本發(fā)明涉及無線供電領(lǐng)域，特別是一種場效應管式玩具賽車軌道的無線供電系統(tǒng)及軌道玩具賽車。

背景技術(shù)：

從1831年邁克爾-法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象開始，人們便進入了一個新的紀元—電氣化時代。隨后，一系列關(guān)于電磁學的理論與應用研究也隨之鋪開，從變壓器到現(xiàn)在具有巨大研究潛在價值的無線電力傳輸技術(shù)。最早的無線電力傳輸技術(shù)的研究始于1889年的美籍克羅地亞裔物理學家特斯拉，但由于其在研究過程中未能真正解決無線電力傳輸技術(shù)的一系列關(guān)鍵問題，所以最后未能推廣于實際。2001年5月，法國科學研究中心的皮格努萊特利用微波無線傳輸電能點亮40m外一個200W的燈泡。其后2003年在島上建立的實驗型微波輸電裝置以2.45GHz頻率向1km之外的格朗巴桑村進行點對點輸電。2006年日本出產(chǎn)了一款傳輸效率能達到百分之五十以上的手機無線充電器。2007年麻省理工學院有關(guān)研究人員通過磁耦合共振原理成功點亮了2m之外一個60W的燈泡。2008年，北美電力研究協(xié)會已成功將800W電力用無線的方式傳輸?shù)?米遠的距離等。

多年來，國內(nèi)外許多知名的科學家對無線電力傳輸展開了積極的研究，但傳輸效率和功率損耗一直都是無法攻克的世界性難題，再加上實施此項技術(shù)的造價成本太高等一系列因素的綜合影響，造成無線電力傳輸技術(shù)的發(fā)展進程一直比較緩慢。近幾年，電磁感應式無線電能傳輸技術(shù)作為一種新興的無線電能傳輸技術(shù)迅速發(fā)展起來，并在無線電能傳輸領(lǐng)域引起巨大的反響，使無線電能傳輸技術(shù)成為國內(nèi)外學者研究的又一熱點問題。

現(xiàn)在市面上的玩具賽車普遍都采用蓄電池供電方式。但是在這種供電模式下存在著很多弊端，首先賽車蓄電池的電能是有限的，當蓄電池電量不足時就會影響玩具賽車的速度，如此就必須更換新的蓄電池，其次玩具賽車蓄電池的耗電速度非?？欤@也就意味著蓄電池的更換周期短且頻繁。再者，現(xiàn)在市面上的蓄電池都普遍存在存儲電量無法得到充分利用，且廢棄后對環(huán)境造成嚴重污染的問題。

現(xiàn)有的無線軌道玩具賽車多為專有軌道和賽車，賽車只有準確的定位在軌道上時才能獲得電力，如若玩具賽車在行駛的過程中或是轉(zhuǎn)彎過程中，移動過程中由于慣性的作用發(fā)射、沒有及時與軌道內(nèi)接收線圈保持位置一致，將會出現(xiàn)停止前進的現(xiàn)象，為使用帶來不便。

發(fā)明人的在先申請中國專利授權(quán)公告號：CN204706961U，和中國專利公布號：CN104953724A中公開了一種無線電能傳輸裝置及軌道玩具車，實現(xiàn)了非接觸的電能傳輸，但是存在電能不持續(xù)，賽車偏移不能獲得電能的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計開發(fā)了一種場效應管式玩具賽車軌道的無線供電系統(tǒng)，能夠克服當接收線圈與發(fā)射線圈存在偏移量而使賽車無法獲得持續(xù)的動力輸出的問題，使得賽車在軌道任何位置都能獲得動力來維持穩(wěn)定速度。

本發(fā)明的另一個目的：對電磁互感模塊的耦合系數(shù)進行校正，保證電能的穩(wěn)定性。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種場效應管式玩具賽車軌道的無線供電系統(tǒng)，包括：

無線電能發(fā)射電路，其與電源連接；

無線電能接收電路，其設(shè)置在玩具賽車上；以及

發(fā)射線圈，其連接所述無線電能發(fā)射電路，并以螺旋平鋪式固定在軌道之間，能夠產(chǎn)生電磁；

接收線圈，其連接所述無線電能接收電路并設(shè)置在玩具賽車上，能夠感應所述發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁變化，產(chǎn)生交流電；

其中，在所述發(fā)射線圈中，將單匝線圈以相同偏移量在軌道內(nèi)部平移鋪置，保證賽車在任何位置均能獲得穩(wěn)定動力。

優(yōu)選的是，所述無線電能發(fā)射電路包括：

第一整流濾波模塊，其與所述電源連接，能夠?qū)㈦娫磦鬟f的低壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?/p>

