CN102437656B - 基于磁共振阵列的无线能量传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁共振阵列的无线能量传输系统，属于能量无线传输领域。该系统中原级部分由主功率变换器、原级谐振电容、原级磁感应线圈和原级磁共振阵列组成，次级部分由次级磁感应线圈、次级谐振电容、功率控制器和次级磁共振阵列组成，原级磁共振阵列和次级磁共振阵列均由多个磁共振单元组成，每个磁共振单元均由一个磁共振线圈和共振调谐电容组成，磁共振线圈的首端、末端分别连接共振调谐电容的两端。通过本发明，极大地减小了激励频率在选择上的困难度，解决了磁共振线圈调谐困难的问题，并且提高了系统使用的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线能量传输系统，尤其是一种基于磁共振阵列的无线能量传输系统。
背景技术
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是利用微波源或者激光源把直流电转变为微波或者激光，然后由天线发射出去。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，且产生的电磁辐射/激光光束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在邻近位置上，当电流在一个线圈中流动时产生的磁通量作为媒介，导致另一个线圈中产生电动势。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。
磁共振耦合式无线能量传输技术根据两个具有相同谐振频率的物体能够耦合，而与环境中其他非谐振物体的相互作用很小，可以在非辐射场通过谐振耦合的方式实现中距离能量的传输。然而，磁共振无线能量传输技术在实际应用中最大的困难在于磁共振线圈的调谐。
传统的磁共振无线能量传输系统如图1所示，由原级部分1和次级部分2组成，原级部分1由主功率变换器3、原级谐振电容4、原级磁感应线圈5和原级磁共振单元6，次级部分由功率控制器7、次级谐振电容8、次级磁感应线圈9和次级磁共振单元10，主功率变换器3的输出端分别连接原级谐振电容4的两端，该原级谐振电容4的两端还分别连接原级磁感应线圈5的首端、末端，该原级磁共振单元6间隔设置在原级磁感应线圈5的前方且由一个原级磁共振线圈和一个原级共振调谐电容组成，其中该原级磁共振线圈的首端、末端分别连接该原级共振调谐电容的两端；该次级磁共振单元10间隔设置在次级磁感应线圈9的前方且由一个次级磁感应线圈和一个次级共振调谐电容，其中该次级磁感应线圈的首端、末端分别连接次级共振调谐电容的两端，该次级磁感应线圈9的首端、末端分别连接次级谐振电容8的两端且次级谐振电容8的两端还分别连接功率控制器的输入端。
传统的磁共振无线能量传输系统的工作原理为：在原级部分1，主功率变换器1接收工频交流且将该工频交流变换为高频谐振形式的能量（即电压和电流），传输给由原级谐振电容4和原级磁感应线圈5组成的原级谐振回路，高频谐振形式的能量在该原级谐振回路中激发谐振并且在原级磁感应线圈5的周围产生高频交流磁场，在该高频交流磁场的作用下，原级磁共振单元6与次级磁共振单元10之间产生磁共振，实现将能量从原级部分1传输至次级部分2。在次级部分接收到能量后，次级磁共振单元10的周围产生高频交流磁场，在高频交流磁场的作用下次级磁感应线圈9产生感应电动势，并且在由次级磁感应线圈9和次级谐振电容8组成的次级谐振回路中形成谐振，感应电动势通过功率控制器向负载输出。
在磁共振无线能量传输系统中由于磁共振线圈的品质因素较高，因此要求原级部分的激励频率与磁共振线圈的固有振荡频率非常接近，通常容许的偏差不能超过几百Hz，才能保证整个传输系统的有效工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于磁共振阵列的无线能量传输系统，极大地减小了激励频率在选择上的困难度，解决了磁共振线圈调谐困难的问题，并且提高了系统使用的灵活性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于磁共振阵列的无线能量传输系统，其包括原级部分和次级部分，其中所述原级部分（1）包括主功率变换器（3）、原级谐振电容（4）和原级磁感应线圈（5），其中所述主功率变换器（3）的输出端分别连接所述原级谐振电容（4）的两端，所述原级谐振电容（4）的两端还连接所述原级磁感应线圈（5）的首端、末端；
