接收线圈的补偿电容相等，通过补偿电容，使每个线圈的谐振频率均为每个线圈所在回路品质因数最大时对应的频率。

优选的，每个线圈的半径由小到大变化均匀，每个线圈终止点的半径与起始点的半径相比增量均为r₀，源线圈和负载线圈的最大半径均为r₁+N·r₀，发射线圈和接收线圈的最大半径均为r₂+N·r₀。

优选的，所述源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈沿各自轴心方向的匝间距相等，均为d。

优选的，所述源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均采用漆皮铜线绕制而成，漆包铜线的横截面半径为r_c。

一种增强型电子产品无线充电装置的设计方法，包括以下步骤：

(1)计算源线圈和负载线圈的最优谐振频率f₁，及发射线圈和接收线圈的最优谐振频率f₂；

每个锥形线圈的等效半径均为：

每个锥形线圈的最优谐振频率为：

其中，下标m＝1，2，r′_m表示锥形线圈的等效半径，r₀表示每个线圈终止点半径与起始点半径相比的增量，c是光速，μ₀是真空磁导率，ρ是电阻率，N是线圈匝数，r_c是漆包铜线的横截面半径，下标c为区分作用，并非变量，r_m表示锥形线圈中最小线圈的半径；

四个锥形线圈的匝数N及漆包铜线横截面半径r_c均相等，将每个线圈的等效半径r′_m分别代入公式(2)，即可求得源线圈与负载线圈的最优谐振频率f₁，及发射线圈与接收线圈的最优谐振频率f₂；

(2)计算源线圈和负载线圈的补偿电容C₁，及发射线圈和接收线圈的补偿电容C₂；

各个线圈的自感为：

其中，下标m＝1,2，μ₀是真空磁导率，N是线圈匝数，r′_m表示锥形线圈的等效半径，r_c是漆包铜线的横截面半径；

将各个线圈的参数分别代入公式(3)，即可得到源线圈与负载线圈的电感L₁，及发射线圈2与接收线圈的电感L₂；

线圈谐振时，谐振频率与补偿电容的关系式如下：

式中，m＝1,2，f_m表示线圈的谐振频率，L_m表示线圈的自感，将各个线圈的谐振频率与电感值分别代入公式(4)，即可得到源线圈和负载线圈的补偿电容C₁，及发射线圈和接收线圈的补偿电容C₂；

(3)计算电源最优频率f₀；

根据本发明的等效电路图，可列出每个回路的KVL方程如下：

其中，Z₁₁＝R_S+R₁+j(ωL₁-1/ωC₁)，表示源线圈的回路阻抗，Z₂₂＝R₂+j(ωL₂-1/ωC₂)，表示发射线圈的回路阻抗，Z₃₃＝R₃+j(ωL₂-1/ωC₂)，表示接收线圈的回路阻抗，Z₄₄＝R_L+R₄+j(ωL₁-1/ωC₁)，表示负载线圈的回路阻抗，M_ij(i≠j，i，j＝1,2,3,4)为线圈间互感，I_i(i＝1,2,3,4)为回路中电流，Rs为电源内阻，R₁、R₂、R₃和R₄分别为源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的内阻，R_L为负载电阻，L₁表示源线圈的电感及负载线圈的电感，L₂表示发射线圈的电感及接收线圈的电感，C₁表示源线圈的补偿电容及负载线圈的补偿电容，C₂表示发射线圈的补偿电容及接收线圈的补偿电容，ω＝2πf，f为电源频率；

通过计算可得电流间关系：

当电源内阻Rs与负载电阻R_L相等时，电源效率η与正向传输系数S₂₁之间的关系如下：

η＝|S₂₁|² (9)

正向传输系数S₂₁与电源频率f之间的关系如下：

式中，Rs与R_L分别为电源内阻和负载电阻，其余各个参数定义与公式(5)相同；

由于ω＝2πf,由式(10)可得正向传输系数S₂₁与电源频率f的关系式，当发射端与接收端之间的距离确定后，电源频率f设置在20MHz-140MHz范围内，电源频率f以步长0.01MHz为步进，将所有步进得到的频率点代入公式(10)，即可得到所有频率点对应的正向传输系数S₂₁，正向传输系数S₂₁最大值对应的频率点f，即为电源的最优频率f₀。

