CN207304168U - 一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了无线充电领域内的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，包括发射单元和接收单元；发射单元用以向空间发射能量信号，接收单元用以接收发射单元发出的能量信号，发射单元包括振荡器、功率放大器、电源以及发射线圈，发射线圈包括初级线圈、次级线圈以及设置在次级线圈顶部的均压器，初级线圈与功率放大器相连，其特征在于，均压器为一个剖面呈圆环状的圆环结构，均压器经至少两段圆弧结构嵌套而成，均压器展开后为一个整圆环，嵌套收缩后为一个圆弧段，本实用新型通过将均压器加工成可相互嵌套的圆环结构，使得发射方向可变，提高了能量的传输效率，可用于可穿戴式设备的无线充电中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无线供电***，特别涉及一种用于可穿戴设备的无线供电***。
背景技术
对于以特斯拉线圈为基础的无线供电***而言，其电路模型都可以简化为两个通过空气电感耦合的谐振电路，如图1所示，这个模型中的初级电路由火花间隙和与之串联的初级电容C1、初级线圈L1和电路等效电阻R1组成；其中的火花间隙代表了一切可以输出高频电压信号的元器件或电路；次级电路主要由次级线圈L2、电路等效电阻R2和次级线圈顶端的寄生电容C2组成；寄生电容C2主要由次级线圈与接收端之间的空气组成。初级电路和次级电路通过电感耦合联系在一起，其互感系数为M。
当在电路无损耗的理想状态下，次级电路中可产生的发射电压可以表达为：
；
这其中k是初级线圈和次级线圈的耦合系数而ω 1 和ω 2 是未耦合时初级线圈和次级线圈的谐振频率，叫做开路频率；T是调谐率，定义为未耦合时两谐不振频率之比的平方。V1是初级电容C1的初始电压，v 2 是产生于寄生电容C2的交变电压，w1和w2是初级线圈和次级线圈耦合时二者的谐振频率。
这个公式显示出如果L2远大于L1，即次级线圈的匝数远高于初级线圈，那么次级线圈产生的电压在零时刻将会远高于初级线圈的电压。这意味着根据此原理可以产生一种高频高压的信号，而这种信号可以帮助无线充电发射平台把更多电能传递到更远的地方。由于高频电流的趋肤效应，该实用新型发射的电能在一定的能量范围内到达人体后只会在人体皮肤表皮传导而不会深入内部，从而避免了人体触电的可能。
现有的基于磁耦合原理的无线电力传输装置普遍需要发射端与接收端紧密贴合或相距极近才能实现有效的电力传输。这就限制了一些可穿戴式设备的灵活性和可移动性。而在传统的特斯拉线圈中，其发射端的信号发生电路与电源为一体式结构，不便于维护和硬件升级以及之后的功能拓展。并且其发射天线是全向天线，不能调整发射方向，这在一定场景如墙角等处会影响传输效率。另外，传统的特斯拉线圈也缺少与之配套的可移动式接收端。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，使得能量发射方向可方便调节，且不损失传播能量。
本实用新型的目的是这样实现的：一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，包括发射单元和接收单元；所述发射单元用以向空间发射能量信号，所述接收单元用以接收发射单元发出的能量信号，所述发射单元包括振荡器、功率放大器、电源以及发射线圈，所述发射线圈包括初级线圈、次级线圈以及设置在次级线圈顶部的均压器，初级线圈与功率放大器相连，所述均压器为一个剖面呈圆环状的圆环结构，所述均压器经至少两段圆弧结构嵌套而成，所述均压器展开后为一个整圆环，嵌套收缩后为一个圆弧段。
本实用新型工作时，振荡器产生一个高频信号，通过功率放大器提升高频信号功率后传给发射天线以向空间中发射能量信号，电源为振荡器和功率放大器提供外部能源输入，接收单元可直接接收到能量信号，并将其进行储存或直接使用。与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于，本实用新型通过将均压器加工成可相互嵌套的圆环结构，使用时，可通过嵌套圆弧结构来改变能量信号的发射方向，改变发射方向的同时，由于是嵌套结构，能量强度并不会改变，从而大大提高了能量的传输效率。本实用新型可用于可穿戴式设备的无线充电中。
