專利名稱：基于磁共振陣列的無線能量傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線能量傳輸系統(tǒng)，尤其是一種基于磁共振陣列的無線能量傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，無線能量傳輸技術(shù)有三個(gè)研究方向，分別為微波/激光方式無線能量傳輸、 感應(yīng)耦合能量傳輸和磁共振耦合式無線能量傳輸。微波/激光方式無線能量傳輸技術(shù)是利用微波源或者激光源把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉ɑ蛘呒す猓缓笥商炀€發(fā)射出去。該技術(shù)的缺點(diǎn)是高功率輻射對發(fā)射裝置的定向性要求極高，且產(chǎn)生的電磁輻射/激光光束對人和動物造成巨大危害。感應(yīng)耦合能量傳輸技術(shù)是將兩個(gè)線圈放置在鄰近位置上，當(dāng)電流在一個(gè)線圈中流動時(shí)產(chǎn)生的磁通量作為媒介，導(dǎo)致另一個(gè)線圈中產(chǎn)生電動勢。該技術(shù)的缺點(diǎn)是難以克服距離的限制，能量傳輸距離只能在1 cm以內(nèi)。磁共振耦合式無線能量傳輸技術(shù)根據(jù)兩個(gè)具有相同諧振頻率的物體能夠耦合，而與環(huán)境中其他非諧振物體的相互作用很小，可以在非輻射場通過諧振耦合的方式實(shí)現(xiàn)中距離能量的傳輸。然而，磁共振無線能量傳輸技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中最大的困難在于磁共振線圈的調(diào)諧。傳統(tǒng)的磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)如圖1所示，由原級部分1和次級部分2組成，原級部分1由主功率變換器3、原級諧振電容4、原級磁感應(yīng)線圈5和原級磁共振單元6，次級部分由功率控制器7、次級諧振電容8、次級磁感應(yīng)線圈9和次級磁共振單元10，主功率變換器3的輸出端分別連接原級諧振電容4的兩端，該原級諧振電容4的兩端還分別連接原級磁感應(yīng)線圈5的首端、末端，該原級磁共振單元6間隔設(shè)置在原級磁感應(yīng)線圈5的前方且由一個(gè)原級磁共振線圈和一個(gè)原級共振調(diào)諧電容組成，其中該原級磁共振線圈的首端、末端分別連接該原級共振調(diào)諧電容的兩端；該次級磁共振單元10間隔設(shè)置在次級磁感應(yīng)線圈9的前方且由一個(gè)次級磁感應(yīng)線圈和一個(gè)次級共振調(diào)諧電容，其中該次級磁感應(yīng)線圈的首端、末端分別連接次級共振調(diào)諧電容的兩端，該次級磁感應(yīng)線圈9的首端、末端分別連接次級諧振電容8的兩端且次級諧振電容8的兩端還分別連接功率控制器的輸入端。傳統(tǒng)的磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)的工作原理為在原級部分1，主功率變換器1接收工頻交流且將該工頻交流變換為高頻諧振形式的能量(即電壓和電流)，傳輸給由原級諧振電容4和原級磁感應(yīng)線圈5組成的原級諧振回路，高頻諧振形式的能量在該原級諧振回路中激發(fā)諧振并且在原級磁感應(yīng)線圈5的周圍產(chǎn)生高頻交流磁場，在該高頻交流磁場的作用下，原級磁共振單元6與次級磁共振單元10之間產(chǎn)生磁共振，實(shí)現(xiàn)將能量從原級部分1 傳輸至次級部分2。在次級部分接收到能量后，次級磁共振單元10的周圍產(chǎn)生高頻交流磁場，在高頻交流磁場的作用下次級磁感應(yīng)線圈9產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并且在由次級磁感應(yīng)線圈9和次級諧振電容8組成的次級諧振回路中形成諧振，感應(yīng)電動勢通過功率控制器向負(fù)載輸出。
在磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)中由于磁共振線圈的品質(zhì)因素較高，因此要求原級部分的激勵(lì)頻率與磁共振線圈的固有振蕩頻率非常接近，通常容許的偏差不能超過幾百Hz， 才能保證整個(gè)傳輸系統(tǒng)的有效工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于磁共振陣列的無線能量傳輸系統(tǒng)，極大地減小了激勵(lì)頻率在選擇上的困難度，解決了磁共振線圈調(diào)諧困難的問題，并且提高了系統(tǒng)使用的靈活 性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于磁共振陣列的無線能量傳輸系統(tǒng)，其包括原級部分和次級部分，其中所述原級部分(1)包括主功率變換器(3)、原級諧振電容 (4)和原級磁感應(yīng)線圈(5)，其中所述主功率變換器(3)的輸出端分別連接所述原級諧振電容(4)的兩端，所述原級諧振電容(4)的兩端還連接所述原級磁感應(yīng)線圈(5)的首端、末端；
所述次級部分(2)包括次級磁感應(yīng)線圈(9)、次級諧振電容(8)和功率控制器(7)組成， 其中所述次級磁感應(yīng)線圈(9)的首端、末端分別連接所述次級諧振電容(8)的兩端，所述次級諧振電容(8)的兩端還連接所述功率控制器(7)的輸入端；
其特征在于所述原級部分(1)還包括原級磁共振陣列(6’)且所述次級部分(2)還包括次級磁共振陣列(10’)，所述原級磁共振陣列(6’ )和所述次級磁共振陣列(10’)均由多個(gè)磁共振單元組成，每個(gè)磁共振單元均由一個(gè)磁共振線圈和共振調(diào)諧電容組成，其中所述磁共振線圈的首端、末端分別連接所述共振調(diào)諧電容的兩端。所述原級部分(1)中所述原級諧振電容(4)、原級磁感應(yīng)線圈(5)分別與所述次級部分(2 )中所述次級諧振電容(8 )、次級磁感應(yīng)線圈(9 )完全相同。所述原級部分(1)中所述原級磁共振陣列(6’)與所述次級部分(1)中所述次級磁共振陣列(10’)完全相同。所述原級磁共振陣列(6’)與次級磁共振陣列(10’)中所有磁共振單元的理論固有頻率相同。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是
傳統(tǒng)的磁共振無線傳輸系統(tǒng)僅采用一個(gè)磁共振單元，即僅存在一個(gè)固有振蕩頻率，只有將激勵(lì)頻率設(shè)置為該固有振蕩頻率時(shí)才能保證整個(gè)系統(tǒng)的有效工作，本發(fā)明采用多個(gè)磁共振單元來替代單個(gè)磁共振單元，即使各磁共振單元的理論固有振蕩頻率相等，在制造過程中實(shí)際振蕩頻率也會存在偏差，因此本發(fā)明存在多個(gè)固有振蕩頻率，只要激勵(lì)頻率的值為該多個(gè)固有振蕩頻率中的其中之一即可保證整個(gè)系統(tǒng)的有效工作。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中 圖1是傳統(tǒng)磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)的電路原理圖2是本發(fā)明中基于磁共振陣列的無線能量傳輸系統(tǒng)的電路原理圖。圖中標(biāo)記1為原級部分，2為次級部分，3為主功率變換器，4為原級諧振電容，5 為原級磁感應(yīng)線圈，6為原級磁共振單元，6’為原級磁共振陣列，7為功率控制器，8為次級諧振電容，9為次級磁感應(yīng)線圈，10為次級磁共振單元，10’為次級磁共振陣列。