本发明利用电源最优频率作为激励频率，并将每个线圈的最优谐振频率作为线圈的谐振频率，使源线圈与发射线圈最大限度的把能量由发射端传输到接收端，充分利用了线圈间交叉耦合传输能量的作用，大大提高了能量的传输效率和传输距离，实现增强型电子产品高效率、远距离的无线充电。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的等效电路图；

图3为本发明与传统无线能量传输方式在每个距离处正向传输系数最大值的对比图；

图4为本发明与传统无线能量传输方式正向传输系数最大值对应频率的对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1及图2所示，本发明所述的一种增强型电子产品无线充电装置，包括发射端和接收端，发射端连接电源，接收端连接负载，发射端包括源线圈和发射线圈，源线圈和发射线圈的圆心在同一轴线上，且源线圈和发射线圈的起始端在同一竖直面上，接收端包括接收线圈和负载线圈，接收线圈和负载线圈的圆心在同一轴线上，且接收线圈和负载线圈的起始端在同一竖直面上，源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均采用漆皮铜线绕制而成的N匝锥形线圈，漆包铜线的横截面半径为r_c，四个线圈沿各自轴心方向的匝间距相等，均为d，每个线圈的半径由小到大变化均匀，每个线圈终止点的半径与起始点的半径相比增量均为r₀，其中，源线圈和负载线圈的最小半径均为r₁，发射线圈和接收线圈的最小半径均为r₂，r₁小于r₂，源线圈和负载线圈的最大半径均为r₁+N·r₀，发射线圈和接收线圈的最大半径均为r₂+N·r₀，发射端半径小的一端对着接收端半径小的一端，发射端与接收端相互平行，圆心在同一轴线上，发射端和接收端的四个线圈均连接有补偿电容，其中，源线圈与负载线圈的补偿电容相等，发射线圈与接收线圈的补偿电容相等，通过补偿电容，使每个线圈的谐振频率均为每个线圈所在回路品质因数最大时对应的频率。

一种增强型电子产品无线充电装置的设计方法，包括以下步骤：

(1)计算源线圈和负载线圈的最优谐振频率f₁，及发射线圈和接收线圈的最优谐振频率f₂；

每个锥形线圈的等效半径均为：

每个锥形线圈的最优谐振频率为：

其中，下标m＝1，2，r′_m表示锥形线圈的等效半径，r₀表示每个线圈终止点半径与起始点半径相比的增量，c是光速，μ₀是真空磁导率，ρ是电阻率，N是线圈匝数，r_c是漆包铜线的横截面半径，下标c为区分作用，并非变量，r_m表示锥形线圈中最小线圈的半径；

四个锥形线圈的匝数N及漆包铜线横截面半径r_c均相等，将每个线圈的等效半径r′_m分别代入公式(2)，即可求得源线圈与负载线圈的最优谐振频率f₁，及发射线圈与接收线圈的最优谐振频率f₂；

(2)计算源线圈和负载线圈的补偿电容C₁，及发射线圈和接收线圈的补偿电容C₂；

各个线圈的自感为：

其中，下标m＝1,2，μ₀是真空磁导率，N是线圈匝数，r′_m表示锥形线圈的等效半径，r_c是漆包铜线的横截面半径；

将各个线圈的参数分别代入公式(3)，即可得到源线圈与负载线圈的电感L₁，及发射线圈2与接收线圈的电感L₂；

线圈谐振时，谐振频率与补偿电容的关系式如下：

式中，m＝1,2，f_m表示线圈的谐振频率，L_m表示线圈的自感，将各个线圈的谐振频率与电感值分别代入公式(4)，即可得到源线圈和负载线圈的补偿电容C₁，及发射线圈和接收线圈的补偿电容C₂；

