CN203261134U - 一种频率可调式无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种频率可调式无线电能传输装置，包括可调有源晶振阵列、多级放大电路、能量发射***、能量接收***和整流稳压匹配***；所述可调有源晶振阵列作为信号源，用于产生不同能量传输频率的高频小信号；所述级放大电路用于将可调有源晶振阵列产生的高频小信号进行逐级放大，为能量发射***提供能量；所述能量发射***用于产生高频电磁能量场；所述能量接收***用于接收能量发射***产生的高频电磁能量场，并将其转化为高频电能；所述整流稳定匹配电路用于将能量接收***转化后高频电能进行整流稳压，以匹配负载所需电能。本实用新型装置具有频率选择性强、操作简单等特点，是频率可调式无线电能传输***走向工程化的新突破。

Description

一种频率可调式无线电能传输装置

技术领域

本实用新型涉及一种信号多级放大式无线电能传输装置，尤其涉及一种远距离、电磁谐振式、频率可方便调节的多级放大式无线电能传输装置。 

背景技术

近年来，随着人们生活水平的不断提高和探索物质世界的逐渐深入，人们对电能的传输方式和传输质量也有了新的要求。传统的电能传输主要是由导线或导体直接接触进行的，接触产生的火花、滑动磨损、碳积累及带电导体裸露等带来了一系列问题。无线电能传输是一种利用无线电传输电能的技术，最早由尼古拉特斯拉提出，与传统的电能传输方式相比，无线电能传输的过程中供电和用电之间不存在电的直接连接，避免了裸露导体和接触火花，具有使用安全、方便等优点，因而受到了广大研究工作者的关注和重视。无线电能传输技术应用领域非常广泛，特别是在军事、矿山、水下、医疗、石油、交通等特殊和恶劣环境下具有广泛的应用前景。因此，对于无线电能传输技术的研究有着非常深远的意义。 

目前，随着无线电能传输技术研究的不断升温及其相关应用领域的不断拓宽，越来越多的科学家对此项技术给予了足够的肯定。但是国内外现有的无线电能传输***多半为电源频率不可调节***，还有一部分无线电能传输***通过冗繁的控制芯片与算法来实现部分频带内的频率可调，可这些***适用性差，控制电路算法冗繁且操作起来很复杂，造价很高，在工程应用中越来越不被看好。 

实用新型内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种频率可调式无线电能传输装置，通过有源晶振阵列中有源晶振的自动切换来调节无线电能传输***的传输频率，并通过小信号逐级放大电路，达到大功率、长距离电能输送的目的。 

技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为： 

一种频率可调式无线电能传输装置，包括可调有源晶振阵列、多级放大电路、能量发射***、能量接收***和整流稳压匹配***，能量发射***和能量接收***谐振式耦合；所述可调有源晶振阵列作为信号源，用于产生不同能量传输频率的高频小信号；所述多级放大电路用于将可调有源晶振阵列产生的高频小信号进行逐级放大，为能量发射***提供能量；所述能量发射***用于产生高频电磁能量场；所述能量接收***用于接收能量发射***产生的高频电磁能量场，并将其转化为高频电能；所述整流稳定匹配电路用于将能量接收***转化后高频电能进行整流稳压，以匹配负载所需电能。 

由于无线电能传输***传输效率、功率及传输距离与***谐振频率密切相关，故通过调节信号源的固有频率，可改变电能传输距离的远近、传输效率的高低以及传输功率的大小。频率可调式有源晶振阵列可产生不同频率的电源信号，通过多级放大电路逐级将信号放大，使得最终输出的功率可达到数百瓦甚至上千瓦（三级推挽放大电路最终输出功能够达到300W以上）。 

优选的，所述可调有源晶振阵列包括若干对应于不同电能传输要求（比如电能传输的距离、功率以及效率等）的有源晶振，通过电磁互锁、自锁控制电路控制有源晶振的选定。可根据无线电能传输***所需传输距离、输出功率、传输频率等要求任意添加或删减具有不同晶振频率的有源晶振的个数。比如设计信号源频率可从1M～30M自由选择，为无线电能传输***提供合适的、稳定的高频正弦信号源。 

优选的，所述可调有源晶振阵列还包括频率选择面板，所述频率选择面板上设置有若干选择按钮，所述选择按钮通过控制电路一一对应于有源晶振的控制开关。使用时，只需按下选择按钮，即可实现多种晶振信号源间的切换，操作简洁明了，方便***不同传输频率能量的高效传输；具有调节方便、安全快捷等优势，且能力损耗小，在生物医学、智能家居、水下作业、交通运输、冶金矿山等领域均有着巨大的应用前景。当根据无线电能传输***所需传输距离、输出功率、传输频率等要求任意添加或删减具有不同晶振频率的有源晶振的个数时，只需在频率选择面板及控制电路中做相应的增加或删减按钮开关及电磁开关即可完成频带增加或减少的功能。 