高頻逆變模塊，其能夠接收所述第一整流濾波模塊輸入的直流電，并經(jīng)過逆變輸出高頻交流電；

原邊補償模塊，其能夠接收所述高頻逆變模塊輸入的高頻交流電，并對脈沖交流電進行功率補償和正弦波形修正，并傳遞給所述發(fā)射線圈。

優(yōu)選的是，所述發(fā)射線圈和所述接收線圈之間的耦合系數(shù)對K進行校正，η為校正因子，其中L₁為所述發(fā)射線圈的電感值，L₂為接收線圈的電感值，μ₀為真空磁導率，s為發(fā)射線圈面積，a為接收線圈半徑，h為發(fā)射線圈到接收線圈的豎直距離。

優(yōu)選的是，所述校正因子其中r₁為發(fā)射線圈半徑，r₂為接收線圈半徑，且r₁＞r₂，M為完全耦合時磁通區(qū)磁力線穿過原邊和副邊的匝數(shù)，M₁為漏磁通區(qū)磁力線穿過原邊的匝數(shù)，M₂為部分磁通區(qū)磁力線穿過副邊的匝數(shù)，N₁為發(fā)射線圈的匝數(shù)，N₂為接收線圈的匝數(shù)，d為發(fā)射線圈到接收線圈的豎直距離。

優(yōu)選的是，所述第一整流濾波模塊與所述高頻逆變模塊之間設(shè)置有第一穩(wěn)壓電路，其能夠消除直流脈動，使直流電波形變得平穩(wěn)。

優(yōu)選的是，所述無線接收電路包括：

副邊補償模塊，其能夠接收所述接收線圈傳遞的交流電，并對其進行功率補償和正弦波形修正；

第二整流濾波模塊，其能夠接收所述副邊補償電路輸出的交流電，并將其轉(zhuǎn)換成直流電。

優(yōu)選的是，所述第二整流濾波模塊與第二穩(wěn)壓電路連接，能夠通過第二穩(wěn)壓電路獲得穩(wěn)定直流電為玩具賽車進行無線供電。

優(yōu)選的是，所述高頻逆變模塊逆變電路包括兩個場效應管，其輪流接通自激震蕩，實現(xiàn)逆變過程。

優(yōu)選的是，所述無線電能發(fā)射電路能夠?qū)㈦娔軅鬟f給玩具賽車，為其提供穩(wěn)定的動力。

一種具有無線供電系統(tǒng)的軌道玩具賽車，使用上述場效應管式軌道玩具賽車的無線供電系統(tǒng)，在軌道內(nèi)部設(shè)置發(fā)射線圈，并在玩具賽車底部設(shè)置接收線圈，使玩具賽車在軌道上行駛時，所述發(fā)射線圈將電能傳遞給所述接收線圈，為玩具車供電。

本發(fā)明所述的有益效果：采用無線供電系統(tǒng)對玩具賽車進行供電，并通過電磁感應的方式從發(fā)射線圈向接收線圈傳遞電能，當兩個線圈的距離越近時，整個系統(tǒng)的電能傳輸效率越高。發(fā)射線圈被嵌入玩具賽車軌道內(nèi)部，接收線圈設(shè)置在玩具賽車底部，保證玩具賽車和賽車軌道之間總是以一種近距離耦合的無線傳輸方式來實現(xiàn)高效的電能傳輸。

在逆變電路中采用兩個場效應管輪流導通的方式來實現(xiàn)高頻逆變，給發(fā)射線圈提供產(chǎn)生高頻交流電，能夠滿足玩具賽車使用要求。

將發(fā)射線圈以螺旋平鋪式鑲嵌于軌道內(nèi)，從而使得玩具賽車的接收線圈可以近距離和發(fā)射線圈耦合，實現(xiàn)近距離的高效電能傳輸，使賽車能夠獲得持續(xù)運動的動力。由于發(fā)射線圈以螺旋平鋪式分布在軌道中，能夠有效解決當接收線圈與發(fā)射線圈存在偏移量而使賽車無法獲得持續(xù)的動力輸出的問題，使得賽車在軌道任何位置都能獲得動力來維持穩(wěn)定速度。對電磁互感模塊的耦合系數(shù)進行校正，保證賽車獲得穩(wěn)定的電能。