(3)计算电源最优频率f₀；

根据本发明的等效电路图，可列出每个回路的KVL方程如下：

其中，Z₁₁＝R_S+R₁+j(ωL₁-1/ωC₁)，表示源线圈的回路阻抗，Z₂₂＝R₂+j(ωL₂-1/ωC₂)，表示发射线圈的回路阻抗，Z₃₃＝R₃+j(ωL₂-1/ωC₂)，表示接收线圈的回路阻抗，Z₄₄＝R_L+R₄+j(ωL₁-1/ωC₁)，表示负载线圈的回路阻抗，M_ij(i≠j，i，j＝1,2,3,4)为线圈间互感，I_i(i＝1,2,3,4)为回路中电流，Rs为电源内阻，R₁、R₂、R₃和R₄分别为源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的内阻，R_L为负载电阻，L₁表示源线圈的电感及负载线圈的电感，L₂表示发射线圈的电感及接收线圈的电感，C₁表示源线圈的补偿电容及负载线圈的补偿电容，C₂表示发射线圈的补偿电容及接收线圈的补偿电容，ω＝2πf，f为电源频率；

通过计算可得电流间关系：

当电源内阻Rs与负载电阻R_L相等时，电源效率η与正向传输系数S₂₁之间的关系如下：

η＝|S₂₁|² (9)

正向传输系数S₂₁与电源频率f之间的关系如下：

式中，Rs与R_L分别为电源内阻和负载电阻，其余各个参数定义与公式(5)相同；

由于ω＝2πf,由式(10)可得正向传输系数S₂₁与电源频率f的关系式，当发射端与接收端之间的距离确定后，电源频率f设置在20MHz-140MHz范围内，电源频率f以步长0.01MHz为步进，将所有步进得到的频率点代入公式(10)，即可得到所有频率点对应的正向传输系数S₂₁，正向传输系数S₂₁最大值对应的频率点f，即为电源的最优频率f₀。

图3是在每个距离处本发明与传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式正向传输系数最大值的对比图，由图3可知，本发明的正向传输系数S₂₁的值在0.8-1之间浮动，而传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式的正向传输系数S₂₁的最大值在0.8附近，本发明提出的无线能量传输方式的正向传输系数值在50cm处开始下降，并且下降速度缓慢，传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式在15cm处开始下降，下降速度极快，当发射端与接收端之间距离等于35cm时，正向传输系数的值下降至0，因此，本发明提出的无线能量传输方式，传输效率与传输距离远远大于传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式。

图4是本发明与传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式正向传输系数最大时对应的频率对比图。由图4可知，传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式，每个距离处电源的最优频率在93MHz附近，本发明提出的无线能量传输方式电源的的最优频率在53.5MHz附近，在无线能量传输技术领域，电源频率越高越有利于能量由发射端传至接收端，本发明提出的无线能量传输方式，电源频率远远低于传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式的频率，但是传输距离与传输效率远远大于传统四个线圈谐振频率相同的无线能量传输方式。

本发明利用电源最优频率作为激励频率，并将每个线圈的最优谐振频率作为线圈的谐振频率，使源线圈与发射线圈最大限度的把能量由发射端传输到接收端，充分利用了线圈间交叉耦合传输能量的作用，大大提高了能量的传输效率和传输距离，实现增强型电子产品高效率、远距离的无线充电。

Claims (1)

1.一种增强型电子产品无线充电装置，其特征在于：包括发射端和接收端，发射端连接电源，接收端连接负载，所述发射端包括源线圈和发射线圈，源线圈和发射线圈的圆心在同一轴线上，且源线圈和发射线圈的起始端在同一竖直面上，所述接收端包括接收线圈和负载线圈，接收线圈和负载线圈的圆心在同一轴线上，且接收线圈和负载线圈的起始端在同一竖直面上，所述源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均采用N匝锥形线圈，其中，源线圈和负载线圈的最小半径均为r₁，发射线圈和接收线圈的最小半径均为r₂，r₁小于r₂，发射端半径小的一端对着接收端半径小的一端，发射端与接收端相互平行，圆心在同一轴线上，发射端和接收端的四个线圈均连接有补偿电容，其中，源线圈与负载线圈的补偿电容相等，发射线圈与接收线圈的补偿电容相等，通过补偿电容，使每个线圈的谐振频率均为每个线圈所在回路品质因数最大时对应的频率；

