變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了磁耦合共振無線電能傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】中一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，主要解決了磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)隨著傳輸距離的增加而傳輸效率急劇下降的問題，該系統(tǒng)通過同時(shí)調(diào)整源線圈和發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載線圈的距離，使得磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)滿足臨界耦合條件等式，工作在臨界耦合狀態(tài)。本實(shí)用新型準(zhǔn)確地得出了系統(tǒng)處于臨界耦合狀態(tài)所需滿足的條件，從而使得磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)始終工作在效率高的模式。
【專利說明】變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于磁耦合共振無線電能傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，尤其涉及一種通過改變磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的耦合系數(shù)來提高傳輸效率和距離的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自尼古拉.特斯拉在一個(gè)世紀(jì)以前提出無線電能傳輸理論之后，無線電能傳輸就一直是人們研究的熱點(diǎn)。多年來國內(nèi)外專家一直在進(jìn)行無線電能傳輸?shù)难芯浚恢币詠砜蒲羞M(jìn)展緩慢，直到2007年6月，麻省理工學(xué)院(MIT)物理教授Marin Soljacic及其小組成員提出一種基于強(qiáng)磁耦合磁共振的全新方案，實(shí)驗(yàn)中使用兩個(gè)直徑為60cm、由銅線繞制的線圈，并使線圈的固有諧振頻率處于9.9MHz，利用磁耦合共振原理成功點(diǎn)亮了一個(gè)離電源約2m的60W電燈泡,后來這項(xiàng)技術(shù)被稱為WiTricity,至此,開辟了無線電能傳輸技術(shù)的研究盛況。為了使無線電能傳輸技術(shù)盡快得到應(yīng)用，2010年9月I日，全球首個(gè)推動(dòng)無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織一無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium, WPC)在北京宣布將Qi無線充電國際標(biāo)準(zhǔn)率先引入中國，信息產(chǎn)業(yè)部通信電磁兼容質(zhì)量監(jiān)督中心也加入該組織，其中深圳桑菲消費(fèi)通信有限公司是Qi標(biāo)準(zhǔn)的支持者，也是該聯(lián)盟常務(wù)理事成員中唯——家中國企業(yè)。
[0003]目前國內(nèi)外無線電能傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)有三種方式:
[0004]1.電磁感應(yīng)式——類似于松耦合變壓器,通過初級(jí)和次級(jí)線圈的電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流，從而將能量從發(fā)射端輸送到接收端，適合效率較高的近距離傳輸。
[0005]2.電磁福射式-其基本原理類似于早期使用的礦石收音機(jī)，目前已有相對成熟
的理論，作用范圍廣、傳送功率大，但對生物環(huán)境影響較大且效率低下。
[0006]3.磁稱合共振式-麻省理工學(xué)院Marin Sol jacic及其小組成員提出的全新方
案，其原理是利用磁場的非輻射近場耦合來傳遞能量，在很大程度上減小了對人體的傷害，延長了無線電能傳輸?shù)木嚯x，此方式傳輸效率高、距離遠(yuǎn)、功率大，是未來無線電能傳輸發(fā)展的主流方向。
[0007]磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)，是通過兩個(gè)結(jié)構(gòu)對稱的線圈間磁耦合共振來傳遞能量的，耦合系數(shù)對系統(tǒng)的傳輸效率有著重要影響。依據(jù)耦合系數(shù)的大小，磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)可分為三種工作區(qū)域:強(qiáng)耦合、臨界耦合、弱耦合。
[0008]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)無線電能傳輸系統(tǒng)處于強(qiáng)耦合區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率在諧振頻率兩側(cè)取得最大值，即出現(xiàn)頻率分裂，隨著傳輸距離的增加，耦合系數(shù)減小，頻率分裂現(xiàn)象逐漸消失，當(dāng)耦合系數(shù)滿足臨界耦合條件時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率在諧振頻率處取得最大值，隨著耦合系數(shù)進(jìn)一步減小達(dá)到弱耦合區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率隨耦合系數(shù)的減小而急劇下降，但系統(tǒng)最佳的傳輸狀態(tài)始終是在諧振頻率處。
