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CN104600877A - 一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置 - Google Patents

一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置 Download PDF

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CN104600877A
CN104600877A CN201510079454.7A CN201510079454A CN104600877A CN 104600877 A CN104600877 A CN 104600877A CN 201510079454 A CN201510079454 A CN 201510079454A CN 104600877 A CN104600877 A CN 104600877A
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毛世通
魏国
逯仁贵
宋凯
李阳
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Abstract

一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，属于无线电能传输技术领域，本发明为解决现有无线电能传输技术受到接收端位置角度等限制传输性能较低的问题。本发明包括能量发射装置和多个能量接收装置，能量发射装置包括直流电源、高频电源、能量激励线圈、能量发射线圈和发射端谐振电容，每个能量接收装置均包括能量接收线圈、接收端谐振电容、负载线圈和能量处理电路，能量发射线圈和能量接收线圈均包括三个平面式线圈，三个平面式线圈的空间所在平面两两正交；高频电源产生的交变电流工作频率、发射端谐振腔体的固有频率和接收端谐振腔体的固有频率相同。本发明用于人体植入设备、便携式移动设备以及无线传感器网络节点的能量供给。

Description

一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域。
背景技术
无线电能传输技术是通过非实体介质实现电能传输的一种新型电能技术，而磁耦合谐振式无线电能传输技术最早由MIT的科研小组提出并通过实验装置实现，同时成功点亮两米处的60W的灯泡。这种技术受到越来越多的学者重视，为实现远程中小功率设备供电成为了可能。
无线电能传输方式一般分为三种：电磁波式无线电能传输、磁场感应式无线电能传输和磁耦合共振式无线电能传输技术。对于第三种传输方式，现有的磁耦合谐振式无线电能传输技术对传输系统的发射端和接收端之间大多以平面直绕式线圈为主，其对线圈之间的相对位置要求比较苛刻，并且接收端自身的角度变化也会影响电能的传输效果，因此成为了这一技术的进一步应用的障碍。
发明内容
本发明目的是为了解决现有无线电能传输技术受到接收端位置角度等限制传输性能较低的问题，提供了一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置。
本发明所述一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，它包括能量发射装置和多个能量接收装置；能量发射装置将电能转换为高频的变化磁场，多个能量接收装置将空间中接收到的磁场转换为电能然后为负载充电；接收端与发射端之间的相对位置能够自由变化；
所述能量发射装置包括直流电源、高频电源、能量激励线圈、能量发射线圈和发射端谐振电容，直流电源将电流输出至高频电源，高频电源将直流电转换成高频形式的交变电流，然后将高频形式的交变电流输出至能量激励线圈，能量激励线圈在空间中形成初级磁场，并为能量发射线圈提供磁场形式的能量，能量发射线圈和发射端谐振电容构成发射端谐振腔体，在初级磁场的激励下发生谐振，产生用于电能传输的磁场能量；
所述能量发射线圈包括三个平面式线圈，三个平面式线圈的空间所在平面两两正交；
每个能量接收装置均包括能量接收线圈、接收端谐振电容、负载线圈和能量处理电路，能量接收线圈和接收端谐振电容构成接收端谐振腔体，接收端谐振腔体在磁场能量的作用下产生共振，在能量接收线圈中产生共振磁场，负载线圈在共振磁场内以感应电流的形式接收磁场能量，负载线圈与能量处理电路相连接，能量处理电路根据负载将负载线圈中的磁场能量进行转换，实现对负载充电；