具體實(shí)施例方式本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中原級部分1、次級部分2的原級磁共振陣列6’和次級磁共振陣列10’中均采用9個(gè)磁共振單元，每個(gè)磁共振單元由一個(gè)磁共振線圈和一個(gè)共振調(diào)諧電容組成，磁共振線圈的首端、末端分別連接共振調(diào)諧電容的兩端。如圖2所示，該磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)由原級部分1和次級部分2組成，原級部分1由主功率變換器3、原級諧振電容4、原級磁感應(yīng)線圈5和原級磁共振陣列6’組成，主功率變換器3的輸出端分別連接原級諧振電容4的兩端且原級諧振電容4的兩端還分別連接原級磁感應(yīng)線圈5的首端、 末端，原級磁共振線圈陣列6間隔設(shè)置在原級磁感應(yīng)線圈的前方；次級部分2由功率控制器 7、次級諧振電容8、次級磁感應(yīng)線圈9和次級磁共振陣列10’組成，該次級磁共振陣列10’ 間隔設(shè)置在次級磁感應(yīng)線圈9的前方，次級磁感應(yīng)線圈9的首端、末端分別連接次級諧振電容8的兩端且次級諧振電容8的兩端還連接功率控制器7的輸入端，其中該原級磁共振陣列6’和次級磁共振陣列10’中均包括9個(gè)磁共振單元，每一磁共振單元由一個(gè)磁共振線圈和一個(gè)共振調(diào)諧電容組成，磁共振線圈的首端、末端分別連接共振調(diào)諧電容的兩端，且各磁共振單元之間的位置關(guān)系可以為并排設(shè)置，也可以是重疊設(shè)置等其他方式應(yīng)注意的是根據(jù)不同的實(shí)際需求，該原級磁共振陣列6’和次級磁共振陣列10’ 還可以由其他數(shù)量的磁共振單元組成，包括但不限於9個(gè)磁共振單元。本發(fā)明的工作原理為在原級部分1，主功率變換器用于接收工頻交流且將該工頻交流變換為高頻諧振形式的能量(即電壓和電流)后傳輸給由原級諧振電容4和原級磁感應(yīng)線圈5組成的原級諧振回路，高頻諧振形式的能量在原級諧振回路中激發(fā)諧振，并在原級磁感應(yīng)線圈5的周圍形成高頻交流磁場，在該高頻交流磁場的作用下原級磁共振陣列6’ 與次級磁共振陣列10’之間產(chǎn)生磁共振，實(shí)現(xiàn)將能量從原級部分1傳輸至次級部分2。在次級部分2接收到能量后，次級磁共振陣列10’的周圍產(chǎn)生高頻交流磁場，在高頻交流磁場的作用下次級磁感應(yīng)線圈9產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并在由次級磁感應(yīng)線圈9和次級諧振電容8組成的次級諧振回路中形成諧振，該感應(yīng)電動勢通過功率控制器7向負(fù)載輸出。為了保證整個(gè)無線能量傳輸系統(tǒng)有效工作，原級部分的激勵(lì)頻率必須與原級磁共振線圈的固有振蕩頻率相同，傳統(tǒng)的磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)中僅存在一個(gè)原級磁共振單元，即僅存在一個(gè)固有振蕩頻率，原級部分的激勵(lì)頻率只有設(shè)置在該固有振蕩頻率上才能保證系統(tǒng)的有效工作。本發(fā)明在原級部分采用多個(gè)原級磁共振單元來替代單個(gè)原級磁共振單元，每個(gè)原級磁共振單元均由一個(gè)磁共振線圈和一個(gè)共振調(diào)諧電容組成，磁共振線圈的首端、末端分別連接共振調(diào)諧電容的兩端，在設(shè)計(jì)的過程中可以將各原級磁共振單元中磁共振線圈的理論固有振蕩頻率設(shè)置為相同的值，但是通常磁共振線圈的實(shí)際固有振蕩頻率與理論固有振蕩頻率之間存在一定的偏差，因此本發(fā)明存在多個(gè)固有振蕩頻率，呈現(xiàn)出一條連續(xù)性的共振頻率帶，原級部分的激勵(lì)頻率只要設(shè)置為該共振頻率帶上的任何一個(gè)值都可以保證系統(tǒng)的有效工作。由此可見，本發(fā)明極大地減小了激勵(lì)頻率在選擇上的困難度，解決了磁共振線圈調(diào)諧困難的問題。此外，由于存在多個(gè)磁共振單元，在保證最大功率傳輸?shù)臈l件下，允許位于兩側(cè)的磁共振單元相對滑動，從而使得能量發(fā)射端和接收端具有更大的靈活性。 