CN103368272A - 一种无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明为克服现有无线能量传输系统系统能量传输距离的缺点，提供一种无线能量传输系统，通过沿能量传输方向依次设置多个磁共振接收模块，使能量传输能相继级联式传输，以获得更远距离的无线能量传输，特别对于一些如水下作业、矿井等特殊应用领域的供电系统而言，具有安全、方便的优点。

Description

一种无线能量传输系统

【技术领域】

本发明涉及无线能量传输领域，具体地涉及一种基于磁共振原理的无线能量传输系统。

【背景技术】

目前，无线能量传输技术主要基于三种原理，分别是电磁感应式、磁共振式以及辐射式，电磁感应式(非接触感应式)电能传输电路的基本特征是原副边电路分离，原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合感应相联系。电磁感应式的特点是：有较大气隙存在，使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能的固有缺陷；但是，较大气隙的存在也使得系统漏磁与激磁相当，甚至比激磁高；因此，基于磁感应技术的原因，充电线圈基板与接收线圈基板之间的实际有效充电空间距离大约为5mm，当两者之间的空间距离超过5mm时则无法进行充电工作。

磁共振式(又称WiTricity技术)是由麻省理工学院(MIT)物理系、电子工程、计算机科学系，以及军事奈米技术研究所(Institute for SoldierNanotechnologies)的研究人员提出的。系统采用两个固有频率相同的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。2007年6月，来自麻省理工学院的研究人员通过电磁线圈实现了距离2米的60W电力的传输，他们采用了全新的思考方式，采用了两个能够实现共振的铜线圈，依靠共振进行能量的传输。现有的基于磁共振的无线能量传输系统包括信号激励电路、发射天线、磁共振发射模块和设置在负载设备内的磁共振接收模块、接收天线和接收电路，磁共振发射模块和磁共振接收模块为绕制的单匝或多匝铜线圈，在实际应用中，铜线圈的固有频率往往不易调节，并且很难与系统工作频率完全相等，因而系统能量传输效率较低。

辐射式又分为无线电波式、微波方式、激光方式等，如，Powercast公司基于无线电波式研制出可以将无线电波转化成直流电的接收装置，可在约1米范围内为不同电子装置的电池充电。其缺点是能够传输的能量小，应用范围有限。

对于一些如水下作业、矿井等特殊应用领域的供电系统而言，一方面需要避免因有线传输漏电而造成的事故，最好的办法就是采用无线能量传输方式，另一方面要求供电传输的距离足够长，虽然现有基于磁共振原理的无线能量传输系统能在月2米的距离内进行能量传输，但是仍然不能满足需要。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：克服现有无线能量传输系统系统能量传输距离短的缺点，提供一种系统能量传输距离更长的无线能量传输系统。

本发明实现发明目的所采用的技术方案是，一种无线能量传输系统，包括磁信号发射电路、磁共振发射模块、磁共振接收模块和接收电路，所述磁共振发射模块连接所述磁信号发射电路，所述磁共振发射模块与所述磁共振接收模块之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，所述磁共振接收模块连接接收电路以为负载设备提供电能，所述无线能量传输系统包括至少两个磁共振接收模块，所述磁共振接收模块沿能量传输方向依次排列，每个所述磁共振接收模块分别连接一接收电路以为多个负载设备提供电能。

具体地，所述磁共振发射模块包括共振发射线圈、发射天线和发射端基板，所述共振发射线圈和所述发射天线固定在所述发射端基板上，所述发射天线与所述磁信号发射电路的输出端连接；所述磁共振接收模块包括共振接收线圈、接收天线和接收端基板，所述共振接收线圈和所述接收天线固定在所述接收端基板上，所述接收天线与所述接收电路的输入端连接。

具体地，所述共振发射线圈和所述共振接收线圈均为圆环形平面螺绕线圈，所述发射天线设置在所述共振发射线圈的螺绕中心位置，所述接收天线设置在所述共振接收线圈的螺绕中心位置。

具体地，所述发射天线和所述接收天线均为单圈漆包线线圈，所述单圈漆包线线圈位的直径小于所述圆环形平面螺绕线圈的内径。

优选地，所述圆环形平面螺绕线圈的内径与外径之比为1∶2。

优选地，所述共振发射线圈和所述共振接收线圈各连接有一电容。

具体地，所述磁信号发射电路为磁场谐振激发电路，所述磁场谐振激发电路产生特定工作频率的驱动信号，所述驱动信号由所述发射天线进行发射。

具体地，所述接收电路为整流电路，所述整流电路将所述接收天线接收到的能量转换为电能输出。

优选地，各个所述磁共振接收模块的前端集成设置有一超材料，所述超材料的磁导率等于-1，所述超材料的谐振频率与所述磁信号发射电路发射的磁信号的频率相等。

优选地，所述超材料与所述磁共振接收模块之间的距离小于1厘米。

本发明的有益效果是：通过沿能量传输方向依次设置多个磁共振接收模块，使能量传输能相继级联式传输，以获得更远距离的无线能量传输，特别对于一些如水下作业、矿井等特殊应用领域的供电系统而言，具有安全、方便的优点。

【附图说明】

图1，无线能量传输系统的整体结构示意图。

图2，磁共振发射模块结构示意图。

图3，磁共振接收模块结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明进行详细说明。

一种无线能量传输系统，结构示意图参看附图1，包括磁信号发射电路1、磁共振发射模块2、沿能量传输方向依次排列的多个磁共振接收模块3以及分别与多个磁共振接收模块3连接的接收电路4，每个接收电路4分别连接到负载设备5，以为各个负载设备5提供电能，同时，每个磁共振接收模块3集成设置有一超材料6，各部分具体的结构和说明如下。