每个线圈的半径由小到大变化均匀，每个线圈终止点的半径与起始点的半径相比增量均为r₀，源线圈和负载线圈的最大半径均为r₁+N·r₀，发射线圈和接收线圈的最大半径均为r₂+N·r₀；所述源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈沿各自轴心方向的匝间距相等，均为d；所述源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈均采用漆皮铜线绕制而成，漆包铜线的横截面半径为r_c；

所述增强型电子产品无线充电装置的具体设计方法包括以下步骤：

(1)计算源线圈和负载线圈的最优谐振频率f₁，及发射线圈和接收线圈的最优谐振频率f₂；

每个锥形线圈的等效半径均为：

每个锥形线圈的最优谐振频率为：

其中，下标m＝1，2，r′_m表示锥形线圈的等效半径，r₀表示每个线圈终止点半径与起始点半径相比的增量，c是光速，μ₀是真空磁导率，ρ是电阻率，N是线圈匝数，r_c是漆包铜线的横截面半径，下标c为区分作用，并非变量，r_m表示锥形线圈中最小线圈的半径；

四个锥形线圈的匝数N及漆包铜线横截面半径r_c均相等，将每个线圈的等效半径r′_m分别代入公式(2)，即可求得源线圈与负载线圈的最优谐振频率f₁，及发射线圈与接收线圈的最优谐振频率f₂；

(2)计算源线圈和负载线圈的补偿电容C₁，及发射线圈和接收线圈的补偿电容C₂；

各个线圈的自感均为：

其中，下标m＝1,2，μ₀是真空磁导率，N是线圈匝数，r′_m表示锥形线圈的等效半径，r_c是漆包铜线的横截面半径；

将各个线圈的参数分别代入公式(3)，即可得到源线圈与负载线圈的电感L₁，及发射线圈2与接收线圈的电感L₂；

线圈谐振时，谐振频率与补偿电容的关系式如下：

式中，下标m＝1,2，f_m表示线圈的谐振频率，L_m表示线圈的自感，将各个线圈的谐振频率与电感值分别代入公式(4)，即可得到源线圈和负载线圈的补偿电容C₁，及发射线圈和接收线圈的补偿电容C₂；

(3)计算电源最优频率f₀；

根据本发明的等效电路图，可列出每个回路的KVL方程如下：

其中，Z11＝RS+R1+j(ωL1-1/ωC1)，表示源线圈的回路阻抗，Z22＝R2+j(ωL2-1/ωC2)，表示发射线圈的回路阻抗，Z33＝R3+j(ωL2-1/ωC2)，表示接收线圈的回路阻抗，Z44＝RL+R4+j(ωL1-1/ωC1)，表示负载线圈的回路阻抗，M_ij(i≠j，i，j＝1,2,3,4)为线圈间互感，I_i(i＝1,2,3,4)为回路中电流，Rs为电源内阻，R₁、R₂、R₃和R₄分别为源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的内阻，R_L为负载电阻，L₁表示源线圈的电感及负载线圈的电感，L₂表示发射线圈的电感及接收线圈的电感，C₁表示源线圈的补偿电容及负载线圈的补偿电容，C₂表示发射线圈的补偿电容及接收线圈的补偿电容，ω＝2πf，f为电源频率；

通过计算可得电流间关系：

当电源内阻Rs与负载电阻R_L相等时，电源效率η与正向传输系数S₂₁之间的关系如下：

η＝|S₂₁|² (9)

正向传输系数S₂₁与电源频率f之间的关系如下：

式中，Rs与RL分别为电源内阻和负载电阻，其余各个参数定义与公式(5)相同；

由于ω＝2πf，由式(10)可得正向传输系数S₂₁与电源频率f的关系式，当发射端与接收端之间的距离确定后，电源频率f设置在20MHz-140MHz范围内，电源频率f以步长0.01MHz为步进，将所有步进得到的频率点代入公式(10)，即可得到正向传输系数S21与电源频率f的关系图，根据该关系图可得正向传输系数S21最大值对应的频率点f，此时的频率f即为电源的最优频率f₀。

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