作为本实用新型的进一步限定，所述接收单元包括接收线圈、电感和后端电路，所述接收线圈为一根弹性金属带，弹性金属带的一端连接有电感相连，形成谐振电路，谐振电路中电感的两端作为输出端接后端电路。由于发射单元直接发射电能，所以通过弹性金属带这种导体就可以直接接收，与一些磁耦合无线传输方案中的接收端需要电容和电感来构成谐振电路不同；由于此实用新型直接接收以电场为主导的能量信号，所以不需要电容而只需要一个电感即可构成谐振网络，从而节约成本，同时还能保证能量的传输效率。
作为本实用新型的进一步限定，所述弹性金属带展开时为长条状结构，卷曲后可缠绕在身体的手腕、腿部或头部。将弹性金属带加工成长条状结构配合弹性性能，使得接收单元的穿戴更加方便。
作为本实用新型的进一步限定，所述弹性金属带的表面贴有绝缘膜。避免弹性金属带对人体皮肤造成划伤。
作为本实用新型的进一步限定，所述谐振电路中电感的一端与弹性金属带相连，电感的另一端连接有金属垫片，所述金属垫片贴合在人体皮肤上。当后端电路需要通过回路实现接收能量的应用，此时可通过金属垫片贴合在人体皮肤上实现弹性金属片→后端电路→金属垫片→人体皮肤→地的回路，金属垫片为可选装结构，根据实际需要决定是否安装。
作为本实用新型的进一步限定，所述金属垫片经卷曲后的弹性金属带压紧在弹性金属带与皮肤之间。使得金属垫片的设置更加稳定可靠。
作为本实用新型的进一步限定，所述接收单元的谐振电路与发射单元的发射频率相同。使得接收单元和发射单元处于同一谐振状态，从而提高了接收效率，即能量传输效率；实际过程中只需使谐振电路中的电感的电感值与发射线圈天线相同的电感值即可。
作为本实用新型的进一步限定，所述次级线圈的中心设置有支撑柱，所述圆弧结构经连接杆安装在支撑柱上，所述连接杆可以支撑柱为圆心绕支撑柱转动。通过连接杆配合支撑柱实现圆弧结构的转动使得均压器的展开与收缩更加方便。
作为本实用新型的进一步限定，所述电源与振荡器之间、电源与功率放大器之间、振荡器与功率放大器之间、功率放大器与初级线圈之间均采用通用接口相连。通过该接口进行连接，在保证连接可靠性的同时便于彼此分离，以方便硬件升级和***维护。
作为本实用新型的进一步限定，每段圆弧结构为等径结构，且均压器在展开或嵌套时，每段圆弧结构相互之间均有接触。等径结构保证了能量发射的稳定性，且相互接触可以更好的传输电荷。
附图说明
图1为本实用新型中发射单元示意图。
图2为本实用新型中均压器俯视示意图。
图3为本实用新型中均压器剖视图。
图4为本实用新型中接收单元示意图。
图5为本实用新型中接收单元穿戴示意图。
图6为本实用新型中弹性金属带与人体皮肤接触示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明。
如图1-6所示的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，包括发射单元和接收单元；
发射单元用以向空间发射能量信号，发射单元包括振荡器、功率放大器、电源以及发射线圈，发射线圈包括初级线圈、次级线圈以及设置在次级线圈顶部的均压器，初级线圈与功率放大器相连，电源与振荡器之间、电源与功率放大器之间、振荡器与功率放大器之间、功率放大器与初级线圈之间均采用通用接口（USB type A）相连，均压器为一个剖面呈圆环状的圆环结构，均压器经至少两段圆弧结构嵌套而成，均压器展开后为一个整圆环，嵌套收缩后为一个圆弧段，每段圆弧结构为等径结构，且均压器在展开或嵌套时，每段圆弧结构相互之间均有接触，次级线圈的中心设置有支撑柱，圆弧结构经连接杆安装在支撑柱上，连接杆可以支撑柱为圆心绕支撑柱转动；
接收单元用以接收发射单元发出的能量信号，接收单元包括接收线圈、电感和后端电路，接收单元的谐振电路与发射单元的发射频率相同，接收线圈为一根弹性金属带，弹性金属带的一端连接有电感相连，形成谐振电路，谐振电路中电感的两端作为输出端接后端电路，谐振电路中电感的一端与弹性金属带相连，电感的另一端连接有金属垫片，金属垫片贴合在人体皮肤上，金属垫片经卷曲后的弹性金属带压紧在弹性金属带与皮肤之间，弹性金属带展开时为长条状结构，卷曲后可缠绕在身体的手腕、腿部或头部，弹性金属带的表面贴有绝缘膜。
