專利名稱：一種高品質(zhì)因數(shù)的無線能量傳輸設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能量傳輸領域，特別是一種高品質(zhì)因數(shù)的無線能量傳輸設備。
背景技術：
室內(nèi)安裝一個電磁能量發(fā)射源，就可通過無線傳輸為室內(nèi)照明、為手提電腦或手 機等各種用電設備供電。這便是無線能量傳輸。是繼紅外，藍牙，無線上網(wǎng)之后，除去用電 設備與電源之間最后一根導線的技術。無線能量傳輸是二十世紀早期由Nikola Tesla提出的，其方案的傳輸距離可達數(shù) 公里以上，但因發(fā)射設備龐大，分布區(qū)域過大，難以管理而逐漸被放棄。利用紅外、微波、中 短波為能量載體的方法是近十年才提出來的。利用紅外線為載體，在“發(fā)射”和“傳輸”方 面有較大的優(yōu)越性，但“光電轉換效率”差，穿透性差，易被中間物體阻隔而無法實現(xiàn)無線傳 輸。利用GHz頻段的微波雖傳輸效率較高，但微波會被人體吸收，造成危害。由于中短波 (MHz)具有不易被人體吸收，穿透性較好的特點，故在無線傳輸研究中得到越來越廣泛的關 注。目前通過弱電感耦合的方法已基本實現(xiàn)了能量的無線傳輸，但驅動電路多采用考 畢茲電路(Colpitts oscillator)，功率較低，效率不高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個發(fā)明目的在于提供一種無線能量傳輸設備，以解決現(xiàn)有技術在無 線能量傳輸功率較低，效率不高的技術問題。本發(fā)明的第二個發(fā)明目的在于提供一種測試無線能量傳輸設備系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)的 測試方法。為實現(xiàn)本發(fā)明的第一個發(fā)明目的采用以下技術方案一種無線能量傳輸設備，所述設備包括采用第一諧振結構的發(fā)射端和第二諧振結 構的接收端，脈沖信號輸入發(fā)射端并通過無線方式傳輸?shù)浇邮斩?，所述發(fā)射端還包括用于 控制脈沖信號與第一諧振結構連接或斷開的開關電路。通過增加開關電路，以自動調(diào)節(jié)發(fā) 射頻率，維持在系統(tǒng)的固有頻率下工作，使系統(tǒng)效率始終達到最高。作為一種優(yōu)選方案，所述開關電路包括依次連接的多諧震蕩模塊，單穩(wěn)震蕩模塊 和開關模塊；脈沖信號經(jīng)過多諧震蕩模塊調(diào)節(jié)脈沖周期，經(jīng)過單穩(wěn)震蕩模塊調(diào)節(jié)脈沖寬度，并 由開關模塊控制脈沖信號與第一諧振結構的連接或斷開。作為一種優(yōu)選方案，所述第一諧振結構包括互相連接的第一電感和第一電容，所 述第二諧振結構包括互相連接的第二電感和第二電容。作為進一種優(yōu)選方案，所述第一電感與/或第二電感為由導線繞制的螺線管線圈。作為更一步的優(yōu)選方案，所述導線由多股漆包絕緣線絞合制成。
作為再進一步的優(yōu)選方案，所述漆包絕緣線由銅線通過絕緣線包裹制成。作為一種優(yōu)選方案，所述第一電容與/或第二電容為可變電容。作為進一步的優(yōu)選方案，所述第一電容與/或第二電容品質(zhì)因數(shù)Q值彡2000。作為再進一步的優(yōu)選方案，所述第一電容與/或第二電容以聚四氟乙烯為介質(zhì)把 銅箔梳狀疊合而成。本發(fā)明的第二個發(fā)明目的采用的技術方案如下一種用于測試權利要求1所述無線能量傳輸設備中的系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)的測試方法， 其特征在于，所述方法包括(1)示波器連接在發(fā)射端的第一電容兩端；(2)示波器的測量圖像中取N個周期，記錄每個周期的振幅An_AiN ；(3)通過以下公式計算單次測試品質(zhì)因數(shù)Qi (i為測試次數(shù)) (4)重復步驟(2)-(3) M次得到…， (5)系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)本發(fā)明通過采用開關電路驅動，可根據(jù)不同發(fā)射端自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使發(fā)射端 始終在Q值最高的狀態(tài)下工作，大幅提高無線能量傳輸效率。
