CN103378656A - 三维无线电源 - Google Patents

Abstract

本发明所示的三维无线电源，主要由三部分组成：由发射线圈和发射电容组成的电磁发射环、由共振线圈和共振电容组成的共振衍生环、由接收线圈和接收电容组成的磁电接收环，电磁发射环通常置于地面上，共振衍生环可以隐蔽安放在桌面下，磁电接收环置于用电器内，三部分在结构上相对独立，在空间位置上有重叠、覆盖关系并有实际的磁场连接，却没有任何物理上的导体连接或机械接触。借助于共振衍生环的接力作用，能量可以在一定的空间内以磁场的方式传递到用电器内，可以同时对多个用电器供电，因此可以实现整个办公室或者整个房间的无线供电，实现无线办公和无线家居的理想概念。

Description

三维无线电源

技术领域

本发明是一种无线电源，特别是一种能向三维空间无线供电的电源，称为三维无线电源。

背景技术

无线供电以其方便性和安全性已逐步被人们认可，以电磁共振为基础的无线供电，目前已初步进入实用阶段，如手机的无线充电等就是例子。

但目前的无线供电还局限于几乎平面化的距离及小功率发射状态，只能定点使用，使得无线供电的产品寥寥无几，应用场所十分有限，并没有达到预期效果。

如何实现远距离的无线供电？如何实现大范围的无线供电？如何实现大功率的无线供电？本发明从实际出发，全面解决了上述问题。

发明内容

本发明所示的三维无线电源，主要由三部分组成：由发射线圈和发射电容组成的电磁发射环、由共振线圈和共振电容组成的共振衍生环、由接收线圈和接收电容组成的磁电接收环，电磁发射环通常置于地面上，共振衍生环可以隐蔽安放在桌面下，磁电接收环置于用电器内，其特征是：电磁发射环，共振衍生环，磁电接收环三部分都是由一个用导线绕制的线圈和一个等效电容连接的LC谐振环，这三个LC谐振环中线圈与等效电容的连接方式有两种：一种是串联，另一种是并联；三个LC谐振环均工作于同一谐振频率上，在结构上相对独立，在空间位置上有重叠、覆盖关系并有实际的磁场连接，却没有任何物理上的导体连接或机械接触。

电磁发射环将电能转化为磁能对外发射，在这个磁能所覆盖的空间内，放置共振衍生环，共振衍生环是完全独立的LC谐振环，用于吸收来自电磁发射环的磁能并产生共振，将磁能集中后，按接力的方式进行二次发射，在共振衍生环的磁能覆盖的空间内，放置磁电接收环，它将接收来自共振衍生环的磁能并转化为电能，这些电能经处理后为用电器提供能量。电磁发射环所发射的能量来自一个电磁驱动器，电磁发射环的两端与电磁驱动器的两个输出端相连，电磁发射环的谐振频率与电磁驱动器的基频相同。

实际应用中，电磁发射环中的发射电容通常置于电磁驱动器内，只有发射线圈在电磁驱动器的外部，但发射线圈与发射电容的连接方式不变。

电磁发射环的磁场覆盖的空间与电磁发射环的面积和发射功率有关，在功率足够的前提下，磁场的包围空间约为以发射线圈为赤道的苹果形，即高度大约为发射线圈的直径或边长的一半；电磁发射环的磁场在其覆盖的空间有较为均匀的分布，但由于共振衍生环的加入，磁场在某个区域的分布密度和方向发生了变化，利用这一点，可以实现定向供电和集中对某个用电器提供较多的电能。

材料：发射线圈、共振线圈和接收线圈均是由导线绕制而成的线圈，如漆包线等。

形状关系：电磁发射环，共振衍生环，磁电接收环三部分的形状一致时具有最好的效率，即有相似的形状，但大小可以不同，一般情况下，共振衍生环的尺寸不超过电磁发射环，磁电接收环的尺寸不超过共振衍生环；它们的主要形状包括圆形、方形、跑道形。

空间关系：在一个房间内，由于大部分电器工作于地面和桌面上，因此，电磁发射环通常置于地面上(如果大部分用电器工作于高处，电磁发射环就安置于天花板上)，共振衍生环可以隐蔽安放在桌面下，磁电接收环置于用电器内。一个电磁发射环覆盖的空间内可以放置一个以上的共振衍生环，一个共振衍生环覆盖的空间内可以放置一个以上的磁电接收环；当在垂直于电磁发射环平面的方向上放置两个或两个以上的共振衍生环(不一定都在法线上)，磁能将从电磁发射环传递到第一个共振衍生环，通过共振衍生环的接力作用，将磁能传递到第二共振衍生环，甚至第三共振衍生环，最后传递到磁电接收环，能量的传输距离将是它们的接力距离的叠加，因此，一个电磁发射环实际上可以为一个以上的用电器在一定距离和范围内进行磁场连接，实现较远距离的无线供电。