附圖說明

圖1為無線供電系統(tǒng)的構(gòu)造圖；

圖2為發(fā)射線圈和接收線圈互感示意圖；

圖3為初級變壓整流電路的電路圖；

圖4為降壓后AB端口仿真電壓示意圖；

圖5為單相全波整流后CD端口電壓的波形圖；

圖6為濾波后EF端口輸出的直流電壓脈動波形圖；

圖7為穩(wěn)壓后GH端口的電壓輸出波形圖；

圖8為逆變電路的電路圖；

圖9為逆變后的高頻正弦交流電波形圖；

圖10為電能接收部分的電路圖；

圖11為玩具賽車及軌道示意圖；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。

如圖1和11所示，本發(fā)明提供一種場效應管式玩具賽車軌道的無線供電系統(tǒng)，包括：電源100，無線電能發(fā)射電路200，電磁互感模塊300，無線電能接收電路400。

無線發(fā)射電路200與電源100連接，包括第一整流濾波模塊210，高頻逆變模塊220，原邊補償模塊230。

電磁互感模塊300包括發(fā)射線圈310和接收線圈320，發(fā)射線圈310能夠接收來自無線發(fā)射電路200傳遞的電能，并通過電磁感應的方式將電能傳遞給接收線圈320。

無線電能接收電路400，包括副邊補償模塊410，第二整流逆變模塊420以及玩具賽車430。

第一整流濾波模塊210與電源連接，電源100采用常規(guī)220V交流電，電源100經(jīng)過降壓電路將電壓降為額定電壓的交流電，傳遞給第一整流濾波模塊210，經(jīng)過整流濾波后輸出低壓直流電，第一穩(wěn)壓電路能夠消除直流脈動，使輸出的低壓直流電波形變得平穩(wěn)。

高頻逆變模塊220將接收的第一整流模塊210傳遞的低壓直流電進行逆變，輸出高頻交流電，原邊補償模塊230對該脈沖交流電進行功率補償和正弦波形修正，并將修正后得到的電流傳遞給發(fā)射線圈310。發(fā)射線圈310設(shè)置在軌道240內(nèi)部，并以螺旋平鋪式鑲嵌在軌道240內(nèi)，單匝線圈以相同偏移量在軌道240內(nèi)平移鋪置。

相同偏移量是指兩相鄰圓形線圈圓心間的間距值相同；在拐彎處由于圓角的存在，偏移量固定值小，線圈尺寸保持不變；發(fā)射線圈間距離相同保證接收線圈情況處處相同，確保持續(xù)供電。

電磁互感模塊300采用電磁感應的方式，通過發(fā)射線圈310磁場改變使接收線圈320獲得感應電流。副邊補償模塊410對接收到的交流電進行功率補償和波形修正，并將其傳遞給第二整流濾波模塊420，經(jīng)過整流逆變和濾波之后得到直流電，再經(jīng)過第二穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定的直流電，進而為傳遞給玩具賽車，為玩具賽車430提供充足的電力。接收線圈320能夠設(shè)置在玩具賽車的底部，這樣玩具賽車430和賽車軌道240之間總是以一種近距離耦合的無線傳輸方式來實現(xiàn)高效的電能傳輸，由于發(fā)射線圈以螺旋平鋪式分布在軌道中，能夠有效解決當接收線圈與發(fā)射線圈存在偏移量而使賽車無法獲得持續(xù)的動力輸出的問題，使得賽車在軌道任何位置都能獲得動力來維持穩(wěn)定速度。

如圖2所示，發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)對K進行校正，η為校正因子，μ₀為真空磁導率，s為發(fā)射線圈面積，a為接收線圈半徑，h為發(fā)射線圈到接收線圈的豎直距離，其中L₁為78開路，56間的電感值，L₂為56開路，78間的電感值。校正因子其中r₁為發(fā)射線圈半徑，r₂為接收線圈半徑，且r₁＞r₂，M為完全耦合時磁通區(qū)磁力線穿過原邊和副邊的匝數(shù)，M₁為漏磁通區(qū)磁力線穿過原邊的匝數(shù)，M₂為部分磁通區(qū)磁力線穿過副邊的匝數(shù)，N₁為發(fā)射線圈的匝數(shù)，N₂為接收線圈的匝數(shù)，d為發(fā)射線圈到接收線圈的豎直距離。

