CN102545398B - 用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置，其包括：发射端，用于接收市电，并将市电交流信号转换为高频交流信号；并联的发射线圈和发射谐振电容，与所述发射端连接，用于发射高频交流信号；并联的接收线圈和接收谐振电容，用于接收高频交流信号；接收端，与所述接收线圈和接收谐振电容连接，用于将高频交流信号转换为电子设备负载所需的电流信号；其中，所述发射线圈和所述接收线圈耦合。本发明通过接收并转换市电，可以实现大功率发射，并通过发射元件与接收元件的谐振实现了较高效率的传输供电。

Description

用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置

技术领域

本发明涉及一种无线供电系统，尤其涉及一种用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置。

背景技术

在实际生产和生活中，电能是必不可少的资源，而电能的获取一般是通过有线连接的接触方式获得的，因此电能的传输具有一定局限性。在某些特殊的环境中，例如为旋转的轴载物体内部的电子设备供电时，现场环境条件较好时可以通过接触的方式(如电刷)进行供电。但是，在环境湿度大、粉尘大等恶劣环境中，接触式供电方式可能会产生火花使供电不稳定甚至产生危险，而且这样也会产生一定的摩擦力，对旋转设备造成影响，而有线供电方式显然又是不可行的。在这种情况下就需要一种能够通过无线方式对旋转体内部的电子设备稳定供电的设备来完成这项工作。

针对以上问题，业界也已经推出了可以无线供电的技术，例如RFID，其大都采用发射线圈和谐振电容的LC震荡的方法。然而，现有技术普遍存在发射功率偏小、没有保护措施、无法手动设定和调整发射功率、无法显示发射功率和系统状态、传输效率不高以及存在电磁兼容(EMC)安全的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置，以至少解决现有技术存在的发射功率小等问题。

为了实现本发明的目的，本发明提供的用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置包括：发射端，用于接收市电，并将市电交流信号转换为高频交流信号；并联的发射线圈和发射谐振电容，与所述发射端连接，用于发射高频交流信号；并联的接收线圈和接收谐振电容，用于接收高频交流信号；接收端，与所述接收线圈和接收谐振电容连接，用于将高频交流信号转换为电子设备负载所需的电流信号；其中，所述发射线圈和所述接收线圈耦合。

本发明通过接收并转换市电，可以实现大功率发射，并通过发射元件与接收元件的谐振实现了较高效率的传输供电。

根据所述用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置的一种优选实施方式，其中，所述发射端包括：整流滤波电路，连接于并联的所述发射线圈和发射谐振电容的一端，用于将市电信号转换为直流信号并输出至所述发射线圈和发射谐振电容；功率开关管，连接于并联的所述发射线圈和发射谐振电容的另一端；功率开关管驱动电路，与所述功率开关管连接，用于控制所述功率开关管的导通；过压检测与自同步电路，与所述功率开关管驱动电路连接，用于产生所述功率开关管的驱动信号以及检测到过压信号关闭所述功率开关管，并根据电子设备负载的不同自动适应发射频率以实现自同步；微控制器，与所述功率开关管驱动电路和所述过压检测与自同步电路连接，用于实现系统控制、功率调整；输入输出模块，与所述微控制器连接，用于输入指令、显示系统信息；电源模块，与所述功率开关管驱动电路、微控制器、过压检测与自同步电路连接并提供直流工作电源。

根据所述用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置的一种优选实施方式，其中，所述发射端还包括：电流检测电路，与所述微控制器连接，用于检测输入所述整流滤波电路的电流，并输出检测结果以使所述微控制器计算功率。

根据所述用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置的一种优选实施方式，其中，所述发射端还包括：电磁兼容滤波器，连接于市电和所述整流滤波器、所述电源模块之间，用于隔离高频干扰。

根据所述用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置的一种优选实施方式，其中，所述过压检测与自同步电路包括：一第一电阻的一端连接于一第一比较器的第一输入端，一第二电阻的一端连接于所述第一比较器的第二输入端，一第三电阻连接于所述第一比较器的第一输入端和地之间，一第四电阻连接于所述第一比较器的第二输入端和地之间，所述第一比较器的输出端连接于一第五电阻的一端、一第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接于一第一二极管的阳极、一第六电阻的一端、一第七电阻的一端，所述第五电阻的另一端、所述第一二极管的阴极、所述第六电阻的另一端连接于所述电源模块，所述第七电阻的另一端连接于一第二二极管的阴极、一第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端连接于一第三二极管的阳极、一第二比较器的第一输入端，所述第二二极管的阳极、所述第三二极管的阴极连接于所述微控制器以接收系统启动信号，所述第二比较器的第二输入端与所述微控制器连接以接收参考电压信号，所述第二比较器的输出端连接于一第九电阻的一端和所述功率开关管驱动电路，所述第九电阻的另一端连接于所述电源模块。

