CN101969237A - 无线电能传输实验系统 - Google Patents

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杨庆新
李阳
张献
肖朝霞
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Abstract

本发明公开一种无线电能传输实验系统，包括有正弦信号发生电路、宽带线性功放模块、电磁发射系统、电磁接收系统、负载五个部分。该系统属于电磁场理论及工程应用领域，解决了电能在中距离无线传输的功率和效率问题。正弦信号发生电路产生所需要的波形，而且频率可调；宽带线性功放模块将正弦信号发生电路产生的正弦信号的功率放大，以驱动电磁发射系统产生高频交变磁场；电磁接收系统要和发射系统的线圈达到相同的谐振频率以最大限度捕获磁场能量并将其转化成电能提供给负载。本发明的无线电能传输实验系统电源利用效率高，在生物医学、电力系统、交通运输、水下作业、冶金矿山等领域有着巨大应用前景。

Description

无线电能传输实验系统
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输实验系统。特别是涉及一种传输距离远，传输功率大，调节方便的无线电能传输实验系统。
背景技术
自从1840年发现利用电磁感应现象及导线可以传输电能至今，电能的传输主要是由导线直接接触进行传输的。电工设备的充电一般是通过插头和插座来进行，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险。且由于存在摩擦和磨损，系统的安全性、可靠性及使用寿命较低，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的事故。新型无接触电能传输系统采用电磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合，实现了电能的无线传输，完全克服了以上限制。
根据电能传输原理，无线电能传输大致上可以分为三类：第一类是变压器原理的直接耦合式，这种方式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类电波无线能量传输技术，直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生物都有严重伤害；第三类是非辐射耦合谐振方式，该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。
综上所述，第三种电能传输方式有着很大的开发潜力，但是这种技术的研究在国内外还处在起步阶段。所以研制基于谐振耦合的电能无线传输实验系统尤显重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出了一种传输距离远，传输功率大，调节方便的无线电能传输实验系统。
本发明所采用的技术方案是：一种无线电能传输实验系统，包括有宽带线性功放模块，还设置有：正弦信号发生电路，用于产生与电磁发射系统和电磁接收系统谐振频率相同频率的正弦波；电磁发射系统，用于产生高频磁场；电磁接收系统，用于接收电磁发射系统产生的高频磁场并将其变成电能供给负载。
所述的宽带线性功放模块包括有接收正弦信号发生电路所发出的正弦信号的50欧阻抗匹配负载，即输入变压器T1，输入变压器T1接收到信号传输到射频MOSFET模块，将该信号进行功率放大；该宽带线性功放模块属于射频功放的A类放大，具有很好的线性特征。
所述的正弦信号发生电路由MAX038芯片和外围电路组成，设置有调频模块，结构简单，使用方便；通过调节与MAX038管脚REF相连的可调电阻RP1的阻值可以实现调节输出信号的频率，用来跟踪电磁发射系统和电磁接收系统模块的谐振频率；通过调节可调电阻RP2的阻值可以实现调节输出信号的幅值。
所述的电磁发射系统由电磁激发线圈和电磁发射线圈组成，电磁激发线圈是一个单匝线圈；电磁激发线圈与宽带线性功放模块的输出连接，由宽带线性功放模块产生的高频交流电压提供能量产生同频率的交流高频磁场；该高频磁场与电磁发射线圈通过直接耦合使其产生强度更大的磁场发射出去。
所述的电磁接收系统由电磁接收线圈和电磁耦合线圈组成，电磁接收线圈是和电磁发射线圈具有相同的谐振频率，通过谐振耦合方式接收电磁激发线圈的电磁能量；电磁耦合线圈是一个单匝线圈，该线圈与电磁接收线圈是通过耦合方式取能的；电磁耦合线圈连接负载向负载提供能量。
本发明的无线电能传输实验系统，是一种传输距离远，传输功率大，调节方便的新型无线传输系统。当系统通电工作后，通过调节正弦信号发生电路使其输出频率改变到系统的谐振频率时，系统达到最大的传输功率和传输距离。当系统参数发生变化或者距离发生变化，也可以通过调节信号的输出频率很快找到最佳和传输效果。该实验系统功放模块可以在1.6MHz--30MHz范围内频率可调，而且输出具有很好的线性度。故该系统不但验证了实现了witricity技术的正确性，而且具有进行二次开发的特性，为进一步研究电能的无线传输提供了设备基础。
附图说明
图1是本发明的整体结构框图；