圖1為本發(fā)明原理圖；圖2為開關電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行進一步詳細的說明。圖1為本發(fā)明原理圖，k和(^組成的LC振蕩電路為發(fā)射端，用開關電路驅動；L2 和C2組成接收端，動發(fā)光二極管(k和L2均為用導線繞制的螺線管線圈)。q和C2為可調(diào) 電容。利用k和L2之間的弱耦合可實現(xiàn)能量的無線傳輸。本實施例對現(xiàn)有技術的改進主要包括三個部分驅動電路，電感線圈和高Q值可 變電容。1.驅動電路目前考畢茲電路被廣泛應用于無線傳輸研究中，但此電路受諸多限制，功率難以 提高，元件極易損壞，效率不高。最重要的一點是難以準確捕捉并且達到發(fā)射端振蕩系統(tǒng)的頻率。由于發(fā)射系統(tǒng)的 振蕩頻率是由發(fā)射端的電容、電感k和負載共同決定的，三者任一改變都會直接影響發(fā) 射系統(tǒng)的固有頻率。如果人工捕捉系統(tǒng)固有頻率，由于系統(tǒng)受到外接測試儀器的影響，頻率 又會改變。并且，由于無線傳輸系統(tǒng)的接收端作為負載，也會對發(fā)射端的固有頻率帶來影 響。隨著接收端用電狀況的不斷改變，發(fā)射端的固有頻率也會不斷改變。因此使用傳統(tǒng)方式不可能完全準確測量或計算得到系統(tǒng)固有頻率。如果系統(tǒng)無法精確的以固有頻率工作， 則品質(zhì)因數(shù)Q值越高，效率越低。而如圖1所示采用了開關電路作為驅動電路，則解決了這一問題。本實施例無需 捕捉系統(tǒng)的固有頻率，即使固有頻率在不斷變化，本系統(tǒng)仍會自動調(diào)節(jié)發(fā)射頻率，維持在固 有頻率下工作，使系統(tǒng)效率始終達到最高。開關電路控制脈沖信號與(^山電路的連接或斷開，在脈沖信號與(^山電路連接 時，脈沖信號注入CpLi電路，然后開關電路控制脈沖信號與^、!^電路斷開，則發(fā)射端中的 LC震蕩的頻率是由其自身固有頻率決定的。如圖2所示為開關電路的具體示意圖，包括多諧震蕩模塊，單穩(wěn)震蕩模塊和開關 模塊。脈沖信號的功率通過多諧震蕩模塊和單穩(wěn)震蕩模塊進行調(diào)節(jié)，開關模塊通過閉合與 斷開控制脈沖信號與CpLi電路的連接與斷開。通過以上兩個模塊所得到的脈沖信號，對發(fā)射模塊注入能量。在開關模塊處于斷 開狀態(tài)期間，發(fā)射端中的LC震蕩的頻率是由其自身固有頻率決定的。在注入能量后給予了 發(fā)射模塊充分的時間依據(jù)自身性質(zhì)來發(fā)射電磁波。可以通過在發(fā)射端系統(tǒng)接入示波器觀察 震蕩的衰減速率，Q值越高，衰減越慢，那么開關斷開的時間也就可以越長，越節(jié)能。因此系 統(tǒng)在Q值最高狀態(tài)工作，效率最高。而固有頻率這一性質(zhì)則由發(fā)射模塊，負載，環(huán)境等復雜 因素決定。正因為實際問題非常復雜，無法確定。那么發(fā)射頻率就由線圈自己決定，從而極 大簡化了問題。現(xiàn)有技術中，系統(tǒng)只有在其固有頻率下工作，才能達到其最高的Q值，而Q值越高， 衰減越慢，那么開關斷開的時間也就可以越長，越節(jié)能！應該說，追求固有頻率下工作，完 全是為了提高效率。另一個方面講，系統(tǒng)Q值越高，那么對系統(tǒng)的要求也越高。高Q值系統(tǒng)也是一把“雙 刃劍”，就是說，在Q值較高的系統(tǒng)中，如果其工作頻率與固有頻率差一點，都會對系統(tǒng)效率 有極大影響。反而在Q值較低的系統(tǒng)中，對頻率的準確性的要求較低，但是低Q值的系統(tǒng)， 效率很低。所以追求高Q值系統(tǒng)，就必在系統(tǒng)固有頻率下工作，兩者缺一不可。而本發(fā)明發(fā)明 則無需使系統(tǒng)在固有頻率下工作也能達到高Q值，從而提高了效率。應用開關電路驅動發(fā)射端中的LC震蕩電路，具有如下優(yōu)點 普適因為開關電路供給發(fā)射線圈脈沖信號，所以使任何發(fā)射線圈在該電路中 都能以固有諧振頻率振蕩，系統(tǒng)振蕩頻率完全取決于發(fā)射端的電容Cp電感k和負載。系 統(tǒng)可在最大Q值狀態(tài)下工作。 節(jié)能電路工作于開關狀態(tài)，在高Q值、弱耦合的情況下，諧振衰減緩慢，可多個 周期才驅動一次，減少驅動電路的能量損耗。 節(jié)約應用開關電路，避免了人工控制頻率過程。電路簡單，成本低廉。 可調(diào)輸出功率由驅動脈沖寬度控制，無需改變脈沖高度和發(fā)射回路參數(shù)即可 大幅度調(diào)節(jié)輸出電壓振幅，振幅可遠超過電源電壓。