[0009]因此無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率并非在諧振頻率下一直處于最大值，而是在臨界耦合狀態(tài)處具有最大的傳輸效率和最優(yōu)的傳輸距離。[0010]綜上所述，磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)是系統(tǒng)始終處于臨界耦合狀態(tài)，這樣系統(tǒng)就可以在諧振頻率處獲得最大的傳輸效率和最優(yōu)的傳輸距離。但是臨界耦合狀態(tài)所對應(yīng)的傳輸距離是確定的，這就使得系統(tǒng)不可能始終處于臨界耦合狀態(tài)，而傳輸距離對耦合系數(shù)有著很明顯的調(diào)節(jié)作用，隨著傳輸距離的增加，引起耦合系數(shù)的減小，最終導(dǎo)致的系統(tǒng)傳輸效率急劇下降，嚴(yán)重阻礙了無線電能傳輸系統(tǒng)的普及和應(yīng)用，為此，我們必須找到一種技術(shù)方法來實(shí)現(xiàn)上述方案一讓系統(tǒng)始終處于臨界耦合狀態(tài)，以獲取最大的傳輸效率和最優(yōu)的傳輸距離。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0011]技術(shù)問題:本實(shí)用新型的目的在于針對磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)隨著傳輸距離的增加，耦合系數(shù)的減小而導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率急劇下降的問題，并考慮到系統(tǒng)在臨界耦合處取得最大的傳輸效率和最優(yōu)的傳輸距離，提出的一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過同時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的耦合系數(shù)，使得系統(tǒng)始終處于臨界耦合狀態(tài)，具有最大的傳輸效率和最優(yōu)的傳輸距離，同時(shí)本實(shí)用新型可以顯著提高無線電能傳輸?shù)木嚯x和效率，可以很好地滿足設(shè)備對無線電能傳輸系統(tǒng)效率和距離的要求。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案如下:
[0013]本實(shí)用新型所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，包括一個(gè)發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)。
[0014]所述發(fā)射機(jī)包括高頻信號(hào)發(fā)生器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、源線圈和發(fā)射線圈，所述高頻信號(hào)發(fā)生器輸出額定功率的高頻信號(hào)。
[0015]所述源線圈一側(cè)通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接到高頻信號(hào)發(fā)生器，另一側(cè)與所述發(fā)射線圈利用電磁感應(yīng)組成一個(gè)升壓變壓器網(wǎng)絡(luò)。
[0016]所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是無源匹配網(wǎng)絡(luò)，由電容和電感組成；或是有源匹配網(wǎng)絡(luò)，由有源、無源器件組成的源極跟隨器、射極跟隨器和緩沖器構(gòu)成。
[0017]所述接收機(jī)包括接收線圈和負(fù)載線圈，所述接收線圈與負(fù)載線圈利用電磁感應(yīng)組成一個(gè)降壓變壓器網(wǎng)絡(luò)。
[0018]所述負(fù)載線圈串聯(lián)一個(gè)與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中大小相等的匹配電容，并直接連接交流負(fù)載設(shè)備，或是通過一個(gè)整流電路供給直流負(fù)載設(shè)備或電路；所述整流電路包括半波整流、全波整流和橋式整流。
[0019]所述發(fā)射線圈和接收線圈利用其自身在高頻下的等效電阻、寄生電容和自身電感組成諧振電路，發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率。
[0020]所述源線圈和發(fā)射線圈的間距與接收線圈和負(fù)載線圈的間距始終是保持相等的，源線圈和負(fù)載線圈的電參數(shù)相同，發(fā)射線圈和接收線圈也具有相同的電參數(shù)，即線圈的電感、聞?lì)l寄生電容、等效電阻和空載品質(zhì)因數(shù)都是相同的。
[0021]所述發(fā)射線圈通過電磁感應(yīng)從源線圈處得到高頻信號(hào)發(fā)生器所發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，再以非輻射近場電磁波的形式發(fā)送出去，所述接收線圈通過線圈間的磁耦合共振收到發(fā)射線圈傳送的高頻振蕩信號(hào)，再經(jīng)過電磁感應(yīng)將能量供給負(fù)載線圈。
[0022]所有線圈均由銅線繞制，對齊在同軸方向，源線圈和發(fā)射線圈的間距、發(fā)射線圈和接收線圈間距、接收線圈和負(fù)載線圈的間距是可調(diào)的，隨著發(fā)射線圈和接收線圈間距，即傳輸距離的變化，當(dāng)所述系統(tǒng)偏離臨界耦合狀態(tài)時(shí)，同時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的耦合系數(shù)，即是同時(shí)調(diào)節(jié)源線圈和發(fā)射線圈的間距、接收線圈和負(fù)載線圈的間距，并保持兩個(gè)間距相等，從而改變它們的耦合系數(shù)，系統(tǒng)滿足臨界耦合條件，工作在臨界耦合狀態(tài)。