磁信号发射电路1为磁场谐振激发电路，该磁场谐振激发电路产生特定工作频率的驱动信号。

磁共振发射模块2的结构示意图参看附图2，包括共振发射线圈21、发射天线22、发射端基板23和电容24，共振发射线圈21和发射天线22固定在发射端基板23上，发射天线22与磁信号发射电路1的输出端连接，共振发射线圈21为圆环形平面螺绕线圈，发射天线22为单圈漆包线线圈，发射天线22设置在共振发射线圈21的螺绕中心位置，发射天线22的直径小于共振发射线圈21的内径，共振发射线圈21的螺绕起点和螺绕终点分别通过引线连接电容24。

磁共振接收模块3的结构示意图参看附图3，包括共振接收线圈31、接收天线32和接收端基板33，共振接收线圈31和接收天线32固定在接收端基板33上，接收天线32与接收电路4的输入端连接，接收电路4的输出端连接负载设备5以为负载设备5提供电能。共振接收线圈31为圆环形平面螺绕线圈，接收天线32为单圈漆包线线圈，接收天线32设置在共振接收线圈31的螺绕中心位置，接收天线32的直径小于共振接收线圈31的内径，共振接收线圈31的螺绕起点和螺绕终点分别通过引线连接电容34，共振接收线圈31与共振发射线圈21具有相同的固有频率以实现磁共振，电容24和电容34的设置一方面是为了对共振接收线圈31与共振发射线圈21的固有频率进行调节，另一方面是为了降低共振接收线圈31与共振发射线圈21的共振频率。

作为优选设计，共振接收线圈31与共振发射线圈21的内径与外径之比设计为1∶2，以获得更好的能量传输效率。

超材料6与磁共振接收模块3集成设置，超材料6的磁导率等于-1，超材料6的谐振频率与磁信号发射电路1发射的磁信号的频率相等，超材料6的设置能增强共振场倏逝线的耦合，提高共振接收线圈31与共振发射线圈21之间的能量传输效率。作为优选设计，超材料6与磁共振接收模块3之间的距离小于1厘米，以获得更好的增强效果。

接收电路4为整流电路，该整流电路将接收天线32接收到的能量转换为电能输出到负载设备5。

上述无线能量传输系统的工作原理是，磁信号发射电路1产生特定工作频率的驱动信号，发射天线22连接磁信号发射电路1的输出端并以馈电的方式发射磁场信号，该磁场信号的频率与共振接收线圈31与共振发射线圈21的共振频率相等，在该磁场信号的作用下共振接收线圈31与共振发射线圈21发生磁共振，并通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，与共振接收模块3集成设置的超材料6属于一种人工合成的复合材料，一般包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，介质基板为介电材料，人造微结构为导电材料，通过将人造微结构设计为磁性微结构，即每个人造微结构(一般称为cell)均为开口环结构，可以使超材料在某些频率具有负磁导率的特性，由于该类开口环结构可等效为LC谐振电路，所以通过多个磁性微结构的阵列可实现对磁场的增强，进而加强共振场倏逝线的耦合，提高能量接收效率。本发明的无线能量传输系统基于该磁共振的原理，多个磁共振接收模块3沿能量传输方向呈级联式排列，以获得更远距离的无线能量传输，特别对于一些如水下作业、矿井等特殊应用领域的供电系统而言，具有安全、方便的优点。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (10)

1.一种无线能量传输系统，包括磁信号发射电路、磁共振发射模块、磁共振接收模块和接收电路，所述磁共振发射模块连接所述磁信号发射电路，所述磁共振发射模块与所述磁共振接收模块之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，所述磁共振接收模块连接接收电路以为负载设备提供电能，其特征在于：所述无线能量传输系统包括至少两个磁共振接收模块，所述磁共振接收模块沿能量传输方向依次排列，每个所述磁共振接收模块分别连接一接收电路以为多个负载设备提供电能。

2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述磁共振发射模块包括共振发射线圈、发射天线和发射端基板，所述共振发射线圈和所述发射天线固定在所述发射端基板上，所述发射天线与所述磁信号发射电路的输出端连接；所述磁共振接收模块包括共振接收线圈、接收天线和接收端基板，所述共振接收线圈和所述接收天线固定在所述接收端基板上，所述接收天线与所述接收电路的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述共振发射线圈和所述共振接收线圈均为圆环形平面螺绕线圈，所述发射天线设置在所述共振发射线圈的螺绕中心位置，所述接收天线设置在所述共振接收线圈的螺绕中心位置。

4.根据权利要求3所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述发射天线和所述接收天线均为单圈漆包线线圈，所述单圈漆包线线圈位的直径小于所述圆环形平面螺绕线圈的内径。

5.根据权利要求3所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述圆环形平面螺绕线圈的内径与外径之比为1∶2。

6.根据权利要求2所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述共振发射线圈和所述共振接收线圈各连接有一电容。

7.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述磁信号发射电路为磁场谐振激发电路，所述磁场谐振激发电路产生特定工作频率的驱动信号，所述驱动信号由所述发射天线进行发射。

8.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述接收电路为整流电路，所述整流电路将所述接收天线接收到的能量转换为电能输出。

9.根据权利要求1至8任一项所述的无线能量传输系统，其特征在于：各个所述磁共振接收模块的前端集成设置有一超材料，所述超材料的磁导率等于-1，所述超材料的谐振频率与所述磁信号发射电路发射的磁信号的频率相等。

10.根据权利要求9所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述超材料与所述磁共振接收模块之间的距离小于1厘米。

Images