图2是正弦信号发生电路原理图；
图3是宽带线性功放模块原理图；
其中：
1：正弦信号发生电路            4：电磁接收系统
2：宽带线性功放模块            5：负载
3：电磁发射系统
具体实施方式
本发明提供一种传输距离远，传输功率大，调节方便的无线电能传输实验系统。该系统为进一步研究电能的无线传输提供了设备基础。下面结合实施例和附图对本发明的无线电能传输实验系统做出详细说明。
如图1所示，本发明的无线电能传输实验系统，包括有正弦信号发生电路1，还设置有：宽带线性功放模块2，用于接收正弦信号并将其进行功率放大；电磁发射系统3，用于接收宽带线性功放模块2产生的具有一定功率的高频正弦交流电能，将其转化成高频交流磁场；电磁接收系统4，由于电磁发射系统3具有相同谐振频率的电感和电容组成，用于接收电磁发射系统3发出的高频磁场并将其转化成电能。由于采用了谐振耦合技术，使得电能无线传输功率和距离得到较大幅度的提高，又由于采用了非辐射电磁耦合技术，使得辐射损耗降到最低，提高了传输效率同时使系统对人及其他生物体没有危害。
如图1所示，所述的电磁发射系统3由电磁激发线圈和电磁发射线圈组成，电磁激发线圈是一个单匝线圈，按照与宽带线性功放模块2共轭匹配的原则由漆包线绕制而成；电磁激发线圈与宽带线性功放模块的输出连接，由宽带线性功放模块产生的高频交流电压提供能量产生同频率的交流高频磁场；该高频磁场与电磁发射线圈通过直接耦合使其产生强度更大的磁场发射出去。
如图1所示，所述的电磁接收系统4由电磁接收线圈和电磁耦合线圈组成，电磁接收线圈是和电磁发射线圈具有相同的谐振频率，通过谐振耦合方式接收电磁激发线圈的电磁能量；电磁耦合线圈是一个单匝线圈，由漆包线绕制而成，该线圈与电磁接收线圈是通过耦合方式取能的；电磁耦合线圈连接负载向负载提供能量。
如图2所示，所述的正弦信号发生电路1由MAX038芯片和外围电路组成，设置有调频模块，结构简单，使用方便；通过调节与MAX038管脚REF相连的可调电阻RP1的阻值可以实现调节输出信号的频率，用来跟踪电磁发射系统和电磁接收系统模块的谐振频率。通过调节可调电阻RP2的阻值可以实现调节输出信号的幅值。
如图3所示，所述的宽带线性功放模块2，由射频MOSFET和外围电路构成功率放大模块；负反馈和输入阻抗匹配使系统具有较大的增益和较小的反馈损耗；宽带输入变压器的原边与副边的变比为4∶1，具有50欧姆的阻抗，使的输入的信号具有很小的反馈。+VG用于调节MOSFET的静态工作点，一般应该调到3V左右为宜，这时MOSFET的静态电流为150mA；+VDD处提供50V直流电，该电源还要接一个扼流线圈L3。
本发明与现有的无线电能传输最大区别如下三点：
(1)本发明的高频电源由信号发生单元和信号功率放大单元组成，电源频率完全由信号发生电路来调节，具有很好的调节特性；
(2)功放模块采用A类MOSFET射频电路，使得电路产生较高频率、较大功率的电源；
(3)电能无线传输采用非辐射谐振耦合技术，使传输效率和传输距离有了较大幅度的提高。
综上所述，本发明所述无线电能传输实验系统的优点是：
(1)结构简单、调节方便，适合实验系统的开发和进一步利用；
(2)传输的功率和效率比较高，应用范围更广；
(3)传输的距离较大，进一步拓宽了应用的场合。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无线电能传输实验系统，包括有宽带线性功放模块(2)，其特征在于，还设置有：正弦信号发生电路(1)，用于产生与电磁发射系统和电磁接收系统谐振频率相同频率的正弦波；电磁发射系统(3)，用于产生高频磁场；电磁接收系统(4)，用于接收电磁发射系统产生的高频磁场并将其变成电能供给负载。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输实验系统，其特征在于，所述的宽带线性功放模块(2)包括有接收正弦信号发生电路(1)所发出的正弦信号的50欧阻抗匹配的负载，即输入变压器(T1)，输入变压器(T1)接收到正弦信号传输到射频MOSFET模块(BLF175)，将该正弦信号进行功率放大。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输实验系统，其特征在于，所述的电磁发射系统(3)由电磁激发线圈和电磁发射线圈组成，电磁激发线圈是一个单匝线圈，按照与宽带线性功放模块2共轭匹配的原则由漆包线绕制而成；电磁激发线圈与宽带线性功放模块(2)的输出连接，由宽带线性功放模块(2)产生的高频交流电压提供能量产生同频率的交流高频磁场；该高频磁场与电磁发射线圈通过直接耦合使其产生强度更大的磁场发射出去。
4.根据权利要求1所述的无线电能传输实验系统，其特征在于，所述的电磁接收系统(4)由电磁接收线圈和电磁耦合线圈组成，电磁接收线圈和电磁发射线圈具有相同的谐振频率，通过谐振耦合方式接收电磁激发线圈的电磁能量；电磁耦合线圈是一个单匝线圈，由漆包线绕制而成，该线圈与电磁接收线圈是通过耦合方式取能的；电磁耦合线圈连接负载向负载提供能量。
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