优选的，所述频率选择面板为非磁性铝制面板。频率选择面板是一种可视化的设计。 

优选的，所述电磁互锁、自锁控制电路采用机械式防火花电磁继电器直接进行连接；每一个有源晶振均对应一个机械式防火花电磁继电器，有源晶振的控制开关与对应的机械式防火花电磁继电器常开触点组成自锁式供电电路，同时该机械式防火花电磁继电器的常开触点与其余所有有源晶振的机械式防火花电磁继电器的常闭触点串联连接，构成互锁电路；方便晶振选择时任意切换不同频率的有源晶振。 

优选的，所述多级放大电路为多级晶体管式放大电力电子电路（比如三级推挽放大电路），为了尽量减小***推挽放大时每级放大电路的反射功率，需调节每级放大电路中的调节电阻，使得每级放大电路的输入阻抗为50欧姆，相邻级放大电路之间通过50欧姆同轴传输电缆相连，避免因阻抗不匹配导致的反射功率对***总体输出功率的影响。 

所述能量发射***和能量接收***均可设计为由可调真空陶瓷电容与多砸螺旋空心铜管串联组成的结构；优选的，所述能量发射***由能量发射线圈和发送用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节发送用高频陶介调谐电容调节能量发送***的谐振频率； 所述的能量接收***由能量接收线圈和接收用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节接收用高频陶介调谐电容调节能量接收***的谐振频率；工作时，信号源的频率、能量发送***的谐振频率和能量接收***的谐振频率相同。相同频率的调节，能够使能量发射***和能量接收***间产生超高速电磁耦合场，通过谐振式磁耦合无线电能传输，使得放大后的大功率高频能量能高效的供给负载。 

本案提供的无线电能传输装置，是一种可根据用户实际要求选择合适***能量传输频率进行远距离，大功率能量无线传输且频率调节方便的无线电能传输***。当有源晶振选择完成后，通过多级放大电路，对有源晶振产生的高频小信号进行逐级放大，并调节能量发射***及能量接收***的谐振频率，使上述三者频率达到一致，达到能量长距离、大功率、高效传输的最佳效果。当***参数发生变化或者能量传输距离改变时，可通过选择合适的有源晶振并调节能量发射***及能量接收***的谐振频率能很快找到最佳传输效果。该***传输频率可在1M～30M自由选择，多级放大效果明显。 

故本实用新型不仅提供了一种新的无线电能传输***初始能量方案，同时频率选择性强，且操作极其简单，是频率可调式无线电能传输***走向工程化的新突破。 

有益效果：本实用新型提供的频率可调式无线电能传输装置，具有如下优势：1、结构简单，可根据用户及传输指标的需要选择合适的无线电能传输信号频率，且调节极其方便，且采用有源晶振作为信号源，频率稳定，可适用于长距离、大功率无线电能传输***，工程应用性强；2、采用多级晶体管式放大电力电子电路作为信号的放大环节，功耗低，放大线性度好，可根据实际放大功率的要求，随机增减放大电路的级数，适用性强；3、采用电磁谐振式无线电能传输***对电能进行隔离式传输，安全性好，且传输距离长，效率高，应用范围更广。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图； 

图2为可调有源晶振阵列的结构示意图； 

图3为频率选择面板的结构示意图； 

图4为可调有源晶振阵列的部分控制电路结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。 

如图1所示为一种频率可调式无线电能传输装置，包括可调有源晶振阵列、多级放大电路、能量发射***、能量接收***和整流稳压匹配***，能量发射***和能量接收***谐振式耦合；所述可调有源晶振阵列作为信号源，用于产生不同能量传输频率的高频小信号；所述多级放大电路用于将可调有源晶振阵列产生的高频小信号进行逐级放大， 为能量发射***提供能量；所述能量发射***用于产生高频电磁能量场；所述能量接收***用于接收能量发射***产生的高频电磁能量场，并将其转化为高频电能；所述整流稳定匹配电路用于将能量接收***转化后高频电能进行整流稳压，以匹配负载所需电能。 

所述能量发射***和能量接收***均设计为由可调真空陶瓷电容与多砸螺旋空心铜管串联组成的结构；具体的，所述能量发射***由能量发射线圈和发送用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节发送用高频陶介调谐电容调节能量发送***的谐振频率；所述的能量接收***由能量接收线圈和接收用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节接收用高频陶介调谐电容调节能量接收***的谐振频率；工作时，信号源的频率、能量发送***的谐振频率和能量接收***的谐振频率相同。相同频率的调节，能够使能量发射***和能量接收***间产生超高速电磁耦合场，通过谐振式磁耦合无线电能传输，使得放大后的大功率高频能量能高效的供给负载。 

