CN203151239U - 一种无线能量传输*** - Google Patents

Abstract

与传统空心线圈作为载体进行能量传输方式不同，本实用新型提出了一种无线能量传输***，包括发送端和接收端，发送端包括信号发生器电源和发送线圈，接收端包括接收线圈，发送线圈和接收线圈中设有铁芯。可有效地提高目前无线能量传输***效率，并且操作简便不需要对能量传输线路进行大规模改动，设计简洁合理，使用方便安全，对人和生物没有什么伤害。本实用新型作为无线能量传输***提供一种新的提高能量传输效率方式，操作便捷，极大丰富相关专业的理论和实验佐证，具有很好的实用性，体现了创新性和安全性的要求。

Description

一种无线能量传输***

技术领域

本实用新型涉及无线电能量传输技术领域，尤其是涉及一种加入铁芯提高传输效率的无线能量传输***。

背景技术

从能量传输机制出发，现有无线能量传输技术主要分为以下三类：①电磁辐射式无线能量传输技术，又称远场无线传输技术。该技术像射频传递信号一样直接利用电磁波进行能量传输；②非辐射电磁感应式无线能量传输技术，属于近场无线传输技术，其理论依据是电磁感应定律。③非辐射电磁共振式无线能量传输技术，亦属于近场无线传输技术，根据传输媒介不同，可以分为磁共振无线能量传输技术和电场共振无线能量传输技术。该类技术利用具有相同谐振频率的谐振体，在相隔一定距离时，以磁场或电场为媒介相互耦合，产生共振，实现能量的传递。这属于无线能量传输中革命性的技术。

共振耦合式无线能量传输，最先于2006年由MIT物理学教授Marin Soljacic的研究团队提出。该团队在实验中，采用两个半径为30cm、品质因数Q=950螺旋线圈，工作频率约为9.9MHz时，作为传递能量谐振体的线圈成功点亮了距离2m的一个60w灯泡，能量传输效率为40-60%。MIT这个实验掀起了无线能量传输研究的浪潮。

MIT实验和后来大多实验中，都是以空心线圈作为载体，通过磁耦合共振的方式实现无线能量传输。

实用新型内容

在研究前人理论基础上，本实用新型提出了一种使用铁芯来提高无线能量传输效率的无线能量传输***。

本实用新型的技术方案为一种无线能量传输***，包括发送端和接收端，发送端包括信号发生器电源和发送线圈，接收端包括接收线圈，发送线圈和接收线圈中设有铁芯。

而且，发送线圈和接收线圈均为均匀密绕导线，绕制线圈的导线截面为圆形。

而且，发送线圈和接收线圈的导线采用多股漆包线。

而且，所述铁芯采用铁氧体。

本实用新型可有效地提高目前无线能量传输***效率，并且操作简便不需要对能量传输线路进行大规模改动，设计简洁合理，使用方便安全，对人和生物没有什么伤害。本实用新型作为无线能量传输***提供一种新的提高能量传输效率的方法，操作便捷，极大丰富相关专业的理论和实验佐证，具有很好的实用性，体现了创新性和安全性的要求。

附图说明

图1是本实用新型实施例的电路原理图。

图2是本实用新型实施例的***测量电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本实用新型技术方案。

随着无线能量传输***发展,越来越多的学者和专家将目光移动到中距离的无线能量传输***上来。中距离的无线能量传输技术不仅能相对高效地传输能量，而且对人和生物没有什么危害。

如图1所示，实施例提供的无线能量传输***包括发送端和接收端，发送端包括信号发生器电源、发送线圈，接收端包括接收线圈和负载。发送端的等效电路包括串联的信号发生器电源AC、发送线圈内阻、发送线圈电感和发送线圈电容，接收端的等效电路包括串联的接收线圈内阻、接收线圈电感和接收线圈电容。其中K12表示线圈间的耦合参数，发送线圈电容和接受线圈内阻相等即R，发送线圈电容和接受线圈电感相等即L，发送线圈电容和接受线圈电容相等即C。发送线圈和接收线圈中设有铁芯。线圈的特征为均匀密绕导线，绕制线圈的每股导线截面为圆形。

加铁芯后的无线能量传输***，采用共振耦合的方式进行能量传输。实施例的***包括信号发生器型号为RIGOL互感线圈（加铁芯的发送线圈和接收线圈），带电容的主回路以及带电容和负载的副回路，传递的能量将线圈的共振耦合感应点亮负载灯光，并且光亮程度比空心线圈要好，从而实现了能量的传输并且提高了能量传输的效率。

为了接通过增大磁导率进行增大线圈的电感，以提高品质因数获得高的能量传输效率，线圈可采用多股的漆包线，每股截面都为圆形。

为实施参考起见，基于无线能量传输***，实用新型进一步提供确定如何加铁芯的测试电路。如图2所示，测试电路包括发送回路、接收回路和示波器，发送回路包括串联的信号发生器、发送线圈及发送电容，信号发生器与示波器相连；接收回路包括串联的接收线圈、接收电容及负载，负载两端并联灯泡，接收线圈与接收电容串联后连接示波器。

具体本实用新型实施例的测试电路主要包含以下部分：

1.信号发生器部分（与示波器相连），其型号为RIGOL，为整个***提供电压源，通过电压源给主回路供电来为整个***提供工作功率和能量，所以此信号发生器相当于输入信号，但在后面的计算中输入信号的功率为电压源功率减去信号发生器内阻消耗掉的功率。通过为整个***提供一个电压源，经过滤器的测量和记录，计算好两个回路的功率，为测传输效率提供了一个很好的途径。