根据所述用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置的一种优选实施方式，其中，所述接收端包括：一第三一二极管的阴极连接于一第三二电容的一端，所述第三一二极管的阳极和所述第三二电容的另一端连接于所述接收谐振电容的两端，且所述第三二电容的两端还用于与电子设备负载连接。

根据所述用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置的一种优选实施方式，其中，所述接收端还包括：一第三三电容并联于所述第三二电容的两端，一三端稳压器的第一输入端连接于所述第三一二极管的阴极，所述三端稳压器的第二输入端连接于一可调电阻的一端，所述三端稳压器的输出端连接于一第三七电容的一端和一第三八二极管阴极，所述第三七电容的另一端、所述第三八二极管的阳极、所述可调电阻的另一端连接于地。

根据所述用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置的一种优选实施方式，其中，所述接收线圈嵌入所述发射线圈中，并且所述接收线圈和所述发射线圈同轴。

根据所述用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置的一种优选实施方式，其中，所述接收线圈和所述发射线圈的相对端还设有用于防止电磁能量泄漏的防泄漏磁盘。

根据所述用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置的一种优选实施方式，其中，所述防泄漏磁盘包括多个径向分布的磁条。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例一的原理结构示意图；

图2为本发明优选实施例一的发射端的原理结构示意图；

图3为本发明优选实施例一的过压检测与自同步电路的结构示意图；

图4为本发明优选实施例一的接收端的原理结构示意图；

图5为本发明优选实施例一的发射线圈和接收线圈的耦合结构示意图；

图6为图5中防泄漏磁盘的结构示意图；

图7为本发明优选实施例二的发射线圈和接收线圈的耦合结构示意图；

图8为本发明优选实施例三的发射线圈和接收线圈的耦合结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示意性的示出了本发明优选实施例一的原理结构，如图所示，本发明优选实施例一主要包括发射端2、接收端3、发射线圈L1、发射谐振电容C1、接收线圈L10和接收谐振电容C10。市电输入电路1向发射端2提供单相交流额定电压为220V的市电，为发射端2提供工作电源同时也是发射端2发射的电能的来源。发射线圈L1、接收线圈L10的形状根据需要可为圆形、方形或其他形状。并联的发射谐振电容C1与发射线圈L1产生交变的电压信号，进而产生变化的磁场，发射线圈L1为空心的电感线圈。发射端2将市电的交流(AC)信号转换为相对稳定直流(DC)信号，例如300V直流信号，然后通过内部电路将此直流信号转换成高频的交流信号并通过发射谐振电容C1和发射线圈L1将电能发射出去。整个过程为一个AC—DC—AC的转换过程。发射线圈L1和接收线圈L10耦合，使得并联的接收线圈L10与接收谐振电容C10得以接收发射端2发射的高频交变电压信号，为接收端3后续电路提供电能。在本优选实施例中，接收谐振电容C10为聚丙烯(CBB)电容，以改善系统的电性能和提升系统可靠性。接收谐振电容C10的容值大小根据接收线圈L10的电感量大小而不同，接收线圈L10与接收谐振电容C10的谐振频率和发射线圈L1与发射谐振电容C1的谐振频率相同，这样可以获得最佳的传输效率。接收端3接收发射端2发射的高频交流信号，然后通过后续电路将其变换为直流信号或者再进行转换，例如，图3所示的三端稳压器34将该直流信号转换成电子设备负载4需要的直流信号，接收端3的整个工作过程是AC—DC—DC。