[0023]本實(shí)用新型所述變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)中，不相鄰線圈之間沒有磁耦合，所述系統(tǒng)中源線圈和負(fù)載線圈都是單匝線圈，發(fā)射線圈和接收線圈是有相同匝數(shù)的多匝線圈。
[0024]所述變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)包括外加激勵(lì)源高頻信號(hào)發(fā)生器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、源線圈、發(fā)射線圈以及接收線圈、負(fù)載線圈和負(fù)載設(shè)備組成。
[0025]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0026]1.本實(shí)用新型可以使磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)始終工作在臨界耦合狀態(tài)，確保所述系統(tǒng)的傳輸效率始終取得最大值、傳輸距離達(dá)到最優(yōu)。
[0027]2.與現(xiàn)有技術(shù)相比，所述系統(tǒng)始終工作在臨界耦合狀態(tài)，使得傳輸效率和傳輸距離都有明顯的提高，進(jìn)一步解決了系統(tǒng)傳輸效率受傳輸距離制約的問題，提高了電能的利用效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本實(shí)用新型的變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)示意圖；
[0029]圖2是本實(shí)用新型的變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型圖；
[0030]圖3是本實(shí)用新型的變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)示例實(shí)物圖；
[0031]圖4是本實(shí)用新型的變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)的傳輸效率對比圖；
【具體實(shí)施方式】
[0032]為了使本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容和優(yōu)勢更加清楚明了，以下結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型的變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實(shí)用新型的范圍及其應(yīng)用。
[0033]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本實(shí)用新型的變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。
[0034]圖1是本實(shí)用新型的變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)示意圖。
[0035]如圖1所示，本發(fā)明的變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)包括高頻信號(hào)發(fā)生器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、源線圈、發(fā)射線圈、接收線圈、負(fù)載線圈以及負(fù)載設(shè)備。
[0036]高頻信號(hào)發(fā)生器發(fā)出高頻信號(hào)脈沖，經(jīng)過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將能量信號(hào)傳給源線圈，所述系統(tǒng)的能量發(fā)射線圈利用電磁感應(yīng)從源線圈處得到高頻信號(hào)發(fā)生器所發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，再以非輻射近場電磁波的形式傳送出去。所述系統(tǒng)的能量接收線圈通過線圈間的磁耦合共振收到發(fā)射線圈傳送的高頻振蕩信號(hào)，再通過電磁感應(yīng)將能量供給負(fù)載線圈以及負(fù)載設(shè)備，源線圈和負(fù)載線圈都是單匝線圈，發(fā)射線圈和接收線圈是有相同匝數(shù)的多匝線圈，發(fā)射線圈和接收線圈的距離為所述系統(tǒng)的傳輸距離。
[0037]所有線圈均由銅線繞制，對齊在同軸方向，隨著傳輸距離由小到大逐漸增加，系統(tǒng)傳輸功率的最大值點(diǎn)由2個(gè)逐漸合并為I個(gè)，即是系統(tǒng)工作狀態(tài)由強(qiáng)耦合到臨界耦合，再到弱耦合的變化過程。
[0038]圖2是本實(shí)用新型的變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型圖。
[0039]如圖2所示，本實(shí)用新型的磁耦合共振無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型共有四個(gè)線圈回路:源線圈回路、發(fā)射線圈回路、接收線圈回路、負(fù)載線圈回路，ι^α2α3α4分別為源線圈、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載線圈的電感，Rel、Re2、Re3、Re4分別為源線圈、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載線圈在高頻下的等效電阻，Cpl是源線圈在高頻下的寄生電容和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的匹配電容之和，cp2, Cp3分別是發(fā)射線圈和接收線圈在高頻下的寄生電容，Cp4是負(fù)載線圈在高頻下的寄生電容和與其串聯(lián)的匹配電容之和，Vs是高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓，Vl是負(fù)載電壓，Rs、&分別是高頻信號(hào)發(fā)生器的內(nèi)阻和負(fù)載電阻；k12是源線圈和發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)，k23是發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)，k34是接收線圈和負(fù)載線圈之間的耦合系數(shù)。
