CN102255399A - 基于自谐振电磁感应耦合的无线能量传输装置 - Google Patents

基于自谐振电磁感应耦合的无线能量传输装置 Download PDF

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范迎春
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Abstract

本发明公开了一种基于自谐振电磁感应耦合的无线能量传输装置，主要解决现有电磁感应耦合式无线能量传输装置在较远距离时能量传输效率低的问题。它包括激励部件(1)、谐振部件(2)以及一个负载部件(3)，激励部件(1)外接高频振荡电路，负载部件(3)外接负载电路，谐振部件(2)采用单个管状螺旋线圈或单个平面渐近线螺旋线圈，且位于激励部件(1)与负载部件(3)之间，激励部件(1)产生高频磁场穿过谐振部件(2)激发其产生谐振，并将谐振能量传输给负载部件(3)产生感应电动势，为外接负载电路输送电能。本发明具有效率高、结构简单和辐射小的优点，可用于对各种电子设备的无线充电与供电。

Description

基于自谐振电磁感应耦合的无线能量传输装置
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及无线能量传输，尤其涉及一种利用线圈自谐振提高电磁感应耦合无线能量传输装置。该装置可应用在各类电子产品的无线充电和无线供电系统中，当传输距离固定时，采用本装置可提高能量传输效率，当传输效率要求一定时，可显著提高能量传输的距离。
背景技术
自1840年电磁感应定律被发现以来，人们便开始了对无线技术的研究，以网络为主的通信技术已经完成了从有线到无线的飞跃，然而能量的无线传输发展的极为缓慢，以至于当前几乎所有的充电或实际进行电力传输时都必须用有形介质，如：使用金属导线作为主要连接才能进行，比如计算机、电视、台灯等，这在一定程度上增加了布线的烦琐过程，也占用了很大的空间，使得需要以电力作为动力的电器设备，其摆设位置受到影响，为了克服这一缺点，就对能量的传输技术提出了很高的要求。
目前，无线能量传输技术有三个研究方向，分别为微波/激光方式无线能量传输、感应耦合能量传输和磁共振耦合式无线能量传输。
微波/激光方式无线能量传输技术：就是利用微波源或激光器把直流电转变为微波或激光，然后由天线发射出去。大功率的电磁射束通过自由空间后被接收天线收集，经微波或激光整流器后重新转变为直流电。自20世纪80年代以来，美国、日本和欧洲等国都把这一技术作为解决本国能源短缺的一种重要手段，进行了大量的研究与试验。该技术的缺点是高功率辐射对发射装置的定向性要求极高，并且产生的电磁辐射/激光光束会对人和动物造成巨大危害。
感应耦合能量传输技术：是将两个线圈放置于邻近位置上，当电流在一个线圈中流动时，所产生的磁通量成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动势。国际上，日本、新西兰、德国、英国和美国等国家相继投入了一定的技术力量和经费从事该技术及系统的研究和实用化产品开发，并已有实物产品出现。该技术的缺点是难以克服距离的限制，能量传输距离只能在1cm以内，源与负载几乎需要紧贴在一起。
磁共振耦合无线能量传输技术：是于2006年11月在美国物理学会工业物理论坛上首次提出的，理论性的分析了在非辐射场通过谐振耦合的方式实现中距离能量传输的可能性。2007年7月6日，美国麻省理工学院MIT的索尔贾希克教授领导的6人小组在《Science》杂志上发表了一篇文章《Wireless Power Transfer via StronglyCoupled Magnetic Resonances》。他们基于电磁谐振原理，成功地“隔空”点亮了离电源两米多远处的一个60瓦灯泡。在该实验中，发射器发射的能量有40％到50％传输到负载，无线传输装置的有效工作距离最远达到2.74米。它是根据两个具有相同谐振频率的物体能够耦合，而与环境中的其他非谐振物体的相互作用很小，对人和其他生物体造成的影响较小。该技术的缺点是需要有两个谐振线圈，体积庞大，设计复杂，难以应用于实际。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于自谐振电磁感应耦合的无线能量传输装置，以大幅提高两金属环间单纯的电磁感应耦合能量传输的效率，并减小设备体积和辐射能量，避免对人和动物的身体造成影响。