图2示出了本发明优选实施例一的发射端2的原理结构，该发射端2包括：整流滤波电路22连接于发射线圈L1和发射谐振电容C1，用于将市电信号转换为直流信号并输出至发射线圈L1和发射谐振电容C1。功率开关管210连接于发射线圈L1和发射谐振电容C1的另一端，以控制发射线圈L1和发射谐振电容C1发射信号。功率开关管驱动电路28与功率开关管210连接，用于控制功率开关管210的导通，功率开关管210还连接有具有保护之用的二极管211和电阻212。过压检测与自同步电路29和功率开关管驱动电路28连接，用于产生功率开关管210的驱动信号以及检测到过压信号后关闭MOS管，并根据电子设备负载的不同自动适应发射频率以实现自同步。微控制器26与功率开关管驱动电路28、过压检测与自同步电路29以及作为输入输出模块的键盘24、显示器25连接，用于实现系统控制、功率调整、数据计算。键盘24、显示器25则是用于输入指令、显示系统信息，显示器25可以为LCD、OLED或CRT等多种类型的显示器。电源模块27则向与其连接的器件提供直流工作电源。

运行时，市电输入电路1接收额定电压为220V的单相交流电压信号并输入至发射端2的电源模块27以向与其连接的微控制器26、功率开关管驱动电路28和过压检测与自同步电路29提供工作电源。电源模块27可以为发射端2的各芯片提供所需的不同电压，例如所需电压可能有+5V，+15V和-15V。整流滤波电路22将交流电压信号变换为相对稳定的直流电压信号，并将该直流电压加到发射谐振电容C1和发射线圈L1上。功率开关管210为大功率N沟道增强型MOS管，初始处于断开状态，发射线圈L1中没有电流流过，通过操作键盘24，由微控制器26发出启动控制信号给过压检测与自同步电路29，并由过压检测与自同步电路29产生功率开关管驱动信号传递给功率开关管驱动电路28，通过功率开关管驱动电路28驱动功率开关管210从而使发射线圈L1和发射谐振电容C1中产生高频电压信号。微控制器26同时通过给过压检测与自同步电路29产生大小不同的参考电压而达到控制发射功率的目的，该参考电压越大，发射功率就会越大，反之亦然。过压检测与自同步电路29可以同时具有多种电压保护等级，例如同时具有过300V与1000V保护功能，达到保护系统电路和功率开关管210的目的。

上述功能都是通过电路硬件实现的，无需通过微控制器26的控制就会关闭功率开关管210，具有速度更快、安全性更高的优点。

为了计算发射端2的功率，本优选实施例一的电流检测电路23可以通过互感器检测在市电输入整流滤波电路22之前的电流大小，并将测量结果传递给微控制器26，同时微控制器26控制显示器25显示发射功率和系统状态，以及在特殊情况下控制强制产生关闭信号。

电磁兼容(EMC)滤波器213是电源噪声滤波器，其可以包含保险丝，主要作用隔离高频干扰，包括防止电网上的高频干扰进入系统，防止内部的高频干扰反射进入电网。

图3示出了本实用新型优选实施例一的过压检测与自同步电路29的结构，由于图3清楚示出了其所包含的元器件，因此不再文字描述。如图所示，R1、R2、R3和R4为分压电阻，采集发射线圈L1与发射谐振电容C1两端的电压信号并共模输入给比较器U1A，在待机状态下比较器U1A的输出端，即电容C2的前端保持高电平，此时比较器U1B的输入端微控制器26提供的参考电压大于零，使得比较器U1B的输出端保持低电平，功率开关管210处于关闭状态。当通过键盘24启动系统时，微控制器26通过控制二极管D2和D3完成启动过程，使得比较器U1B的输出端输出一个短时间的高电平接通功率开关管210，接通功率开关管210后，由于比较器U1A的共模输入端电压发生变化使得其输出端由高电平变为低电平，由于电容C2两端电压不能突变，因此电容C2接电阻R6的一端由高电平变为低电平，而随后电源VCC通过电阻R6给电容C2充电，当充电电压值大于微控制器26提供的参考电压值时，比较器U1B的输出端由高电平变成低电平，关闭功率开关管210。此时发射线圈L1中有电流，由于电感中电流不能突变，发射线圈L1将为发射谐振电容C1充电。充电时，当电阻R2与电阻R4的分压值再次高于电阻R1与电阻R3的分压电阻时，比较器U1A的输出端由低电平再次变为高电平，同时电容C2通过二极管D1放电回VCC，再次回到高电平，此时比较器U1B的输出端继续保持低电平。当发射谐振电容C1被充电到峰值时会由充电过程变成放电过程。放电时，当电阻R2与电阻R4的分压值再次低于电阻R1与电阻R3的分压电阻时，比较器U1A的输出端由高电平再次变为低电平，电容C2接电阻R6的一端再次回到低电平，此时比较器U1B的输出端再次由低电平变成高电平，从而接通功率开关管210，如此往复循环系统便开始工作。电阻R5和电阻R9起上拉电阻的作用。在这个电路中影响谐振频率大小的是发射线圈L1的电感值与发射谐振电容C1电容值的大小，影响发射功率的是微控制器26提供的参考电压值的大小，如前所述，该电压值越大，发射功率越大，反之亦然。其中，参考电压可以通过微控制器26的脉冲脉宽调制(PWM)功能经滤波电路实现的，调整功率通过调整该PWM波特占空比来实现。