Q值測算準確——利用示波器測量衰減波形由于高Q值大電流的電感和電容 在普通測量Q值的儀器上很難得到準確的測量值(特別是在工作頻率上)，本實施例直接用 示波器測量自由振動衰減過程的振幅值K,并用下式計算發(fā)射系統(tǒng)綜合Q值。
5 測試方式如下(1)示波器連接在發(fā)射端的Q兩端；(2)示波器的測量圖像中取10個周期，記錄每個周期的振幅An-AilQ ；(3)通過以下公式計算單次測試品質(zhì)因數(shù)Qi (i為測試次數(shù)) (4)重復步驟(2)-(3) 10 次得到 …，Q10 ；
10(5)系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù) 2.電感線圈k和1^2均為用導線繞制的螺線管線圈，導線則用多股漆包絞合線制成，目的是為 了減小趨膚效應和渦流效應。交變電流通過導體時，引起導體截面上電流分布不均勻，愈近導體表面電流密度 越大。趨膚效應使導體的有效電阻增加。頻率越高，趨膚效應越顯著。當頻率很高的電流 通過導線時，可以認為電流只在導線表面上很薄的一層中流過，這等效于導線的截面減小， 電阻增大。通常通電導線內(nèi)部會伴隨著一定程度的渦流效應，會引起導線發(fā)熱，效率降低等 損耗。而本發(fā)明的無線能量傳輸系統(tǒng)離不開高頻的交變電流。如果是單股導線，則會導致 較強的趨膚效應和渦流效應。針對上述傳統(tǒng)工藝的弊端，本發(fā)明使用了多種的多股漆包絞合線-包括但不限于銅箔，純銅線；-包括但不限于4股的絞合線，100股的絞合線，1000股的絞合線。多股漆包絞合線的導線橫截面積相同的條件，用于制作接收和發(fā)射端的電感線 圈，用以提高傳輸效率。漆包絞合線就是把漆包絕緣線絞合在一起，用以有效降低趨膚效 應、渦流效應，抗干擾性好，電磁場傳播距離較遠的導線。極大減小了趨膚效應和渦流效應 的影響，十分有效的提高了系統(tǒng)效率。3.高Q值可變電容目前電子市場上能買到的可調(diào)電容皆為pF級電容，且Q值很低，品質(zhì)不好。即使 同批生產(chǎn)的電容各方面屬性也不完全相同。本發(fā)明采用的電容(；和仏為高Q值電容器。該電容用聚四氟乙烯為介質(zhì)把銅箔 梳狀疊合而成，調(diào)節(jié)銅箔間相對面積就可以改變電容值，此電容的Q值可達2000以上。具體實施方法電源部分使用9V干電池或220V市電兩種方式來驅動開關電路，擁有便攜或長期 作為輸出電源使用這兩種選擇。在開關電路的開關模塊閉合期間，發(fā)出脈沖，占空比極低， 并且占空比、脈沖寬度可根據(jù)實際情況調(diào)整，脈沖寬度決定充入能量的大小。此階段由開關 電路為電容充電。脈沖結束后開關模塊斷路，注入電容器的能量此時開始釋放，在發(fā)射線圈 和儲能電容間高頻振蕩。此時的振蕩頻率即為受到發(fā)射端的電容器、電感線圈和負載(負載包括線路的電阻，接收端線圈和用電器)三方面共同影響的系統(tǒng)的固有頻率。系統(tǒng)在固 有頻率下工作即達到諧振最強的狀態(tài)，從根本上最大化了無線能量傳輸系統(tǒng)的效率。振蕩 衰減到一定程度后，電路給出下一個脈沖，重復上述過程。根據(jù)Q值不同的系統(tǒng)，脈沖的周 期可以自由調(diào)節(jié)，若系統(tǒng)Q值較高，則在釋放能量期間振蕩周期較多，衰減慢，那么調(diào)高脈 沖周期可給予高Q值系統(tǒng)更大的發(fā)揮空間，提高效率節(jié)約大量能量。若系統(tǒng)Q較低，則在釋 放能量期間振蕩周期少，衰減快，需減小脈沖周期以適應用電器的需要。為進一步提高系統(tǒng)效率，發(fā)射和接受電感線圈均使用多股漆包絞合線，極大減小 了趨膚效應和渦流效應，有效提高了系統(tǒng)效率。