2.互感线圈（加铁芯的发送线圈和接收线圈），这是本实用新型最主要创新的关键部分。以前的实验和研究中都采用的是空心线圈，本实用新型采用的是加入铁芯后的线圈，通过依次改变两个线圈里铁芯的数量情况来观察示波器输入信号和输出信号的相对变化，通过两个线圈的共振耦合实现了主回路和副回路线圈能量的传输。

3.带电容的主回路以及带电容和负载的副回路部分，通过观察示波器输入信号和输出信号的变化，确定最大传输效率时输入信号和输出信号的关系，用以明确输出功率和输入功率的关系。主回路主要提供了发送功率，副回路主要提供了接收功率，都可以通过示波器的记录得到较为精确的结果。

以下对各部分提供详细说明以便实施参考：

①互感线圈（加铁芯的发送线圈和接收线圈）

发送线圈所属主回路，接收线圈所属副回路。根据阻尼比公式或品质因数公式：

$\mathrm{\ξ}=\frac{R\sqrt{C}}{2\sqrt{L}}$ $Q=\frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(1\right)$

（其中R、C、L依次为发送线圈谐振电阻、谐振电容和谐振电感，）。由于高品质因数Q有利于传输效率的提高，故在谐振电阻和谐振电容为定值保持不变的情况下，只有提高线圈电感L，才能减小阻尼比ξ或增大品质因数Q，才能使能量输送效率η越强。

螺旋线圈的电感L可用下列公式表达：

$L=N^{2}r{\mathrm{\μ}}_0[\ln \left(\frac{8r}{a}\right)-1.75]---\left(2\right)$

其中，μ0为空心线圈磁导率（相当于真空磁导率），r为螺旋线圈的半径，N为螺旋线圈的匝数，a为线圈导线的半径。如果在螺旋线圈中加入某些高磁导率的铁芯材料，磁导率几乎呈线性增加，这样磁导率会增大上万倍，谐振电感也会增大上万倍，经过品质因数公式计算后Q也会增大上百倍，这样就比较有效地提高了***传输效率。故加入铁芯对无线能量传输效率有非常可观的影响。

电工行业中常采用硅钢作为铁芯材料，但它仅限于工频f=50Hz，且它会随着使用频率的增高在内部产生涡流。涡流的产生，一方面会导致铁芯温度升高进而损坏线圈绝缘材料，另一方面涡流发热会损耗额外的能量，降低能量传输的效率。涡流的电流密度在越靠近导体表面处越大（不是均匀分布），这种涡流倾向于集中在导体表面的效应称为趋肤效应。又由公式

$R=\mathrm{\ρ}\frac{l}{S}---\left(3\right)$

其中R为螺旋线圈的电阻，ρ为线圈导线的电阻率（此实验选用电阻率较高的黄铜作为导线材料），l为线圈的总长度，S为导线的横截面积。

由于涡流的存在，使得硅钢在高频方面的应用受到限制，现在得到迅速发展的是一种非金属磁性材料—铁氧体。它由三氧化二铁（Fe2O3）和其他二价的金属氧化物（如NiO，ZnO，MnO等）的粉末混合烧结而成,属于小磁损、低矫顽力、高磁导率、高电阻率和高饱和磁感应强度的氧化物磁性材料。它的一个重要特征就是在较高的频率时也能有高的磁导率。

采用可获得高磁导率、小矫顽力、小剩磁，又能在频率较高时正常工作的铁氧体作为铁芯材料。

在空心线圈中加入的铁氧体磁芯材料长宽高数值为10cm×6cm×6cm。

②电信号发生器型号为RIGOL部分

信号发生器型号为EE1642B1部分，为整个***提供电压源，通过电压源给主回路供电来为整个***提供工作功率和能量，所以此信号发生器相当于输入信号。

③带电容的主回路以及带电容和负载的副回路部分，用以明确输出功率和输入功率的关系；

在本实验中选用多股的漆包线进行线圈的制作，匝数为10圈，每圈的半径15cm，自制的两个线圈之间的垂直距离为80cm，其中电容选用的陶瓷电容容量较小，选用15pF电容，在本研究内容中信号发生器其阻值是固定的,由于信号平均功率P-U²/R，那么功率的度量就可以由信号的电压U来决定，在此选取信号的电压有效值进行分析来代替对发生信号的能量分析。

首先对附图2中的电路进行分析，在接收端可以得到:

$\mathrm{Pi}=\frac{\mathrm{Vs}-\mathrm{Vi}}{\mathrm{Rs}}\×\mathrm{Vi}$ $\mathrm{Po}=\frac{{\mathrm{Vo}}^2}{\mathrm{Ro}},$

其中Vs表示不连接发送线圈时信号发生器两端的输出电压，Vi表示连接发送线圈和接收线圈时信号发生器两端的输出电压，Vo表示副回路负载两端输出电压，Rs和Ro分别表示发生器自身内阻和副回路负载的电阻；Pi和Po分别表示发送线圈和接收线圈（负载）两端的输出功率。

可以求出传输效率:

$\mathrm{\η}=\left(\frac{P_o}{P_i}\right)\×100\%$

整个***的运行过程现说明如下：

首先***上信号发生器提供电源给主回路，通过铁芯线圈的耦合作用，能量传递到副回路，使副回路的负载正常工作。明显提高了空心线圈的能量传输效率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种无线能量传输***，其特征在于：包括发送端和接收端，发送端包括信号发生器电源和发送线圈，接收端包括接收线圈，发送线圈和接收线圈中设有铁芯。

2.根据权利要求1所述无线能量传输***，其特征在于：发送线圈和接收线圈均为均匀密绕导线，绕制线圈的导线截面为圆形。

3.根据权利要求2所述无线能量传输***，其特征在于：发送线圈和接收线圈的导线采用多股漆包线。

4.根据权利要求1或2或3所述无线能量传输***，其特征在于：所述铁芯采用铁氧体。

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