图4示出了本发明优选实施例一的接收端3的结构，如其所示，接收端3为了尽可能的节省用电损耗，应用了相比发射端2较少元件，接收线圈L10接收发射端2发射出的电能。由于发射端2由市电直接整流滤波得到，电压比较高，因此接收线圈L10匝数要小于发射线圈L1。为了更好的与发射线圈L1耦合，接收线圈L10的半径小于发射线圈L1，具体匝数要根据电压比等于匝数比的关系和实际需要来确定。接收谐振电容C10为储能好的聚丙烯(CBB)电容，接收线圈L10与接收谐振电容C10的谐振频率要保持和发射线圈L1与发射谐振电容C1的谐振频率相同。此外，由于接收线圈L10匝数比发射线圈L1小，根据电流比是匝数比的反比，接收线圈L10中的电流比较大，因此，在本优选实施例中，接收线圈L10漆包线的半径要比发射线圈L1大或采用多股缠绕的方式。快速恢复二极管31与滤波电解电容32将接收端3的交流电信号转换为相对稳定的直流电压信号从而完成AC—DC的变换，需要注意的是快速恢复二极管31需要选用可持续通过较高电流的二极管，滤波电解电容304也应大小适当，太大则造成系统起振困难，太小则造成电压不稳无法提供做够大的功率。三端稳压器34的输出端和一输入端之间连接有电阻36，且该输入端通过可调电阻35连接于低，三端稳压器34的输出电压通过可调电阻35调节，电容33和电容37则起到滤除高频干扰和稳压的作用。稳压二极管38起到防止输出过压的作用，这可根据实际需要选择不安装。接收端3可根据不同的需要定制不同的电路，仅有快速恢复二极管31和滤波电解电容32是不可少的。

图5示出了本发明优选实施例一的发射线圈L1和接收线圈L10的耦合结构，如其所示，接收线圈L10中加入有磁芯5。由于空心线圈难免有一些长度，当其有电流通过时，就会造成部分磁感线没有完全经过线圈内部全部空间而直接从侧面返回，这样就会导致该电感的实际电感量要小于相同匝数的理论值，从而影响系统的传输效果，因此在线圈中加入磁芯5起到聚磁的效果。磁芯5直径大小与接收线圈L10直径相当，因此同样略小于发射线圈L1，以便于插入其中。磁芯5可用铁氧体材料制作，或者用若干铁质金属片排列压制而成。

此外本发明优选实施例一的发射线圈L1和接收线圈L10的相对端分别设有防泄漏磁盘41、42，箭头6表示将接收线圈L10按箭头所示方向安装到发射线圈L1内部使其能够达到最佳的传输效果同时两线圈还能够自由的共轴转动。这样就形成了有磁芯有防泄漏磁盘的轴载无线供电系统，能够防止电能耗费在发射线圈L1和接收线圈L10后面的金属介质中。

在本优选实施例中，防泄漏磁盘41、42如图6所示，其包括环状磁条401和径向分布磁条402，二者可以用铁氧体粉末填充料压制而成，对电磁场进行屏蔽，能有效地防止电磁能量从后方泄漏，以确保安全。径向分布的磁条能够很好的收集磁感线，使其形成磁感线回路。盘面的半径要稍大于发射线圈L1和接收线圈L10的半径。为便于安装，还设计有小孔403。

如果现场环境良好，发射端2与接收端3周围没有金属介质那么可采用如图7所示的本发明优选实施例二的线圈安装方式，发射线圈L1匝数较多，半径大一些，接收线圈L10匝数少，半径略小于发射线圈L1，箭头6指示将接收线圈L10按箭头所示方向安装到发射线圈L1内部使其能够达到最佳的传输效果，同时两线圈还能够自由的共轴转动。

此外，发射线圈L1和接收线圈L10的安装结构还可以如图8所示，防泄漏磁盘的盘面与线圈平面平行，安装时尽量与线圈靠近并置于线圈后方。箭头6指示将接收线圈L10按箭头所示方向安装到发射线圈L10内部使其能够达到最佳的传输效果，同时两线圈还能够自由的共轴转动。