為了保證共振能量傳遞，原級磁共振陣列和次級磁共振陣列中磁共振單元的個(gè)數(shù)、共振頻率及結(jié)構(gòu)完全相同，原級部分1中原級諧振電容4、原級磁感應(yīng)線圈5分別與次級部分2中次級諧振電容8、次級磁感應(yīng)線圈9完全相同。當(dāng)然，在原級磁共振陣列中磁共振線圈的固有振蕩頻率可以不相同，此時(shí)次級磁共振矩陣中磁共振線圈的固有振蕩頻率對應(yīng)地發(fā)生變化。本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權(quán)利要求
1.一種基于磁共振陣列的無線能量傳輸系統(tǒng)，其包括原級部分和次級部分，其中所述原級部分(1)包括主功率變換器(3)、原級諧振電容(4)和原級磁感應(yīng)線圈(5)，其中所述主功率變換器(3)的輸出端分別連接所述原級諧振電容(4)的兩端，所述原級諧振電容(4)的兩端還連接所述原級磁感應(yīng)線圈(5)的首端、末端；所述次級部分(2)包括次級磁感應(yīng)線圈(9)、次級諧振電容(8)和功率控制器(7)組成， 其中所述次級磁感應(yīng)線圈(9)的首端、末端分別連接所述次級諧振電容(8)的兩端，所述次級諧振電容(8)的兩端還連接所述功率控制器(7)的輸入端；其特征在于所述原級部分(1)還包括原級磁共振陣列(6’ )且所述次級部分(2)還包括次級磁共振陣列(10’)，所述原級磁共振陣列(6’ )和所述次級磁共振陣列(10’)均由多個(gè)磁共振單元組成，每個(gè)磁共振單元均由一個(gè)磁共振線圈和共振調(diào)諧電容組成，其中所述磁共振線圈的首端、末端分別連接所述共振調(diào)諧電容的兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁共振陣列的無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述原級部分(1)中所述原級諧振電容(4)、原級磁感應(yīng)線圈(5)分別與所述次級部分(2)中次級諧振電容(8 )、次級磁感應(yīng)線圈(9 )完全相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁共振陣列的無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述原級部分(1)中所述原級磁共振陣列(6’)與所述次級部分(1)中所述次級磁共振陣列(10’) 完全相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求廣3中任何一項(xiàng)所述的基于磁共振陣列的無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述原級磁共振陣列(6’ )與次級磁共振陣列(10’)中所有磁共振單元的理論固有頻率相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磁共振陣列的無線能量傳輸系統(tǒng)，屬于能量無線傳輸領(lǐng)域。該系統(tǒng)中原級部分由主功率變換器、原級諧振電容、原級磁感應(yīng)線圈和原級磁共振陣列組成，次級部分由次級磁感應(yīng)線圈、次級諧振電容、功率控制器和次級磁共振陣列組成，原級磁共振陣列和次級磁共振陣列均由多個(gè)磁共振單元組成，每個(gè)磁共振單元均由一個(gè)磁共振線圈和共振調(diào)諧電容組成，磁共振線圈的首端、末端分別連接共振調(diào)諧電容的兩端。通過本發(fā)明，極大地減小了激勵(lì)頻率在選擇上的困難度，解決了磁共振線圈調(diào)諧困難的問題，并且提高了系統(tǒng)使用的靈活性。
文檔編號H02J17/00GK102437656SQ20111043478
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者唐春森, 孫躍, 戴欣, 王智慧, 蘇玉剛 申請人:重慶大學(xué)