專利名稱：一種無線電力傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
—種無線電力傳輸裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及一種大功率高效率的無線電力傳輸設(shè)備。
背景技術(shù)：
[0002]無線電力傳輸應(yīng)用前景廣泛，但現(xiàn)有的無線電力傳輸裝置功率小，效率低，傳輸距離很近，主要應(yīng)用于電子設(shè)備充電場合，這種技術(shù)很難在大功率場合使用。[0003]無線電力傳輸應(yīng)用于如大功率場合(如電動汽車充電)意義重大,也是近年來的研究熱點。但這種應(yīng)用場合要求無線電力傳輸功率至少達(dá)到KW級，這個級別的功率傳輸必須要求有很高的輸電效率，否則不僅會產(chǎn)生巨大的能量損失，裝置的散熱也是一個很難解決的問題。現(xiàn)有的無線電力傳輸方案無法滿足這種大功率場合。[0004]2006年11月美國麻省理工學(xué)院(MIT)物理系助理教授MarinSoljacic研究小組提出了磁耦合諧振技術(shù)，并于2007年6月進行了實驗驗證，相隔2.16m隔空將一只60W燈泡點亮，效率為40%。但60W的功率傳輸仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大功率場合KW級的功率需求，而且文章中所提到的IOMHz左右的工作頻率也也給無線電力傳輸裝置中的大功率開關(guān)電源功率的設(shè)計帶來了困難。[0005]磁I禹合諧振技術(shù)提出后，許多基于這種技術(shù)的無線電力傳輸方案相繼被提出，它們的一個共同特點為:為了改善性能，將線圈工作在諧振點上。但當(dāng)線圈并聯(lián)諧振補償電容時，如果線圈和并聯(lián)電容工作在諧振點上，它所承受的電壓將非常高，這給設(shè)備的絕緣能力提出了更高的要求。[0006]中國專利申請CN102227860A “非接觸電力傳輸裝置及其設(shè)計方法”采用麻省理工學(xué)院(MIT)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，將第二線圈和第三線圈工作在諧振狀態(tài)，諧振頻率為2 7MHz，將這種結(jié)構(gòu)用在大功率的場合將產(chǎn)生以下3個問題:1.如此高頻率的大功率開關(guān)電源設(shè)計困難；2.第一線圈和第四線圈與其它線圈的互感會對諧振點造成干擾；3.如果第二線圈和第三線圈完全工作在諧振點上，這兩個線圈以及這兩個線圈并聯(lián)電容的電壓將會非常高。實用新型內(nèi)容[0007]本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種大功率的無線電力傳輸裝置，以解決當(dāng)前無線電力傳輸技術(shù)很難應(yīng)用于大功率場合(如電動汽車充電)的問題。[0008]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種大功率的無線電力傳輸裝置，包括高頻電源、負(fù)載、發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈、接收線圈以及這四個線圈上并聯(lián)的諧振補償電容。[0009]所述的無線電力傳輸裝置包括并聯(lián)有第一并聯(lián)諧振補償電容器的發(fā)射線圈，并聯(lián)有第二并聯(lián)諧振補償電容器的發(fā)射端放大線圈，并聯(lián)有第三并聯(lián)諧振補償電容器的接收端放大線圈，以及并聯(lián)有第四并聯(lián)諧振補償電容器的接收線圈；電能由串聯(lián)在所述裝置前端的高頻電源流向發(fā)射線圈，發(fā)射端放大線圈，接收端放大線圈和接收線圈，供串聯(lián)在所述裝置后端的負(fù)載使用。