專利名稱：無線電能傳輸實驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線電能傳輸實驗系統(tǒng)。特別是涉及一種傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸功率 大，調(diào)節(jié)方便的無線電能傳輸實驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自從1840年發(fā)現(xiàn)利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象及導(dǎo)線可以傳輸電能至今，電能的傳輸主要 是由導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行傳輸?shù)摹ｋ姽ぴO(shè)備的充電一般是通過插頭和插座來進(jìn)行，但是在進(jìn) 行大功率充電時，這種充電方式存在高壓觸電的危險。且由于存在摩擦和磨損，系統(tǒng)的安 全性、可靠性及使用壽命較低，特別是在化工、采礦等一些易燃、易爆領(lǐng)域，極易引發(fā)大的事 故。新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)原理、電力電子技術(shù)以及控制理論相結(jié)合，實現(xiàn) 了電能的無線傳輸，完全克服了以上限制。根據(jù)電能傳輸原理，無線電能傳輸大致上可以分為三類第一類是變壓器原理的 直接耦合式，這種方式功率雖然較大，但是僅適于近距離；第二類電波無線能量傳輸技術(shù)， 直接利用電磁波能量可以通過天線發(fā)射和接收的原理，這種方式雖然實現(xiàn)了長距離和大功 率能量的傳輸，但是能量傳輸受方向限制，也不能繞過障礙物，并且損耗較大，對人體和其 它生物都有嚴(yán)重傷害；第三類是非輻射耦合諧振方式，該技術(shù)可以在有障礙物的情況下傳 輸，傳輸距離也比較遠(yuǎn)，傳輸功率也較大，而且對人體沒有傷害。綜上所述，第三種電能傳輸方式有著很大的開發(fā)潛力，但是這種技術(shù)的研究在國 內(nèi)外還處在起步階段。所以研制基于諧振耦合的電能無線傳輸實驗系統(tǒng)尤顯重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提出了一種傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸功率大，調(diào)節(jié)方便的 無線電能傳輸實驗系統(tǒng)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，包括有寬帶線性功放 模塊，還設(shè)置有正弦信號發(fā)生電路，用于產(chǎn)生與電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)諧振頻率相 同頻率的正弦波；電磁發(fā)射系統(tǒng)，用于產(chǎn)生高頻磁場；電磁接收系統(tǒng)，用于接收電磁發(fā)射系 統(tǒng)產(chǎn)生的高頻磁場并將其變成電能供給負(fù)載。所述的寬帶線性功放模塊包括有接收正弦信號發(fā)生電路所發(fā)出的正弦信號的50 歐阻抗匹配負(fù)載，即輸入變壓器T1，輸入變壓器1\接收到信號傳輸?shù)缴漕lMOSFET模塊，將該 信號進(jìn)行功率放大；該寬帶線性功放模塊屬于射頻功放的A類放大，具有很好的線性特征。所述的正弦信號發(fā)生電路由MAX038芯片和外圍電路組成，設(shè)置有調(diào)頻模塊，結(jié)構(gòu) 簡單，使用方便；通過調(diào)節(jié)與MAX038管腳REF相連的可調(diào)電阻RPl的阻值可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸 出信號的頻率，用來跟蹤電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)模塊的諧振頻率；通過調(diào)節(jié)可調(diào)電 阻RP2的阻值可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出信號的幅值。所述的電磁發(fā)射系統(tǒng)由電磁激發(fā)線圈和電磁發(fā)射線圈組成，電磁激發(fā)線圈是一個 單匝線圈；電磁激發(fā)線圈與寬帶線性功放模塊的輸出連接，由寬帶線性功放模塊產(chǎn)生的高頻交流電壓提供能量產(chǎn)生同頻率的交流高頻磁場；該高頻磁場與電磁發(fā)射線圈通過直接耦 合使其產(chǎn)生強(qiáng)度更大的磁場發(fā)射出去。所述的電磁接收系統(tǒng)由電磁接收線圈和電磁耦合線圈組成，電磁接收線圈是和電 磁發(fā)射線圈具有相同的諧振頻率，通過諧振耦合方式接收電磁激發(fā)線圈的電磁能量；電磁 耦合線圈是一個單匝線圈，該線圈與電磁接收線圈是通過耦合方式取能的；電磁耦合線圈 連接負(fù)載向負(fù)載提供能量。本發(fā)明的無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，是一種傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸功率大，調(diào)節(jié)方便的新 型無線傳輸系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)通電工作后，通過調(diào)節(jié)正弦信號發(fā)生電路使其輸出頻率改變到系 統(tǒng)的諧振頻率時，系統(tǒng)達(dá)到最大的傳輸功率和傳輸距離。