电能输出：磁电接收环的接收线圈的两端与整流和滤波电路相连，接收线圈的两端可以输出交流电，经整流和滤波后，转化为直流电输出；这个直流电可以直接给带有开关电源的交流用电器供电，若给直流用电器供电，通常需要使用DC/DC电路进行电压转换，或增加稳压电路后方可使用；若给只能使用50-60Hz交流的铁芯变压器的用电器供电，则需要绕过变压器，直接连到原有的滤波后的电源两端。

当磁电接收环与共振衍生环绑定在一起时，磁电接收环中的接收电容可以不用，直接从接收线圈的两端输出交流电。

本发明的有益效果：

由于共振衍生环的接力作用，能量可以在一定的空间内以磁场的方式传递到用电器内，本发明工作于安全频段，实际测试在3米甚至更远的距离内可以实现数瓦甚至数千瓦的电能供应，可以满足大部分电器的使用需要，更重要的是，这种能量分布不是点对点，而是在一定的空间内，可以同时对多个用电器供电，因此可以实现整个办公室或者整个房间的无线供电，实现无线办公和无线家居的理想概念。

附图说明

附图1A和1B是三维无线电源的两种基本组成原理图。

附图2A和2B是电磁发射环与电磁驱动器之间的连接原理图。

附图3A、3B和3C是电磁发射环，共振衍生环，磁电接收环在空间及数量上的分布示意图。

附图4A和4B是两种磁电接收原理图。

附图5是无线供电办公示意图。

附图1A和1B中，CT表示发射电容，LT表示发射线圈，它们串联或并联，组成电磁发射环；CM表示共振电容，LM表示共振线圈，它们串联组成共振衍生环；CR表示接收电容，LR表示接收线圈，它们并联组成磁电接收环。

附图2A和2B中，D表示电磁驱动器，CT表示发射电容，LT表示发射线圈，发射电容CT与发射线圈LT组成的发射环的两端直接与电磁驱动器D的两个输出端。

附图3A、3B和3C中，T表示一个电磁发射环，M1、M2和M3分别表示一个共振衍生环，R1、R2和R3分别表示一个磁电接收环。

附图4A和4B中，LR表示接收线圈，CR表示接收电容，它们组成磁电接收环；BG表示全桥整流管，D1表示一个整流管，L2表示电感，C3表示滤波电容，RD表示一个接收控制器。

附图5中，T表示一个电磁发射环，M表示在桌子中有一个共振衍生环，R1、R2、R3、R4和R5表示所在电器中分别有一个磁电接收环。

具体实施方式

以下结合实例，进一步说明了三维无线电源的原理和应用方法。

实例一、三维无线电源的组成形式。

附图1A和1B中，发射电容CT，发射线圈LT，它们串联或并联组成电磁发射环，共振电容CM，共振线圈LM，它们串联组成共振衍生环，接收电容CR，接收线圈LR，它们并联组成磁电接收环，这三个环相互独立，没有导线连接，也没有任何机械接触，电磁发射环通常置于地面上或天花板上，共振衍生环通常安置于桌子内，而磁电接收环必须放置在用电器内。

实际应用中，从工程安装的方便性和安全性出发，发射电容CT通常放在电磁驱动器内，只有发射线圈LT外置，但发射电容CT与发射线圈LT的连接关系不变，即串联或并联。

实例二、三维无线电源的空间分布

附图3A中，在一个电磁发射环T的上方，放置了一个共振衍生环M，在共振衍生环M的上方，放置了两个磁电接收环R1和R2，R1和R2代表两个用电器，即一个电磁发射环T通过共振衍生环M的接力作用，将能量传给了两个用电器使用，并且没有导线连接；

附图3B中，在一个电磁发射环T的上方，放置了二个共振衍生环M1和M2，在共振衍生环M1的上方放置了一个磁电接收环R1，在共振衍生环M2的上方放置了一个磁电接收环R2，R1和R2代表两个用电器；

附图3C中，在一个电磁发射环T的上方，放置了二个共振衍生环M1和M2，在共振衍生环M1的上方放置了二个磁电接收环R1和R2，而在在共振衍生环M3的上方放置了第三个共振衍生环M3和一个磁电接收环R3，磁电接收环R1、R2和R3分别代表一个用电器，这样，通过共振衍生环的接力作用，电能传递到较远的距离的三个用电器内。