实现本发明目的技术方案是，对电磁感应耦合与磁共振耦合进行折中，整个装置包括：激励部件、谐振部件以及一个负载部件，激励部件外接高频振荡电路，其产生高频磁场穿过谐振部件激发谐振部件产生谐振，并将谐振能量传输给负载部件产生感应电动势，其特征在于：谐振部件采用单个金属线圈，且位于激励部件与负载部件之间。该单个金属线圈自身具有分布电感L与分布电容C，在满足工作频率：
Figure BDA0000075137630000021
时，构成一个自谐振结构，即当激励部件产生的交变磁场的频率为f0时，线圈发生自谐振，其电流分布沿着导线的长度按正弦形式分布，且导线两端电流为0。
所述的激励部件和负载部件采用铜质金属圆环，这两个环的半径为1cm至10cm，线径为1mm至4mm。
所述的单个金属线圈，采用管状螺旋线圈结构，该管状螺旋线圈的匝数为5.5，螺距为3.6cm，线径为1mm至4mm，截面半径为30cm，其工作频率为10.0±0.5MHz。
所述的单个金属线圈，进一步采用平面渐近线螺旋结构，其初始半径为10cm，截止半径为15cm，匝数为5，线径为1mm至4mm，工作频率为22.5±0.5MHz。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.结构简单。本发明与磁共振耦合无线能量传输方式的传输装置相比，由于只使用单个谐振线圈，所以在实际应用时可以将激励环与单个谐振线圈嵌入到地面、墙壁或是桌面中，将负载部件嵌入到用电设备中，大大简化了系统的复杂性。
2.辐射小。本发明与微波/激光方式无线能量传输技术相比，由于采用磁谐振原理，利用的是磁场传递能量，所以产生的辐射极小，可避免对人和动物造成影响。
3.效率高，传输距离远。本发明与电磁感应无线能量传输方式的传输装置相比，由于采用单线圈自谐振方式，所以系统的传输效率与距离都远远大于单纯的电磁感应耦合方式。
附图说明
图1为本发明第一实施例系统图。
图2为本发明谐振部件采用的管状螺旋线圈结构图。
图3为本发明第二实施例的系统图。
图4为本发明谐振部件采用的平面渐近线螺旋线圈结构图。
图5为本发明谐振部件的等效模型图；
图6为本发明的理论等效电路图；
图7为本发明第一实施例在非谐振频率时的效率曲线图；
图8为本发明第一实施例效率关于距离的变化曲线；
图9为本发明第二实施例效率关于距离的变化曲线。
具体实施方式
以下参照附图对本发明进行详细描述：
技术原理
本发明主要由激励部件1、谐振部件2和负载部件3组成，激励部件1外接高频振荡电路，负载部件3外接负载电路，谐振部件2位于激励部件1与负载部件3之间。谐振部件2可等效看为如图5所示的模型，其中圆环表示电感，两圆板表示电容。构成本发明的三个部件其理论等效电路如图6所示，其中图6(a)为激励部件1的等效电路，图6(b)为谐振部件2的等效电路，图6(c)为负载部件3等效电路。图6(a)中的VS表示激励源的电压，R0表示激励源的内阻，RA表示激励部件1的电阻，LA表示激励部件1的电感，用iA来表示激励部件1上的电流；图6(b)中RS表示谐振部件2的分布电阻，LS表示它的分布电感，CS表示它的分布电容，用iS表示谐振部分2上的电流分布；图6(c)中负载部件3中各个参数所代表的物理意义激励部件1中的相似，RL表示负载电阻，即需要供能的负载电路。激励部件1外接高频振荡电路，其产生高频磁场穿过谐振部件2激发其产生谐振，并将该谐振能量传输给负载部件3产生感应电动势，负载部件3外接负载电路，为负载电路进行供电，以实现无线能量传输。谐振部件2的线圈发生自谐振时，其电流分布沿着导线的长度按正弦形式分布，且导线两端电流为0。
本发明根据谐振部件2的不同结构，给出如下两种实施例。
实施例1
参照图1，本发明第一实施例中激励部件1、负载部件3均采用线径为4mm的铜线做成两个半径均为r＝10cm的单匝环状线圈，但不限于半径相同的单匝环状线圈，例如也可采用不同半径的多匝环状线圈或矩形线圈；谐振部件2采用如图2所示的单个管状螺旋线圈，该线圈的匝数为n＝5.5，螺距为DH＝3.6cm，线径为4mm，截面半径为R＝30cm，材质为铜或银，该管状螺旋线圈的工作频率f0由自身的分布电感LS与分布电容CS共同决定，即：在本实施例中，工作频率为f0＝10.0±0.5MHz。谐振部件2与激励部件1的距离为3.6cm，并保持固定；激励部件1与负载部件3的距离可在0cm-70cm范围内自由移动。负载部件(3)位于管状螺旋线圈的内部，不影响其高效传输能量。