[0010]發(fā)射線圈與發(fā)射端放大線圈構(gòu)成發(fā)射裝置，接收端放大線圈與接收線圈構(gòu)成接收>J-U ρ α裝直。[0011]所述的發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈和接收線圈大小相同，平行放置。四個線圈的中心位于同一中心軸線上，依次擺放順序為發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈、接收線圈，或接收線圈、接收端放大線圈、發(fā)射端放大線圈、發(fā)射線圈。[0012]發(fā)射線圈與發(fā)射端放大線圈之間的距離，以及接收線圈和接收端放大線圈之間的距離較近，小于10mm。發(fā)射端放大線圈和接收端放大線圈之間的距離較大,在IOOmm至500mm之間。[0013]所述的發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈和接收線圈這四個線圈均為空心線圈，可采用圓形或正方形、六邊形、八邊形等正多邊形形狀。線圈繞制成多匝，可繞成螺旋狀也可以繞成盤狀。線圈可采用單股漆包線、多股漆包線繞制，漆包線材質(zhì)可為銅、銀、鍍銀銅線等。[0014]四個線圈均并聯(lián)諧振補償電容，以放大磁場，提高線圈之間的磁場耦合程度。各個線圈與各自并聯(lián)的諧振補償電容構(gòu)成的LC電路。所述的LC電路不一定工作于固有諧振點，根據(jù)發(fā)射功率和距離，可以在諧振點附近進行調(diào)節(jié)。發(fā)射線圈與其諧振補償電容的固有諧振頻率，以及接收線圈與其諧振補償電容的固有諧振頻率離諧振點較遠(yuǎn)；發(fā)射端放大線圈與其諧振補償電容的固有諧振頻率，以及接收端放大線圈與其諧振補償電容的固有諧振頻率較為靠近諧振點。[0015]本實用新型無線電力傳輸裝置可工作在20kHz至500kHz頻率之間?？梢愿鶕?jù)無線電力傳輸?shù)墓β屎蛡鬏斁嚯x、本裝置前端串聯(lián)高頻交流電源的輸出阻抗、本裝置后端串聯(lián)負(fù)載的阻抗、各線圈允許的最大電壓值等因素來調(diào)節(jié)無線電力傳輸裝置中各線圈的并聯(lián)補償電容值、線圈匝數(shù)、線圈尺寸，使無線電力傳輸裝置達(dá)到最佳工作點。[0016]本無線電力傳輸裝置工作時，發(fā)射線圈將本裝置前端串聯(lián)的高頻電源輸出的電能轉(zhuǎn)化為磁場能量，并通過磁場耦合原理將能量傳遞至發(fā)射端放大線圈，發(fā)射端放大線圈利用其低阻抗的特性，將磁場放大并傳遞至接收端放大線圈，接收端放大線圈利用其低阻抗的特性，將接收到的磁 場進一步放大，并通過磁場耦合傳遞給接收線圈，接收線圈將磁場能量轉(zhuǎn)化為電能輸出至負(fù)載。發(fā)射線圈和發(fā)射端放大線圈利用各自的諧振補償電容，有效提高相互間的耦合程度，并將電能轉(zhuǎn)化為磁場能發(fā)射出去。接收端放大線圈和接收線圈利用各自的諧振補償電容，有效接收到的磁場能并轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)射線圈、發(fā)射端放大線圈、接收端放大線圈、接收線圈均起到了磁場放大作用，各自的放大倍數(shù)可以通過各個并聯(lián)諧振補償電容進行調(diào)整，并聯(lián)諧振補償電容與線圈電感的固有諧振頻率與電源頻率越接近，線圈對磁場的放大倍數(shù)越高。[0017]線圈放大倍數(shù)提高將增加線圈的電流和并聯(lián)電容的電壓，給本無線電力傳輸裝置工作的安全穩(wěn)定帶來威脅，為此提出了在滿足功率傳輸要求的前提下，通過降低各線圈的放大倍數(shù)，降低各線圈的電流和電壓。[0018]有益效果:與現(xiàn)有的無線電力傳輸技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點:[0019]1.工作頻率低。