如圖3所示，在另一實施例中，采用單相全波橋式整流方式采用特定的電解電容和獨石電容并聯(lián)濾波方式。第一整流濾波電路210包括整流電路211和濾波電路212，其中整流電路211設(shè)置為四只整流二極管D1、D2、D3和D4接成的全波橋形式，整流電路211能夠?qū)⒔祲弘娐份敵龅碾妷狠^低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，如圖4所示，降壓是把市電220V通過變壓器降到額定的交流電，通過整流橋的全波整流輸出直流電，如圖5所示。也可以在220V的基礎(chǔ)上直接通過整流橋變流后利用分壓得到所需電壓，但整流輸出電壓太大，且分壓功率損耗太大。

濾波電路212由兩個并聯(lián)的電容C1、C2組成，濾波電路212是指只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過。全波整流后通過濾波電容C1和C2使波形趨于平緩，但仍是一個脈動的直流，如圖6所示，再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片LM7815的作用使之輸出為穩(wěn)定的直流電，如圖7所示。

如圖8所示，在另一實施例中，逆變電路采用兩個MOS管Q1和Q2自激振蕩產(chǎn)生高頻交流電用以發(fā)射端耦合輸出，如圖9所示。D6作為自激振蕩電路工作指示燈，R1為限流電阻，使LED正常工作。C3-C10是諧振電容發(fā)射線圈相當于一個電感，這些電容與其形成一個諧振電路。Q1、Q2的輪流導通用來自激振蕩，L1、L2是磁環(huán)電感，用于振蕩。R3、R4是大功率繞線電阻，主要用來分流和散熱。

接通電源后，發(fā)光二極管D6正常工作，說明此時發(fā)射端供電正常，整流得到的直流電經(jīng)電容C3濾波，當Q1由截止轉(zhuǎn)變?yōu)榻油〞r，電阻R1的電壓Ud1降至0V，此時LC回路中電流達到最大值，而電容電壓為最小值。此處電流對電容進行充電，電容電壓開始上升，電阻R1到R2處的電壓即：Ud1～Ud2處電壓增大，隨著電容充電，回路電流下降，電流下降至0時，Ud2處獲得最大電壓，二極管D7在Ud2>Vcc-0.7時截止，Vcc為電路的供電電壓。電容充電完成后開始反向放電，LC回路電流增加，Ud2下降，當Ud2下降至Vcc-0.7之下時，D7導通，由于Ug1＝Ud2+0.7，此時Ug1下降，降至4V左右，Ug1為Q1處的電壓，MOS管進入可變電阻區(qū)，Ud1由于MOS管內(nèi)阻增大而增大，LC回路電容電壓為Ud2-Ud1減小，此時由于Ud1增大回路電壓下降速度減緩，Ud2繼續(xù)下降使Ug1下降，當Q1管截止時，Ud1值增大為(Vgsth—0.7)約為3.3V，通過二極管Q8，Ug2上升，Q2接通，接下來與Q1過程相同，Ug2為Q2處的電壓。

如圖10所示，在第二整流濾波電路與第一整流濾波電路類似，整流電路通過四只二極管D9、D10、D11、D12進行整流，濾波電路采用C11和C12兩個電容并聯(lián)，進行濾波，得到穩(wěn)定的直流電，保證玩具賽車430能夠獲得持續(xù)穩(wěn)定的動力輸出。

采用無線供電系統(tǒng)對玩具賽車進行供電，并通過電磁感應的方式從發(fā)射線圈向接收線圈傳遞電能，當兩個線圈的距離越近時，整個系統(tǒng)的電能傳輸效率越高。發(fā)射線圈被嵌入玩具賽車軌道內(nèi)部，接收線圈設(shè)置在玩具賽車底部，保證玩具賽車和賽車軌道之間總是以一種近距離耦合的無線傳輸方式來實現(xiàn)高效的電能傳輸。

在逆變電路中采用兩個場效應管輪流導通的方式來實現(xiàn)高頻逆變，給發(fā)射線圈提供產(chǎn)生高頻交流電，能夠滿足玩具賽車使用要求。

將發(fā)射線圈以螺旋平鋪式鑲嵌于軌道內(nèi)，從而使得玩具賽車的接收線圈可以近距離和發(fā)射線圈耦合，實現(xiàn)近距離的高效電能傳輸，使賽車能夠獲得持續(xù)運動的動力。由于發(fā)射線圈以螺旋平鋪式分布在軌道中，能夠有效解決當接收線圈與發(fā)射線圈存在偏移量而使賽車無法獲得持續(xù)的動力輸出的問題，使得賽車在軌道任何位置都能獲得動力來維持穩(wěn)定速度。對電磁互感模塊的耦合系數(shù)進行校正，保證賽車獲得穩(wěn)定的電能。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。