所述能量接收线圈包括三个平面式线圈，三个平面式线圈的空间所在平面两两正交；
所述高频电源产生的交变电流的工作频率、发射端谐振腔体的固有频率和接收端谐振腔体的固有频率均相同。
本发明的优点：本发明所述的一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，解决了现有无线电能传输装置中当接收端空间的相对位置和自身角度发生变化时与磁场能量发生装置之间的耦合系数变小造成接收能量降低的问题。本发明的发射线圈和接收线圈为三个在空间上相互正交的线圈组合而成，具有三自由度的无指向性。发射线圈能够在三个维度上产生磁场空间，保证接收端在各个位置都能接收到磁场能量；接收端能够在任意角度中实现磁场的有效接收。利用这种结构的无线电能传输装置的接收端在较大的空间位置、任意角度下都能实现电能的稳定传输，并实现对多个用电设备同时供电。进一步完成对移动式和手持式用电设备的远程供电，方便用户使用。本发明适用于人体植入设备、便携式移动设备以及无线传感器网络节点的能量供给。
附图说明
图1是本发明所述一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置的结构示意图；
图2是三个平面式线圈所在平面同时为圆形时能量发射线圈的结构示意图；
图3是三个平面式线圈所在平面为两个圆形和一个方形时能量发射线圈的结构示意图；
图4是三个平面式线圈所在平面为两个方形和一个圆形时能量发射线圈的结构示意图；
图5是三个平面式线圈所在平面同时为方形时能量发射线圈的结构示意图；
图6是采用线圈间分布式电容作为谐振电容时的发射端谐振电容和接收端谐振电容的一种结构示意图；
图7是采用线圈间分布式电容作为谐振电容时的发射端谐振电容和接收端谐振电容的另一种结构示意图；
图8是采用集中式电容器作为谐振电容时的发射端谐振电容和接收端谐振电容的一种结构示意图；
图9是采用集中式电容器作为谐振电容时的发射端谐振电容和接收端谐振电容的另一种结构示意图；
图10是采用集中式电容器作为谐振电容时的发射端谐振电容和接收端谐振电容的另一种结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，它包括能量发射装置和多个能量接收装置；能量发射装置将电能转换为高频的变化磁场，多个能量接收装置将空间中接收到的磁场转换为电能然后为负载10充电；接收端与发射端之间的相对位置能够自由变化；
所述能量发射装置包括直流电源1、高频电源2、能量激励线圈3、能量发射线圈4和发射端谐振电容5，直流电源1将电流输出至高频电源2，高频电源2将直流电转换成高频形式的交变电流，然后将高频形式的交变电流输出至能量激励线圈3，能量激励线圈3在空间中形成初级磁场，并为能量发射线圈4提供磁场形式的能量，能量发射线圈4和发射端谐振电容5构成发射端谐振腔体，在初级磁场的激励下发生谐振，产生用于电能传输的磁场能量；
所述能量发射线圈4包括三个平面式线圈，三个平面式线圈的空间所在平面两两正交；
每个能量接收装置均包括能量接收线圈6、接收端谐振电容7、负载线圈8和能量处理电路9，能量接收线圈6和接收端谐振电容7构成接收端谐振腔体，接收端谐振腔体在磁场能量的作用下产生共振，在能量接收线圈6中产生共振磁场，负载线圈8在共振磁场内以感应电流的形式接收磁场能量，负载线圈8与能量处理电路9相连接，能量处理电路9根据负载10将负载线圈8中的磁场能量进行转换，实现对负载10充电；
所述能量接收线圈6包括三个平面式线圈，三个平面式线圈的空间所在平面两两正交；
所述高频电源2产生的交变电流的工作频率、发射端谐振腔体的固有频率和接收端谐振腔体的固有频率均相同。
本实施方式中，能量发射线圈4和发射端谐振电容5构成谐振腔体结构，由于其固有频率与交变电流和初级磁场的一致，所以在初级磁场的激励下发生谐振，产生较大的电流和电压，并产生了用于电能传输的传输磁场。
本实施方式中，能量发射线圈4包括三个平面式线圈，三个平面式线圈的空间所在平面两两相互正交，工作时在三个方向上形成空间磁场，对于在磁场有效范围内的接收端都能接收到传输磁场。接收端与发射端之间的相对位置能够自由变化。
本实施方式中，所述能量发射装置中的高频电源2可以与能量激励线圈3相连接，也可以直接与发射端谐振腔体相连接。能量接收装置中的能量处理电路9可以与负载线圈8相连接，也可以与接收端谐振腔体相连接。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述构成能量发射线圈4或能量接收线圈6的三个平面式线圈，线圈之间均通过抽头采用串联、并联或混和联接的方式连接。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述能量激励线圈3在空间上位于能量发射线圈4的内部或外部，负载线圈8在空间上位于能量接收线圈6的内部或外部。