工作时，作为激励部件1的单匝环状线圈与外部输出阻抗50Ω的高频振荡电路连接，作为激励部件1的单匝环状线圈与需要供能的负载电路连接。调整高频振荡电路使激励部件1获得一个指定频率的交变电流iA，从而使其等效电感LA产生一个指定频率的高频磁场，当且仅当指定频率为f0时的高频磁场穿过所述的谐振部件2时，其管状螺旋线圈自身的分布电感LS与分布电容CS组成的谐振系统将发生自谐振，线圈自谐振时会产生强大的磁场，该磁场耦合到作为负载部件3的单匝环状线圈的等效电感LB上，使该线圈产生感应电流iB，并产生感应电动势，为需要的负载电路进行供电，即向负载电路传输能量。
实施例2
参照图3，本发明的中激励部件1、负载部件3均采用线径为4mm的铜线做成两个半径均为r＝6cm的单匝环状线圈，但不限于单匝环状线圈，但不限于半径相同的单匝环状线圈，例如也可采用不同半径的多匝环状线圈或矩形线圈；本发明的谐振部件2采用如图4所示的平面渐近线螺旋线圈，该线圈的匝数为n＝5，螺距为DH＝1cm，线径为4mm，初始半径Rs＝10cm，截止半径Re＝15cm，材质为铜，其工作频率为f0＝22.5±0.5MHz。
谐振部件2与激励部件1的距离为1cm，并保持固定；负载部件3与激励部件1的距离可在0cm-20cm范围内自由移动，平面渐近线螺旋线圈与负载部件(3)之间的距离为0时，即负载部件(3)位于平面渐近线螺旋线圈的中心，不影响其高效传输能量。
工作时，作为激励部件1的单匝环状线圈与外部输出阻抗50Ω的高频振荡电路连接，作为激励部件1的单匝环状线圈与需要供能的负载电路连接。调整高频振荡电路使激励部件1获得一个指定频率的交变电流iA，从而使其等效电感LA产生一个指定频率的高频磁场，当且仅当频率为f0的高频磁场穿过所述的谐振部件2时，其平面渐近线螺旋线圈自身的分布电感LS与分布电容CS组成的谐振系统将发生自谐振，线圈自谐振时会产生强大的磁场，该磁场耦合到作为负载部件3的单匝环状线圈的等效电感LB上，使该线圈产生感应电流iB，并产生感应电动势，为需要的负载电路进行供电，即向负载电路传输能量。
上述两种实施例在实际使用时，可将激励部件1与谐振部件2嵌入到地面、墙壁、桌面中或直接做成外部设备，负载部件3可作为外部设备或直接嵌入到用电设备中进行供能。
本发明的实施效果可通过计算机数值仿真计算进一步说明：
仿真1，是对实施例1不在谐振频率的具体仿真，计算其传输效率，其余参数设置均与实施例1所述的一致，谐振部件2与激励部件1的距离为3.6cm，并保持固定；激励部件1与负载部件3的距离从0cm到70cm逐渐增大。将装置的激励端与负载端都调整成阻抗匹配状态，即阻抗为50Ω，设置激励部件1上的频率为1GHz，因其不在工作频率f0，所以谐振部件2不发生自谐振，仿真其传输的效率如图7所示，其中η表示能量传输的效率，其中实线表示单纯电磁感应耦合的传输效率关于距离的曲线，实点表示加入线圈后传输效率关于距离的曲线，从图7可以看到，本发明在非谐振频率时与传统感应耦合并无多大区别。
仿真2，是对实施例1在谐振频率时的具体仿真，计算其传输效率，所有参数设置均与实施例1所述的一致，谐振部件2与激励部件1的距离为3.6cm，并保持固定；激励部件1与负载部件3的距离从0cm到70cm逐渐增大。将装置的激励端与负载端都调整成阻抗匹配状态，即阻抗为50Ω，设置激励部件1上的频率为10.065MHz，即为谐振部件2的工作频率f0，所以谐振部件2发生自谐振，仿真其传输的效率如图8所示，其中η表示能量传输的效率，从图8可以看到在20cm距离内都有大于70％的能量传输效率，在35cm距离内都有大于50％的传输效率。
仿真3，是对实施例2的具体仿真，计算其传输效率，所有参数设置均与实施例2所述的一致，谐振部件2与激励部件1的距离为1cm，并保持固定；激励部件1与负载部件3的距离从0cm到20cm逐渐增大。将装置的激励端与负载端都调整成阻抗匹配状态，即阻抗为50Ω，设置激励部件1上的频率为22.7MHz，因其为谐振部件2的工作频率f0，所以谐振部件2发生自谐振，仿真其传输的效率如图9所示，其中η表示能量传输的效率，从图9可以看出，本发明在10cm距离内都有大于50％的能量传输效率。
以上仿真结果表明，本发明与单纯电磁感应耦合相比，其传输效率与距离均得到了大幅的提高。