同類技術(shù)工作頻率大多在數(shù)MHz甚至數(shù)十MHz，如此高頻率的大功率開關(guān)電源設(shè)計困難，而本實用新型的最高設(shè)計頻率為500kHz，這種頻率的開關(guān)電源設(shè)計簡單，輸出功率大，效率高。[0020]2.對各部件的耐壓能力和設(shè)備的絕緣要求降低。本實用新型從無線電力傳輸裝置的安全和穩(wěn)定角度出發(fā)設(shè)計，大大降低了無線電力傳輸裝置各部分的電壓值，降低了絕緣成本。[0021]3.傳輸距離遠(yuǎn)。傳輸距離為IOOmm至500mm之間。[0022]4.傳輸功率大，效率高。能傳輸數(shù)KW的電能，效率達(dá)到85%以上。


[0023]圖1是本裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖中:10發(fā)射線圈，Cl第一并聯(lián)諧振補償電容器，11高頻交流電源，20發(fā)射端放大線圈，C2第二并聯(lián)諧振補償電容器，30接收端放大線圈，C3第三并聯(lián)諧振補償電容器，40接收線圈，C4第四并聯(lián)諧振補償電容器，41負(fù)載。[0024]圖2為本裝置的電路原理圖。
具體實施方式
[0025]如圖1所示，本實用新型裝置由4個帶諧振補償電容的線圈構(gòu)成，線圈之間以氣隙耦合，發(fā)射線圈前端有高頻交流電源11，接收線圈后端接負(fù)載41。[0026]發(fā)射線圈10與發(fā)射端放大線圈20構(gòu)成發(fā)射裝置，接收端放大線圈30與接收線圈40構(gòu)成接收裝置。[0027]作為一種實施例，將發(fā)射線圈10、發(fā)射端放大線圈20、接收端放大線圈30、接收線圈40等4個線圈都繞成直徑為500mm的螺旋狀線圈。線圈由多股漆包線繞成，發(fā)射線圈10和接收線圈40繞制匝數(shù)為2匝，發(fā)射端放大線圈20與接收端放大線圈30繞制匝數(shù)為5阻。發(fā)射線圈10與發(fā)射端放大線圈20之間的距離小于5mm,同樣，接收線圈40與接收端放大線圈30之間的距離小于5mm。發(fā)射端放大線圈20與接收端放大線圈30之間的距離為250mm。4個所述的線圈平行放置，4個所述的線圈的中心位于同一軸線上。當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)僅僅是一種范例，線圈的大小，形狀、匝數(shù)、距離、材料可以根據(jù)實際情況不同而調(diào)整。[0028]如圖2所示，將市電經(jīng)過變頻后得到的高頻交流電壓輸入發(fā)射線圈10，接收線圈40的后端接負(fù)載41。通過調(diào)節(jié)發(fā)射線圈10上的第一并聯(lián)諧振補償電容Cl、發(fā)射端放大線圈20上的第二并聯(lián)諧振補償電容C2、接收端放大線圈30上的第三并聯(lián)諧振補償電容C3和接收線圈40上的第四并聯(lián)諧振補償電容C4來找到一個最合適的工作點，使最大傳輸功率，傳輸效率值，各線圈和電容的電壓值均能滿足設(shè)計要求。[0029]一般來說，通過調(diào)節(jié)發(fā)射端放大線圈20的第二并聯(lián)補償電容C2和接收端放大線圈30上的第三并聯(lián) 諧振補償電容C3，當(dāng)20，C2和30，C3的固有諧振頻率與電源頻率越接近時，本實用新型裝置的最大傳輸功率和效率越能得到更好的表現(xiàn)，但同時這兩個線圈20，30上流過的的電流及其并聯(lián)諧振補償電容C2、C3承受的電壓將增大。為保證效率和最大傳輸功率，發(fā)射端放大線圈20與第二并聯(lián)諧振補償電容C2的固有諧振頻率Λ =^-/=，接收端放大線圈30與第三并聯(lián)諧振補償電容C3的固有諧振頻率力= 2；Γν^；與電源頻率fo的偏差小于30%，即