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或者距離發(fā) 生變化，也可以通過調(diào)節(jié)信號的輸出頻率很快找到最佳和傳輸效果。該實驗系統(tǒng)功放模塊 可以在1. 6MHZ-30MHZ范圍內(nèi)頻率可調(diào)，而且輸出具有很好的線性度。故該系統(tǒng)不但驗證 了實現(xiàn)了 witricity技術(shù)的正確性，而且具有進(jìn)行二次開發(fā)的特性，為進(jìn)一步研究電能的 無線傳輸提供了設(shè)備基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖；圖2是正弦信號發(fā)生電路原理圖；圖3是寬帶線性功放模塊原理圖；其中1:正弦信號發(fā)生電路4:電磁接收系統(tǒng)2:寬帶線性功放模塊5:負(fù)載3:電磁發(fā)射系統(tǒng)
具體實施例方式本發(fā)明提供一種傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸功率大，調(diào)節(jié)方便的無線電能傳輸實驗系統(tǒng)。該 系統(tǒng)為進(jìn)一步研究電能的無線傳輸提供了設(shè)備基礎(chǔ)。下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的無 線電能傳輸實驗系統(tǒng)做出詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明的無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，包括有正弦信號發(fā)生電路1，還設(shè) 置有寬帶線性功放模塊2，用于接收正弦信號并將其進(jìn)行功率放大；電磁發(fā)射系統(tǒng)3，用于 接收寬帶線性功放模塊2產(chǎn)生的具有一定功率的高頻正弦交流電能，將其轉(zhuǎn)化成高頻交流 磁場；電磁接收系統(tǒng)4，由于電磁發(fā)射系統(tǒng)3具有相同諧振頻率的電感和電容組成，用于接 收電磁發(fā)射系統(tǒng)3發(fā)出的高頻磁場并將其轉(zhuǎn)化成電能。由于采用了諧振耦合技術(shù)，使得電 能無線傳輸功率和距離得到較大幅度的提高，又由于采用了非輻射電磁耦合技術(shù)，使得輻 射損耗降到最低，提高了傳輸效率同時使系統(tǒng)對人及其他生物體沒有危害。如圖1所示，所述的電磁發(fā)射系統(tǒng)3由電磁激發(fā)線圈和電磁發(fā)射線圈組成，電磁激 發(fā)線圈是一個單匝線圈，按照與寬帶線性功放模塊2共軛匹配的原則由漆包線繞制而成； 電磁激發(fā)線圈與寬帶線性功放模塊的輸出連接，由寬帶線性功放模塊產(chǎn)生的高頻交流電壓 提供能量產(chǎn)生同頻率的交流高頻磁場；該高頻磁場與電磁發(fā)射線圈通過直接耦合使其產(chǎn)生 強(qiáng)度更大的磁場發(fā)射出去。
如圖1所示，所述的電磁接收系統(tǒng)4由電磁接收線圈和電磁耦合線圈組成，電磁接 收線圈是和電磁發(fā)射線圈具有相同的諧振頻率，通過諧振耦合方式接收電磁激發(fā)線圈的電 磁能量；電磁耦合線圈是一個單匝線圈，由漆包線繞制而成，該線圈與電磁接收線圈是通過 耦合方式取能的；電磁耦合線圈連接負(fù)載向負(fù)載提供能量。如圖2所示，所述的正弦信號發(fā)生電路1由MAX038芯片和外圍電路組成，設(shè)置有 調(diào)頻模塊，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；通過調(diào)節(jié)與MAX038管腳REF相連的可調(diào)電阻RPl的阻值可 以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出信號的頻率，用來跟蹤電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)模塊的諧振頻率。通 過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP2的阻值可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出信號的幅值。如圖3所示，所述的寬帶線性功放模塊2，由射頻MOSFET和外圍電路構(gòu)成功率放 大模塊；負(fù)反饋和輸入阻抗匹配使系統(tǒng)具有較大的增益和較小的反饋損耗；寬帶輸入變壓 器的原邊與副邊的變比為4 1，具有50歐姆的阻抗，使的輸入的信號具有很小的反饋。 +Ve用于調(diào)節(jié)MOSFET的靜態(tài)工作點(diǎn)，一般應(yīng)該調(diào)到3V左右為宜，這時MOSFET的靜態(tài)電流為 150mA ；+Vdd處提供50V直流電，該電源還要接一個扼流線圈L3。本發(fā)明與現(xiàn)有的無線電能傳輸最大區(qū)別如下三點(diǎn)(1)本發(fā)明的高頻電源由信號發(fā)生單元和信號功率放大單元組成，電源頻率完全 由信號發(fā)生電路來調(diào)節(jié)，具有很好的調(diào)節(jié)特性；(2)功放模塊采用A類MOSFET射頻電路，使得電路產(chǎn)生較高頻率、較大功率的電 源；(3)電能無線傳輸采用非輻射諧振耦合技術(shù)，使傳輸效率和傳輸距離有了較大幅 度的提高。