本实施例中发射天线主要由初级线圈，次级线圈和次级线圈顶部的均压器组成，初级线圈与功率放大器相连，次级线圈的外径略小于初级线圈的内径使这两个线圈可以嵌套；次级线圈与初级线圈的线圈匝数比大于100:1；顶部的均压器由4个外径逐渐增大的四分之一空心金属圆环组成，如图2-3所示；这四个圆环按外径从大到小相互嵌套，完全展开后可组成一个完整的圆环；均压器也可以向一个固定方向（如顺时针方向）收缩，直到合为一个四分之一圆环；圆环利用其表面大曲度的结构特点，使电荷可以均匀的分布于其表面上，从而实现发射信号在空间中均匀发散从而覆盖更大的传输范围；而通过调节均压器的金属圆环的收缩程度也就可以调节发射天线的主要发射方向；接收单元由接收天线和后端电路组成，其接收天线主体为金属片和定值电感；其中金属片尺寸为40cm×2.5cm，其材料为弹簧钢材，厚度小于0.5mm，从而使其可以卷曲后缠绕在人体头部、腕部、腿部等部位以起到固定作用，如图5-6所示，其伸直后便可从固定部位取下；金属片表面带有薄塑料套以避免出现划伤现象，由于高频电信号有一定的穿透性，所以厚度小于0.5mm的塑料套不会影响金属片的接收效果；而金属片类似市面上儿童玩耍用的“拍拍手腕带”，即常规状态下该手腕带时处于伸直长条状，只要将其轻轻的往手腕上一拍，该手腕带即可变为卷曲状；由于发射端直接发射电能，所以通过金属片这种导体就可以直接接收；而要提高接收效率就必须使接收端和发射端处于同一谐振状态，即接收端的谐振频率与发射端的发射频率相同；与一些磁耦合无线传输方案中的接收端需要电容和电感来构成谐振电路不同；由于此实用新型直接接收以电场为主导的能量信号，所以不需要电容而只需要一个与发射天线相同电感值的电感即可构成谐振网络；其接收端的示意图如图4所示，其中的金属垫片为可选结构，由于人体的导电性，当后端电路无法构成回路时可以通过金属垫片接触皮肤将人体也作为回路的一部分。
本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，包括发射单元和接收单元；所述发射单元用以向空间发射能量信号，所述接收单元用以接收发射单元发出的能量信号，所述发射单元包括振荡器、功率放大器、电源以及发射线圈，所述发射线圈包括初级线圈、次级线圈以及设置在次级线圈顶部的均压器，初级线圈与功率放大器相连，其特征在于，所述均压器为一个剖面呈圆环状的圆环结构，所述均压器经至少两段圆弧结构嵌套而成，所述均压器展开后为一个整圆环，嵌套收缩后为一个圆弧段。
2.根据权利要求1所述的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，其特征在于，所述接收单元包括接收线圈、电感和后端电路，所述接收线圈为一根弹性金属带，弹性金属带的一端连接有电感相连，形成谐振电路，谐振电路中电感的两端作为输出端接后端电路。
3.根据权利要求2所述的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，其特征在于，所述弹性金属带展开时为长条状结构，卷曲后可缠绕在身体的手腕、腿部或头部。
4.根据权利要求2所述的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，其特征在于，所述弹性金属带的表面贴有绝缘膜。
5.根据权利要求2所述的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，其特征在于，所述谐振电路中电感的一端与弹性金属带相连，电感的另一端连接有金属垫片，所述金属垫片贴合在人体皮肤上。
6.根据权利要求5所述的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，其特征在于，所述金属垫片经卷曲后的弹性金属带压紧在弹性金属带与皮肤之间。
7.根据权利要求2所述的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，其特征在于，所述接收单元的谐振电路与发射单元的发射频率相同。
8.根据权利要求1所述的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，其特征在于，所述次级线圈的中心设置有支撑柱，所述圆弧结构经连接杆安装在支撑柱上，所述连接杆可以支撑柱为圆心绕支撑柱转动。
9.根据权利要求1所述的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，其特征在于，所述电源与振荡器之间、电源与功率放大器之间、振荡器与功率放大器之间、功率放大器与初级线圈之间均采用通用接口相连。
10.根据权利要求1所述的一种基于特斯拉线圈的改良型无线供电***，其特征在于，每段圆弧结构为等径结构，且均压器在展开或嵌套时，每段圆弧结构相互之间均有接触。
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