權(quán)利要求1.一種無線電力傳輸裝置，其特征在于，所述的無線電力傳輸裝置包括并聯(lián)有第一并聯(lián)諧振補償電容器(Cl)的發(fā)射線圈(10)，并聯(lián)有第二并聯(lián)諧振補償電容器(C2)的發(fā)射端放大線圈(20)，并聯(lián)有第三并聯(lián)諧振補償電容器(C3)的接收端放大線圈(30)，以及并聯(lián)有第四并聯(lián)諧振補償電容器(C4)的接收線圈(40);電能由串聯(lián)在所述裝置前端的高頻電源(11)流向發(fā)射線圈(10 )，發(fā)射端放大線圈(20 )，接收端放大線圈(30 )和接收線圈(40 )，供串聯(lián)在所述裝置后端的負(fù)載(41)使用；所述的發(fā)射線圈(10)與發(fā)射端放大線圈(20)構(gòu)成發(fā)射裝置，接收端放大線圈(30 )與接收線圈(40 )構(gòu)成接收裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電力傳輸裝置，其特征在于，所述的發(fā)射線圈(10)、發(fā)射端放大線圈(20)、接收端放大線圈(30)和接收線圈(40)的大小相同，發(fā)射線圈(10)、發(fā)射端放大線圈(20)、接收端放大線圈(30)和接收線圈(40)平行放置，發(fā)射線圈(10)、發(fā)射端放大線圈(20 )、接收端放大線圈(30 )和接收線圈(40 )的中心位于同一軸線上；四個所述的線圈依次擺放順序為發(fā)射線圈(10)、發(fā)射端放大線圈(20)、接收端放大線圈(30)、接收線圈(40)，或接收線圈(40)、接收端放大線圈(30)、發(fā)射端放大線圈(20)、發(fā)射線圈(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無線電力傳輸裝置，其特征在于，所述的發(fā)射線圈(10)和發(fā)射端放大線圈(20)之間的距離小于10mm，所述的接收端放大線圈(30)和接收線圈(40)的距離小于IOmm ;發(fā)射端放大線圈(20)和接收端放大線圈(30)之間的距離為100-500mmo
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電力傳輸裝置，其特征在于，所述的第一并聯(lián)諧振補償電容(Cl)、第二并聯(lián)諧振補償電容(C2)、第三并聯(lián)諧振補償電容(C3)和第四并聯(lián)諧振補償電容(C4)的大小可調(diào)，并可通過調(diào)節(jié)4個所述的并聯(lián)諧振補償電容的值改變4個線圈對磁場的放大倍數(shù)和并聯(lián)諧振補償電容(Cl，C2, C3, C4)的電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電力傳輸裝置，其特征在于，所述裝置工作的電壓頻率在20kHz至500kHz之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電力傳輸裝置，其特征在于，所述的發(fā)射端放大線圈(20)與第二并聯(lián)諧振補償電容(C2)的固有諧振頻率與輸入所述的裝置電壓頻率的偏差小于30%，接收端放大線圈(30)與第三并聯(lián)諧振補償電容(C3)的固有諧振頻率與輸入所述裝置電壓頻率的偏差小于30%。
專利摘要一種無線電力傳輸裝置，由平行放置的發(fā)射線圈(10)、發(fā)射端放大線圈(20)、接收端放大線圈(30)、接收線圈(40)四個線圈構(gòu)成，四個線圈都并聯(lián)可變的諧振補償電容(C1、C2、C3、C4)。所述的發(fā)射線圈(10)與發(fā)射端放大線圈(20)構(gòu)成發(fā)射裝置，接收端放大線圈(30)與接收線圈(40)構(gòu)成接收裝置。
文檔編號H02J17/00GK203014500SQ20122062077
公開日2013年6月19日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者廖承林, 王麗芳, 李均鋒, 鄧凱 申請人:中國科學(xué)院電工研究所