Claims (8)

1.一种基于自谐振电磁感应耦合的无线能量传输装置，包括激励部件(1)、谐振部件(2)以及负载部件(3)，激励部件(1)外接高频振荡电路，其产生高频磁场穿过谐振部件(2)激发其产生谐振，并将谐振能量传输给负载部件(3)产生感应电动势，其特征在于：谐振部件(2)采用单个管状螺旋线圈，它与激励部件(1)和负载部件(3)之间的距离分别是0cm-4cm和0cm-70cm；该单个管状螺旋线圈自身具有分布电感L与分布电容C，在满足工作频率：
Figure FDA0000075137620000011
时，构成一个自谐振结构，即当激励部件(1)产生的交变磁场的频率为f0时，管状螺旋线圈发生自谐振所产生的磁场耦合到负载部件(3)上，产生感应电动势。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其特征在于激励部件(1)和负载部件(3)均采用铜质金属圆环，这两个环的半径为1cm至10cm，线径为1mm至4mm。
3.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其特征在于管状螺旋线圈以线径为1mm至4mm的铜质导线绕制，其匝数为5.5，螺距为3.6cm，截面半径为30cm，其工作频率为10.0±0.5MHz。
4.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其特征在于负载部件(3)位于管状螺旋线圈的内部，工作状态不发生改变。
5.一种基于自谐振电磁感应耦合的无线能量传输装置，包括激励部件(1)、谐振部件(2)以及负载部件(3)，激励部件(1)外接高频振荡电路，其产生高频磁场穿过谐振部件(2)激发其产生谐振，并将谐振能量传输给负载部件(3)产生感应电动势，其特征在于：谐振部件(2)采用单个平面渐近线螺旋线圈，它与激励部件(1)和负载部件(3)之间的距离分别是0cm-2cm和0cm-20cm；该单个平面渐近线螺旋线圈自身具有分布电感L与分布电容C，在满足工作频率：
Figure FDA0000075137620000012
时，构成一个自谐振结构，即当激励部件(1)产生的交变磁场的频率为f0时，平面渐近线螺旋线圈发生自谐振所产生的磁场耦合到作为负载部件(3)上，产生感应电动势。
6.根据权利要求5所述的无线能量传输装置，其特征在于激励部件(1)和负载部件(3)均采用铜质金属圆环，这两个环的半径为1cm至10cm，线径为1mm至4mm。
7.根据权利要求5所述的无线能量传输装置，其特征在于平面渐近线螺旋线圈以线径为1mm至4mm的铜质导线绕制，其匝数为5，初始半径为10cm，截止半径为15cm，其工作频率为22.5±0.5MHz。
8.根据权利要求5所述的无线能量传输装置，其特征在于平面渐近线螺旋线圈与负载部件(3)之间的距离为0时，即负载部件(3)位于平面渐近线螺旋线圈的中心，工作状态不发生改变。
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