綜上所述，本發(fā)明所述無線電能傳輸實驗系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是(1)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便，適合實驗系統(tǒng)的開發(fā)和進(jìn)一步利用；(2)傳輸?shù)墓β屎托时容^高，應(yīng)用范圍更廣；(3)傳輸?shù)木嚯x較大，進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用的場合。以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有局限性，附圖中所 示的也只是本發(fā)明的實施方式之一。所以如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離 本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用其它形式的同類部件或其它形式的各部件布局方式，不經(jīng) 創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案相似的技術(shù)方案與實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，包括有寬帶線性功放模塊(2)，其特征在于，還設(shè)置有正弦信號發(fā)生電路(1)，用于產(chǎn)生與電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)諧振頻率相同頻率的正弦波；電磁發(fā)射系統(tǒng)(3)，用于產(chǎn)生高頻磁場；電磁接收系統(tǒng)(4)，用于接收電磁發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻磁場并將其變成電能供給負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的寬帶線性功放 模塊(2)包括有接收正弦信號發(fā)生電路(1)所發(fā)出的正弦信號的50歐阻抗匹配的負(fù)載，即 輸入變壓器(T1),輸入變壓器(T1)接收到正弦信號傳輸?shù)缴漕lMOSFET模塊(BLF175)，將該 正弦信號進(jìn)行功率放大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的電磁發(fā)射系統(tǒng)(3)由電磁激發(fā)線圈和電磁發(fā)射線圈組成，電磁激發(fā)線圈是一個單匝線圈，按照與寬帶線性 功放模塊2共軛匹配的原則由漆包線繞制而成；電磁激發(fā)線圈與寬帶線性功放模塊(2)的 輸出連接，由寬帶線性功放模塊(2)產(chǎn)生的高頻交流電壓提供能量產(chǎn)生同頻率的交流高頻 磁場；該高頻磁場與電磁發(fā)射線圈通過直接耦合使其產(chǎn)生強(qiáng)度更大的磁場發(fā)射出去。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的電磁接收系統(tǒng)(4)由電磁接收線圈和電磁耦合線圈組成，電磁接收線圈和電磁發(fā)射線圈具有相同的諧振 頻率，通過諧振耦合方式接收電磁激發(fā)線圈的電磁能量；電磁耦合線圈是一個單匝線圈，由 漆包線繞制而成，該線圈與電磁接收線圈是通過耦合方式取能的；電磁耦合線圈連接負(fù)載 向負(fù)載提供能量。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，包括有正弦信號發(fā)生電路、寬帶線性功放模塊、電磁發(fā)射系統(tǒng)、電磁接收系統(tǒng)、負(fù)載五個部分。該系統(tǒng)屬于電磁場理論及工程應(yīng)用領(lǐng)域，解決了電能在中距離無線傳輸?shù)墓β屎托蕟栴}。正弦信號發(fā)生電路產(chǎn)生所需要的波形，而且頻率可調(diào)；寬帶線性功放模塊將正弦信號發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦信號的功率放大，以驅(qū)動電磁發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生高頻交變磁場；電磁接收系統(tǒng)要和發(fā)射系統(tǒng)的線圈達(dá)到相同的諧振頻率以最大限度捕獲磁場能量并將其轉(zhuǎn)化成電能提供給負(fù)載。本發(fā)明的無線電能傳輸實驗系統(tǒng)電源利用效率高，在生物醫(yī)學(xué)、電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、水下作業(yè)、冶金礦山等領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用前景。
文檔編號H02J17/00GK101969237SQ20101053242
公開日2011年2月9日 申請日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者張獻(xiàn), 李陽, 楊慶新, 肖朝霞 申請人:天津工業(yè)大學(xué)