所述次级部分（2）包括次级磁感应线圈（9）、次级谐振电容（8）和功率控制器（7），其中所述次级磁感应线圈（9）的首端、末端分别连接所述次级谐振电容（8）的两端，所述次级谐振电容（8）的两端还连接所述功率控制器（7）的输入端；
其特征在于：所述原级部分（1）还包括原级磁共振阵列（6’）且所述次级部分（2）还包括次级磁共振阵列（10’），所述原级磁共振阵列（6’）和所述次级磁共振阵列（10’）均由多个磁共振单元组成，每个磁共振单元均由一个磁共振线圈和共振调谐电容组成，其中所述磁共振线圈的首端、末端分别连接所述共振调谐电容的两端；
所述原级磁共振阵列（6’）的各磁共振单元之间的位置关系为并排设置或重叠设置；
所述次级磁共振阵列（10’）的各磁共振单元之间的位置关系为并排设置或重叠设置；
在高频交流磁场的作用下，所述原级磁共振阵列（6’）与次级磁共振阵列（10’）之间产生磁共振，实现将能量从原级部分（1）传输至次级部分（2）；
所述原级磁共振阵列（6’）和所述次级磁共振阵列（10’）存在多个固有振荡频率，呈现出一条连续性的共振频率带，原级部分的激励频率只要设置为该共振频率带上的任何一个值都可以保证系统的有效工作。
所述原级部分（1）中所述原级谐振电容（4）、原级磁感应线圈（5）分别与所述次级部分（2）中所述次级谐振电容（8）、次级磁感应线圈（9）完全相同。
所述原级部分（1）中所述原级磁共振阵列（6’）与所述次级部分（2）中所述次级磁共振阵列（10’）中磁共振单元的个数、共振频率和结构完全相同。
所述原级磁共振阵列（6’）与次级磁共振阵列（10’）中所有磁共振单元的理论固有频率相同。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
传统的磁共振无线传输系统仅采用一个磁共振单元，即仅存在一个固有振荡频率，只有将激励频率设置为该固有振荡频率时才能保证整个系统的有效工作，本发明采用多个磁共振单元来替代单个磁共振单元，即使各磁共振单元的理论固有振荡频率相等，在制造过程中实际振荡频率也会存在偏差，因此本发明存在多个固有振荡频率，只要激励频率的值为该多个固有振荡频率中的其中之一即可保证整个系统的有效工作。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是传统磁共振无线能量传输系统的电路原理图；
图2是本发明中基于磁共振阵列的无线能量传输系统的电路原理图。
图中标记：1为原级部分，2为次级部分，3为主功率变换器，4为原级谐振电容，5为原级磁感应线圈，6为原级磁共振单元，6’为原级磁共振阵列，7为功率控制器，8为次级谐振电容，9为次级磁感应线圈，10为次级磁共振单元，10’为次级磁共振阵列。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本发明的一个实施例中原级部分1、次级部分2的原级磁共振阵列6’和次级磁共振阵列10’中均采用9个磁共振单元，每个磁共振单元由一个磁共振线圈和一个共振调谐电容组成，磁共振线圈的首端、末端分别连接共振调谐电容的两端。如图2所示，该磁共振无线能量传输系统由原级部分1和次级部分2组成，原级部分1由主功率变换器3、原级谐振电容4、原级磁感应线圈5和原级磁共振阵列6’组成，主功率变换器3的输出端分别连接原级谐振电容4的两端且原级谐振电容4的两端还分别连接原级磁感应线圈5的首端、末端，原级磁共振线圈阵列6间隔设置在原级磁感应线圈的前方；次级部分2由功率控制器7、次级谐振电容8、次级磁感应线圈9和次级磁共振阵列10’组成，该次级磁共振阵列10’间隔设置在次级磁感应线圈9的前方，次级磁感应线圈9的首端、末端分别连接次级谐振电容8的两端且次级谐振电容8的两端还连接功率控制器7的输入端，其中该原级磁共振阵列6’和次级磁共振阵列10’中均包括9个磁共振单元，每一磁共振单元由一个磁共振线圈和一个共振调谐电容组成，磁共振线圈的首端、末端分别连接共振调谐电容的两端，且各磁共振单元之间的位置关系可以为并排设置，也可以是重叠设置等其他方式。
应注意的是：根据不同的实际需求，该原级磁共振阵列6’和次级磁共振阵列10’还可以由其他数量的磁共振单元组成，包括但不限於9个磁共振单元。