同時，高Q值大容量可調(diào)電容不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。更重要的是其電 容量可調(diào)節(jié)，可根據(jù)負載端用電器的不同要求改變?nèi)萘俊Ｊ瓜到y(tǒng)達到最佳工作狀態(tài)。上述已經(jīng)描述了本發(fā)明的若干實施例。盡管如此，應當理解的是，可以在不脫離本 發(fā)明精神和范圍的前提下做出各種修改，如采用一個發(fā)射端多個接收端，或者一個接收端 多個發(fā)射端，或者多個發(fā)射端多個接收端，仍然在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
一種高品質(zhì)因數(shù)的無線能量傳輸設備，所述設備包括采用第一諧振結構的發(fā)射端和第二諧振結構的接收端，脈沖信號輸入發(fā)射端并通過無線方式傳輸?shù)浇邮斩?，其特征在于，所述發(fā)射端還包括用于控制脈沖信號與第一諧振結構連接或斷開的開關電路。
2.根據(jù)權利要求1所述的無線能量傳輸設備，其特征在于，所述開關電路包括依次連 接的多諧震蕩模塊，單穩(wěn)震蕩模塊和開關模塊；脈沖信號經(jīng)過多諧震蕩模塊調(diào)節(jié)脈沖周期，經(jīng)過單穩(wěn)震蕩模塊調(diào)節(jié)脈沖寬度，并由開 關模塊控制脈沖信號與第一諧振結構的連接或斷開。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的無線能量傳輸設備，其特征在于，所述第一諧振結構包 括互相連接的第一電感和第一電容，所述第二諧振結構包括互相連接的第二電感和第二電 容。
4.根據(jù)權利要求3所述的無線能量傳輸設備，其特征在于，所述第一電感與/或第二電 感為由導線繞制的螺線管線圈。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的無線能量傳輸設備，其特征在于，所述導線由多股漆包絕 緣線絞合制成。
6.根據(jù)權利要求5所述的無線能量傳輸設備，其特征在于，所述漆包絕緣線由銅線通 過絕緣線包裹制成。
7.根據(jù)權利要求3所述的無線能量傳輸設備，其特征在于，所述第一電容與/或第二電 容為可變電容。
8.根據(jù)權利要求3或7所述的無線能量傳輸設備，其特征在于，所述第一電容與/或第 二電容品質(zhì)因數(shù)Q值彡2000。
9.根據(jù)權利要求8所述的無線能量傳輸設備，其特征在于，所述第一電容與/或第二電 容以聚四氟乙烯為介質(zhì)把銅箔梳狀疊合而成。
10.一種用于測試權利要求1所述無線能量傳輸設備中的系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)的測試方法， 其特征在于，所述方法包括(1)示波器連接在發(fā)射端的第一電容兩端；(2)示波器的測量圖像中取N個周期，記錄每個周期的振幅Ail-Affl；(3)通過以下公式計算單次測試品質(zhì)因數(shù)Qi(i為測試次數(shù)) (4)重復步驟(2)-(3)M次得到Q1,-,Qm； (5)系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)
全文摘要
本發(fā)明涉及能量傳輸領域，特別是一種高品質(zhì)因數(shù)的無線能量傳輸設備，所述設備包括采用第一諧振結構的發(fā)射端和第二諧振結構的接收端，脈沖信號輸入發(fā)射端并通過無線方式傳輸?shù)浇邮斩?，所述發(fā)射端還包括用于控制脈沖信號與第一諧振結構連接或斷開的開關電路。本發(fā)明通過采用開關電路驅動，可根據(jù)不同發(fā)射端自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使發(fā)射端始終在Q值最高的狀態(tài)下工作，大幅提高無線能量傳輸效率。
文檔編號H02J17/00GK101854086SQ20101016927
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權日2010年4月30日
發(fā)明者朱允中, 李一倫, 林少鵬, 沈文斌, 王彪 申請人:中山大學