[0040]對本實(shí)用新型的磁耦合共振無線電能傳輸?shù)牡刃щ娐纺Ｐ头治霾襟E如下:
[0041]1.對所述系統(tǒng)的等效電路進(jìn)行分析，得到如下所述等式:
【權(quán)利要求】
1.一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，包括一個(gè)發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)； 所述發(fā)射機(jī)包括高頻信號(hào)發(fā)生器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、源線圈和發(fā)射線圈，所述高頻信號(hào)發(fā)生器輸出額定功率的高頻信號(hào)； 所述源線圈一側(cè)通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接到高頻信號(hào)發(fā)生器，另一側(cè)與所述發(fā)射線圈利用電磁感應(yīng)組成一個(gè)升壓變壓器網(wǎng)絡(luò)； 所述接收機(jī)包括接收線圈和負(fù)載線圈，所述接收線圈與負(fù)載線圈利用電磁感應(yīng)組成一個(gè)降壓變壓器網(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是無源匹配網(wǎng)絡(luò)，由電容和電感組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是有源匹配網(wǎng)絡(luò)，由有源、無源器件組成的源極跟隨器、射極跟隨器和緩沖器構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述負(fù)載線圈串聯(lián)一個(gè)與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中大小相等的匹配電容，并直接連接交流負(fù)載設(shè)備。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，所述負(fù)載線圈通過一個(gè)整流電路供給直流負(fù)載設(shè)備或電路；所述整流電路包括半波整流、全波整流和橋式整流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射線圈和接收線圈利用其自身在高頻下的等效電阻、寄生電容和自身電感組成諧振電路，發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率；` 所述源線圈和發(fā)射線圈的間距與接收線圈和負(fù)載線圈的間距始終是保持相等的，源線圈和負(fù)載線圈的電參數(shù)相同，發(fā)射線圈和接收線圈也具有相同的電參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述電參數(shù)包括線圈的電感、高頻寄生電容、等效電阻和空載品質(zhì)因數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所有線圈均由銅線繞制，對齊在同軸方向，源線圈和發(fā)射線圈的間距、發(fā)射線圈和接收線圈間距、接收線圈和負(fù)載線圈的間距是可調(diào)的； 所述發(fā)射線圈通過電磁感應(yīng)從源線圈處得到高頻信號(hào)發(fā)生器所發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，再以非輻射近場電磁波的形式發(fā)送出去，所述接收線圈通過線圈間的磁耦合共振收到發(fā)射線圈傳送的高頻振蕩信號(hào)，再經(jīng)過電磁感應(yīng)將能量供給負(fù)載線圈。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，隨著發(fā)射線圈和接收線圈間距，即傳輸距離的變化，當(dāng)所述系統(tǒng)偏離臨界耦合狀態(tài)時(shí)，同時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的耦合系數(shù)，從而改變它們的耦合系數(shù)，系統(tǒng)滿足臨界耦合條件，工作在臨界奉禹合狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合系數(shù)的調(diào)節(jié)是通過同時(shí)調(diào)節(jié)源線圈和發(fā)射線圈的間距d12、接收線圈和負(fù)載線圈的間距d34來實(shí)現(xiàn)的，并保持兩個(gè)間距相等，即d12 = d34。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種變耦合系數(shù)磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中不相鄰線圈之間沒有磁耦合，所述系統(tǒng)中源線圈和負(fù)載線圈都是單匝線圈，發(fā)射線圈和接 收線圈是有相同匝數(shù)的多匝線圈。
【文檔編號(hào)】H02J17/00GK203537076SQ201320552307
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】田子建, 林越 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)