本发明的工作原理为：在原级部分1，主功率变换器用于接收工频交流且将该工频交流变换为高频谐振形式的能量（即电压和电流）后传输给由原级谐振电容4和原级磁感应线圈5组成的原级谐振回路，高频谐振形式的能量在原级谐振回路中激发谐振，并在原级磁感应线圈5的周围形成高频交流磁场，在该高频交流磁场的作用下原级磁共振阵列6’与次级磁共振阵列10’之间产生磁共振，实现将能量从原级部分1传输至次级部分2。
在次级部分2接收到能量后，次级磁共振阵列10’的周围产生高频交流磁场，在高频交流磁场的作用下次级磁感应线圈9产生感应电动势，并在由次级磁感应线圈9和次级谐振电容8组成的次级谐振回路中形成谐振，该感应电动势通过功率控制器7向负载输出。
为了保证整个无线能量传输系统有效工作，原级部分的激励频率必须与原级磁共振线圈的固有振荡频率相同，传统的磁共振无线能量传输系统中仅存在一个原级磁共振单元，即仅存在一个固有振荡频率，原级部分的激励频率只有设置在该固有振荡频率上才能保证系统的有效工作。本发明在原级部分采用多个原级磁共振单元来替代单个原级磁共振单元，每个原级磁共振单元均由一个磁共振线圈和一个共振调谐电容组成，磁共振线圈的首端、末端分别连接共振调谐电容的两端，在设计的过程中可以将各原级磁共振单元中磁共振线圈的理论固有振荡频率设置为相同的值，但是通常磁共振线圈的实际固有振荡频率与理论固有振荡频率之间存在一定的偏差，因此本发明存在多个固有振荡频率，呈现出一条连续性的共振频率带，原级部分的激励频率只要设置为该共振频率带上的任何一个值都可以保证系统的有效工作。由此可见，本发明极大地减小了激励频率在选择上的困难度，解决了磁共振线圈调谐困难的问题。此外，由于存在多个磁共振单元，在保证最大功率传输的条件下，允许位于两侧的磁共振单元相对滑动，从而使得能量发射端和接收端具有更大的灵活性。
为了保证共振能量传递，原级磁共振阵列和次级磁共振阵列中磁共振单元的个数、共振频率及结构完全相同，原级部分1中原级谐振电容4、原级磁感应线圈5分别与次级部分2中次级谐振电容8、次级磁感应线圈9完全相同。当然，在原级磁共振阵列中磁共振线圈的固有振荡频率可以不相同，此时次级磁共振矩阵中磁共振线圈的固有振荡频率对应地发生变化。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (4)
1.一种基于磁共振阵列的无线能量传输系统，其包括原级部分和次级部分，其中所述原级部分（1）包括主功率变换器（3）、原级谐振电容（4）和原级磁感应线圈（5），其中所述主功率变换器（3）的输出端分别连接所述原级谐振电容（4）的两端，所述原级谐振电容（4）的两端还连接所述原级磁感应线圈（5）的首端、末端；
所述次级部分（2）包括次级磁感应线圈（9）、次级谐振电容（8）和功率控制器（7），其中所述次级磁感应线圈（9）的首端、末端分别连接所述次级谐振电容（8）的两端，所述次级谐振电容（8）的两端还连接所述功率控制器（7）的输入端；
其特征在于：所述原级部分（1）还包括原级磁共振阵列（6’）且所述次级部分（2）还包括次级磁共振阵列（10’），所述原级磁共振阵列（6’）和所述次级磁共振阵列（10’）均由多个磁共振单元组成，每个磁共振单元均由一个磁共振线圈和共振调谐电容组成，其中所述磁共振线圈的首端、末端分别连接所述共振调谐电容的两端;
所述原级磁共振阵列（6’）的各磁共振单元之间的位置关系为并排设置或重叠设置；
所述次级磁共振阵列（10’）的各磁共振单元之间的位置关系为并排设置或重叠设置；
在高频交流磁场的作用下，所述原级磁共振阵列（6’）与次级磁共振阵列（10’）之间产生磁共振，实现将能量从原级部分（1）传输至次级部分（2）；
所述原级磁共振阵列（6’）和所述次级磁共振阵列（10’）存在多个固有振荡频率，呈现出一条连续性的共振频率带，原级部分的激励频率只要设置为该共振频率带上的任何一个值都可以保证系统的有效工作。
2.根据权利要求1所述的基于磁共振阵列的无线能量传输系统，其特征在于：所述原级部分（1）中所述原级谐振电容（4）、原级磁感应线圈（5）分别与所述次级部分（2）中次级谐振电容（8）、次级磁感应线圈（9）完全相同。
3.根据权利要求1所述的基于磁共振阵列的无线能量传输系统，其特征在于：所述原级部分（1）中所述原级磁共振阵列（6’）与所述次级部分（2）中所述次级磁共振阵列（10’）中磁共振单元的个数、共振频率和结构完全相同。
4.根据权利要求1～3中任何一项所述的基于磁共振阵列的无线能量传输系统，其特征在于：所述原级磁共振阵列（6’）与次级磁共振阵列（10’）中所有磁共振单元的理论固有频率相同。
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