所述多级放大电路为多级晶体管式放大电力电子电路，具体为三级推挽放大电路，每级放大电路的输入阻抗为50欧姆，相邻级放大电路之间通过50欧姆同轴传输电缆相连。 

如图2所示，所述可调有源晶振阵列包括若干对应于不同电能传输要求（电能传输要求，比如电能传输的距离、功率以及效率等）的有源晶振，用于控制有源晶振选定的电磁互锁、自锁控制电路，可调有源晶振阵列还包括频率选择面板。所述频率选择面板为非磁性铝制面板，如图3所示，所述频率选择面板上设置有若干选择按钮，所述选择按钮通过控制电路一一对应于有源晶振的控制开关。 

如图2、图4所示，所述电磁互锁、自锁控制电路采用机械式防火花电磁继电器直接进行连接；每一个有源晶振均对应一个机械式防火花电磁继电器，有源晶振的控制开关与对应的机械式防火花电磁继电器常开触点组成自锁式供电电路，同时该机械式防火花电磁继电器的常开触点与其余所有有源晶振的机械式防火花电磁继电器的常闭触点串联连接，构成互锁电路。 

本案的无线电能传输装置具有如下特点：1、通过调节信号源频率来改变***传输频率，通过电磁继电器主电路及控制电路，达到选择合适有源晶振频率的目的，从而选择合适的***能量传输谐振频率；2、无线电能传输***能量发生源由有源晶振与多级晶体管式放大电力电子电路组成，信号放大线性度好，效率高，信号源频率可在1M～30M自由选择，能够为无线电能传输***提供合适的、稳定的高频正弦信号源；3、传输频率通过频率选择面板一键式调节，操作简单，无需外加控制芯片电路即可实现由有源晶振发出的稳定的***传输频率，且频率选择采用电磁继电器直接控制，安全方便，且可 靠性高；4、采用电磁谐振耦合方式进行能量的无线传输，且能量接收***中通过能量耦合线圈与能量接收线圈的感应耦合，将能量接收线圈中的大电流电能隔离引出，减小了将负载直接与能量接收线圈连接所带来的负载匹配及频率不稳定等问题，从而影响了无线电能传输***的传输距离与输出功率； 

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。 

Claims (8)

1.一种频率可调式无线电能传输装置，其特征在于：包括可调有源晶振阵列、多级放大电路、能量发射***、能量接收***和整流稳压匹配***，能量发射***和能量接收***谐振式耦合；所述可调有源晶振阵列作为信号源，用于产生不同能量传输频率的高频小信号；所述多级放大电路用于将可调有源晶振阵列产生的高频小信号进行逐级放大，为能量发射***提供能量；所述能量发射***用于产生高频电磁能量场；所述能量接收***用于接收能量发射***产生的高频电磁能量场，并将其转化为高频电能；所述整流稳定匹配电路用于将能量接收***转化后高频电能进行整流稳压，以匹配负载所需电能。 

2.根据权利要求1所述的频率可调式无线电能传输装置，其特征在于：所述可调有源晶振阵列包括若干对应于不同电能传输要求的有源晶振，通过电磁互锁、自锁控制电路控制有源晶振的选定。 

3.根据权利要求2所述的频率可调式无线电能传输装置，其特征在于：所述可调有源晶振阵列还包括频率选择面板，所述频率选择面板上设置有若干选择按钮，所述选择按钮通过控制电路一一对应于有源晶振的控制开关。 

4.根据权利要求3所述的频率可调式无线电能传输装置，其特征在于：所述频率选择面板为非磁性铝制面板。 

5.根据权利要求2所述的频率可调式无线电能传输装置，其特征在于：所述电磁互锁、自锁控制电路采用机械式防火花电磁继电器直接进行连接；每一个有源晶振均对应一个机械式防火花电磁继电器，有源晶振的控制开关与对应的机械式防火花电磁继电器常开触点组成自锁式供电电路，同时该机械式防火花电磁继电器的常开触点与其余所有有源晶振的机械式防火花电磁继电器的常闭触点串联连接，构成互锁电路。 

6.根据权利要求1所述的频率可调式无线电能传输装置，其特征在于：所述多级放大电路为多级晶体管式放大电力电子电路，每级放大电路的输入阻抗为50欧姆，相邻级放大电路之间通过50欧姆同轴传输电缆相连。 

7.根据权利要求1所述的频率可调式无线电能传输装置，其特征在于：所述能量发射***由能量发射线圈和发送用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节发送用高频陶介调谐电容调节能量发送***的谐振频率；所述的能量接收***由能量接收线圈和接收用高频陶介调谐电容串联组成，通过调节接收用高频陶介调谐电容调节能量接收***的谐振频率；工作时，信号源的频率、能量发送***的谐振频率和能量接收***的谐振频率相同。 

8.根据权利要求根据权利要求1所述的频率可调式无线电能传输装置，其特征在于：所述多级放大电路为三级推挽放大电路。 

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