综上，本发明提供了一种发射功率大、保护措施完善、可调整发射功率、可显示发射功率和系统状态传输效率较高的无线方式供电系统。其可以根据需求设定需要的发射功率，还可增大或减小发射功率。本发明特别适用于需要旋转的轴载设备内部电子器件的供电，而在其他不需要旋转的无线供电的场合也具有较高的实用价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置，包括：

发射端，用于接收市电，并将市电交流信号转换为高频交流信号；

并联的发射线圈和发射谐振电容，与所述发射端连接，用于发射高频交流信号；

并联的接收线圈和接收谐振电容，用于接收高频交流信号；

接收端，与所述接收线圈和接收谐振电容连接，用于将高频交流信号转换为电子设备负载所需的电流信号；

其中，所述发射线圈和所述接收线圈耦合；

其中，所述发射端包括：

整流滤波电路，连接于并联的所述发射线圈和发射谐振电容的一端，用于将市电信号转换为直流信号并输出至所述发射线圈和发射谐振电容；

功率开关管，连接于并联的所述发射线圈和发射谐振电容的另一端；

功率开关管驱动电路，与所述功率开关管连接，用于控制所述功率开关管的导通；

过压检测与自同步电路，与所述功率开关管驱动电路连接，用于产生所述功率开关管的驱动信号以及检测到过压信号关闭所述功率开关管，并根据电子设备负载的不同自动适应发射频率以实现自同步；

微控制器，与所述功率开关管驱动电路和所述过压检测与自同步电路连接，用于实现系统控制、功率调整；

输入输出模块，与所述微控制器连接，用于输入指令、显示系统信息；

电源模块，与所述功率开关管驱动电路、微控制器、过压检测与自同步电路连接并提供直流工作电源；

电流检测电路，与所述微控制器连接，用于检测输入所述整流滤波电路的电流，并输出检测结果以使所述微控制器计算功率；

电磁兼容滤波器，连接于市电和所述整流滤波器、所述电源模块之间，用于隔离高频干扰；

其特征在于，

所述过压检测与自同步电路包括：

一第一电阻的一端连接于一第一比较器的第一输入端，一第二电阻的一端连接于所述第一比较器的第二输入端，一第三电阻连接于所述第一比较器的第一输入端和地之间，一第四电阻连接于所述第一比较器的第二输入端和地之间，所述第一比较器的输出端连接于一第五电阻的一端、一第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接于一第一二极管的阳极、一第六电阻的一端、一第七电阻的一端，所述第五电阻的另一端、所述第一二极管的阴极、所述第六电阻的另一端连接于所述电源模块，所述第七电阻的另一端连接于一第二二极管的阴极、一第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端连接于一第三二极管的阳极、一第二比较器的第一输入端，所述第二二极管的阳极、所述第三二极管的阴极连接于所述微控制器以接收系统启动信号，所述第二比较器的第二输入端与所述微控制器连接以接收参考电压信号，所述第二比较器的输出端连接于一第九电阻的一端和所述功率开关管驱动电路，所述第九电阻的另一端连接于所述电源模块。

2.根据权利要求1所述的用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置，其特征在于，所述接收端包括：

一第三一二极管的阴极连接于一第三二电容的一端，所述第三一二极管的阳极和所述第三二电容的另一端连接于所述接收谐振电容的两端，且所述第三二电容的两端还用于与电子设备负载连接。

3.根据权利要求2所述的用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置，其特征在于，所述接收端还包括：

一第三三电容并联于所述第三二电容的两端，一三端稳压器的第一输入端连接于所述第三一二极管的阴极，所述三端稳压器的第二输入端连接于一可调电阻的一端，所述三端稳压器的输出端连接于一第三七电容的一端和一第三八二极管阴极，所述第三七电容的另一端、所述第三八二极管的阳极、所述可调电阻的另一端连接于地。

4.根据权利要求1所述的用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置，其特征在于，所述接收线圈嵌入所述发射线圈中，并且所述接收线圈和所述发射线圈同轴。

5.根据权利要求4所述的用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置，其特征在于，所述接收线圈和所述发射线圈的相对端还设有用于防止电磁能量泄漏的防泄漏磁盘。

6.根据权利要求5所述的用于旋转体轴载电子设备的非接触供电装置，其特征在于，所述防泄漏磁盘包括多个径向分布的磁条。

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