具体实施方式四：下面结合图6-图10说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，发射端谐振电容5和接收端谐振电容7的结构相同，均采用集中式电容器或线圈间的分布式电容作为谐振电容。
具体实施方式五：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述能量发射线圈4和能量接收线圈6的结构相同，三个平面式线圈全部为圆形，且直径相同。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述能量发射线圈4和能量接收线圈6的结构相同，三个平面式线圈采用完全相同的三个椭圆形。
具体实施方式七：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述能量发射线圈4和能量接收线圈6的结构相同，三个平面式线圈全部为正四边形，且边长相等。
具体实施方式八：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述能量发射线圈4和能量接收线圈6的结构相同，三个平面式线圈为正四边形和圆形的组合，且正四边形的边长和圆形的直径相等。
本实施方式中，平面式线圈包括圆形、方形、椭圆形和菱形。三个平面式线圈可以同时为圆形，可以为两圆一方，可以为两方一圆，可以同时为方形，也可以使其他形状及其相互之间的任何组合。
本发明的工作原理：能量发射装置包括直流电源1、高频电源2、能量激励线圈3、能量发射线圈4和发射端谐振电容5。
直流电源1与市电连接，输出直流电能，或直接由电池提供。直流电与高频电源2相连，将直流电转化为高频交流电能。能量激励线圈3由多股或单股电线绕制而成，能量激励线圈3的两个抽头与高频交流电源相连。
能量发射线圈4置于能量激励线圈3的有效磁场范围内，或能量激励线圈3置于能量发射线圈4内部。能量发射线圈4为三个线圈组合而成。
三个线圈中每个线圈的线束截面积远小于线圈所围成的面积，即
s×n＜＜S
其中s为单股线圈的线径截面积，n为线圈匝数，S为线圈所围成的面积。
若线圈为圆形，则：
s×n＜＜πR2
其中R为所围成的圆形线圈半径。
若线圈为方形，则：
s×n＜＜D2
其中D为所围成的方形边长。
所述组成能量发射线圈4的三个线圈中，形状可以不同，为圆形型、方形、椭圆形或者长方形的各种组合。线圈所在平面横向尺寸和纵向尺寸相同，保证线圈在空间相互组合时能够有效相交。例如方形线圈和圆形线圈相互组合时，方形线圈边长等于圆形线圈直径。其中一个线圈所在平面与另一个线圈的所在平面相垂直，并且相交线同时为两个线圈的对称轴。第三个线圈的所在平面同时与第一和第二线圈所在平面垂直，并且垂直交线为第三个线圈所在平面图形的横向对称轴和纵向对称轴(如图2-图5)。
单个线圈抽头处负责与其他线圈进行连接，三个相互组合的线圈之间可以通过串联、并联以及混联的方式进行组合。若利用线圈间分布电容作为发射线圈的谐振电容，则构成发射线圈的三个线圈连接方式有串联方式或并联方式(如图6-图7)，如果利用谐振电容器作为发射线圈电容的谐振电容，则三个线圈之间的连接方式有串联、并联以及混联等形式，并且引出与谐振电容器相连接的连接端子(图8-图10)。连接端子直接与谐振电容相连。发射端线圈以及电容形成的谐振腔体的固有频率为：
L发射为三个线圈组合而成的发射线圈的等效总电感，C发射为匹配的谐振电容或分布电容的容值。
所述的能量接收线圈6同样由三个线圈组合而成，其组合方式以及电容连接方法与发射端发射线圈类似。接收线圈尺寸可小于发射线圈尺寸。接收线圈与电容器或自身分布电容所构成的谐振腔体的固有频率为：
L接收为接收端三个线圈组合而成的接收线圈的等效总电感，C接收为匹配的谐振电容或分布电容的容值。其中f发射＝f接收，并且电能发射端的高频交流电源与发射谐振腔体和接收谐振腔体的固有频率一致。
负载线圈由单股或多股电线绕制而成，置于接收线圈的有效磁场范围内，空间上可置于接收线圈外部或接收线圈内部。负载线圈的两个抽头与电能处理电路的输入端相连。电能处理电路负责将负载线圈两端的交流形式的电能转化为用电负载能够接收到的能量，其输出端与用电负载的输入端相连。

Claims (8)

1.一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，其特征在于，它包括能量发射装置和多个能量接收装置；能量发射装置将电能转换为高频的变化磁场，多个能量接收装置将空间中接收到的磁场转换为电能然后为负载(10)充电；接收端与发射端之间的相对位置能够自由变化；
所述能量发射装置包括直流电源(1)、高频电源(2)、能量激励线圈(3)、能量发射线圈(4)和发射端谐振电容(5)，直流电源(1)将电流输出至高频电源(2)，高频电源(2)将直流电转换成高频形式的交变电流，然后将高频形式的交变电流输出至能量激励线圈(3)，能量激励线圈(3)在空间中形成初级磁场，并为能量发射线圈(4)提供磁场形式的能量，能量发射线圈(4)和发射端谐振电容(5)构成发射端谐振腔体，在初级磁场的激励下发生谐振，产生用于电能传输的磁场能量；
所述能量发射线圈(4)包括三个平面式线圈，三个平面式线圈的空间所在平面两两正交；
每个能量接收装置均包括能量接收线圈(6)、接收端谐振电容(7)、负载线圈(8)和能量处理电路(9)，能量接收线圈(6)和接收端谐振电容(7)构成接收端谐振腔体，接收端谐振腔体在磁场能量的作用下产生共振，在能量接收线圈(6)中产生共振磁场，负载线圈(8)在共振磁场内以感应电流的形式接收磁场能量，负载线圈(8)与能量处理电路(9)相连接，能量处理电路(9)根据负载(10)将负载线圈(8)中的磁场能量进行转换，实现对负载(10)充电；
所述能量接收线圈(6)包括三个平面式线圈，三个平面式线圈的空间所在平面两两正交；
所述高频电源(2)产生的交变电流的工作频率、发射端谐振腔体的固有频率和接收端谐振腔体的固有频率均相同。
2.根据权利要求1所述的一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，其特征在于，所述构成能量发射线圈(4)或能量接收线圈(6)的三个平面式线圈，线圈之间均通过抽头采用串联、并联或混和联接的方式连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，其特征在于，所述能量激励线圈(3)在空间上位于能量发射线圈(4)的内部或外部，负载线圈(8)在空间上位于能量接收线圈(6)的内部或外部。
4.根据权利要求1所述的一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，其特征在于，发射端谐振电容(5)和接收端谐振电容(7)的结构相同，均采用集中式电容器或线圈间的分布式电容作为谐振电容。
5.根据权利要求1所述的一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，其特征在于，所述能量发射线圈(4)和能量接收线圈(6)的结构相同，三个平面式线圈全部为圆形，且直径相同。
6.根据权利要求1所述的一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，其特征在于，所述能量发射线圈(4)和能量接收线圈(6)的结构相同，三个平面式线圈采用完全相同的三个椭圆形。
7.根据权利要求1所述的一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，其特征在于，所述能量发射线圈(4)和能量接收线圈(6)的结构相同，三个平面式线圈全部为正四边形，且边长相等。
8.根据权利要求1所述的一种具有侧移适应性和旋转适应性的无线电能传输装置，其特征在于，所述能量发射线圈(4)和能量接收线圈(6)的结构相同，三个平面式线圈为正四边形和圆形的组合，且正四边形的边长和圆形的直径相等。
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