实例三、办公桌面的应用

附图5中，T是一个电磁发射环，电磁发射环T的线圈沿着房间的四周绕制(实际应用时，线圈可以埋在地下或地毯下)，在电磁发射环T的磁场覆盖的空间内，放置了一个电风扇和一张办公桌，在电风扇的底部放置了一个磁电接收环R1，在办公桌内放置了一个共振衍生环M，桌面上放置了音箱、显示器、鼠标和键盘，在音箱内放置了一个磁电接收环R3接收音箱工作所需要的电能，在显示器内放置了一个磁电接收环R4接收显示器工作所需要的电能，在键盘内放置了一个磁电接收环R5接收键盘工作所需要的电能，在鼠标内放置了一个磁电接收环R2接收鼠标工作所需要的电能，结果，房间内所有用电器都实现了无线供电，如果将显示器的视频信号和音箱的音频信号采用无线连接，如WIFI连接，整个办公室就可以实现无线化。

实例四、磁电接收环与用电器的连接

附图4A中，磁电接收环的接收线圈LR与接收电容CR并联，接收线圈LR两端的交流电经整流器BG整流后，从电感L2流过，由滤波电容C滤波，转化为直流电输出；这个直流电可以直接给带有开关电源的交流用电器供电，不必改变原有的开关电源的任何结构；若给直流用电器供电，通常需要使用DC/DC电路进行电压转换，或增加LDO稳压电路后方可使用；若给只能使用50-60Hz交流的铁芯变压器的用电器供电，则需要绕过变压器，直接连到原有的滤波后的电源两端。

附图4B中，接收电容CR并没有直接与接收线圈LR并联，而是受控于接收控制器DR，接收控制器是一个压控电子开关，当输出电压不足时，接收控制器DR完全导通，这时相当于接收电容CR直接与接收线圈LR并联，电路工作于谐振状态；当输出电压超过一定值时，接收控制器DR开路，这时相当于接收电容CR开路，谐振状态被破坏，输出电压降低，以实现稳压的目的；接收线圈LR两端的交流电经整流器D整流后，流过电感L2后，由滤波电容C滤波，转化为直流电输出。

Claims (8)

1.一种三维无线电源，主要由三部分组成：由发射线圈和发射电容组成的电磁发射环、由共振线圈和共振电容组成的共振衍生环、由接收线圈和接收电容组成的磁电接收环，电磁发射环通常置于地面上，共振衍生环可以隐蔽安放在桌面下，磁电接收环置于用电器内，其特征是：电磁发射环，共振衍生环，磁电接收环都是分别由一个用导线绕制的线圈和一个等效电容连接的LC谐振环，这三个谐振环中线圈与等效电容连接方式有两种：一种是串联，另一种是并联；三个LC谐振环均工作于同一谐振频率上，在结构上相对独立，在空间位置上有重叠、覆盖关系并有实际的磁场连接，却没有任何物理上的导体连接或机械接触。

2.根据权利要求1所述的三维无线电源，其特征是：一个电磁发射环覆盖的空间内可以放置一个以上的共振衍生环，一个共振衍生环覆盖的空间内可以放置一个以上的磁电接收环；因此，一个电磁发射环实际上可以为一个以上的用电器进行磁场连接，实现无线供电。

3.根据权利要求1所述的三维无线电源，其特征是：在垂直于电磁发射环的平面方向上放置两个或两个以上的共振衍生环，磁能将从电磁发射环传递到第一个共振衍生环，通过共振衍生环的接力作用，将磁能传递到第二共振衍生环，甚至第三共振衍生环，最后传递到磁电接收环，实现较远距离的无线供电。

4.根据权利要求1所述的三维无线电源，其特征是：电磁发射环，共振衍生环，磁电接收环三部分的形状一致时具有最好的效率，即有相似的形状，主要形状包括圆形、方形、跑道形，但大小可以不同，通常，共振衍生环的尺寸不超过电磁发射环，磁电接收环的尺寸不超过共振衍生环。

5.根据权利要求1所述的三维无线电源，其特征是：电磁发射环的两端与电磁驱动器的两个输出端相连，电磁发射环的谐振频率与电磁驱动器的基频相同。

6.根据权利要求1所述的三维无线电源，其特征是：发射线圈、共振线圈和接收线圈均是由导线绕制而成的线圈。

7.根据权利要求1所述的三维无线电源，其特征是：当磁电接收环与共振衍生环绑定在一起时，磁电接收环中的接收电容可以不用，直接从接收线圈的两端输出交流电。

8.根据权利要求1所述的三维无线电源，其特征是：磁电接收环的接收线圈的两端与整流和滤波电路相连，接收线圈的两端可以输出交流电，经整流和滤波后，输出为直流电；这个直流电可以直接给带有开关电源的交流用电器供电，若给直流用电器供电，通常需要使用DC/DC电路进行电压转换，或增加稳压电路后方可使用；若给只能使用50-60Hz交流的铁芯变压器的用电器供电，则需要绕过变压器，直接连到原有的滤波后的电源两端。

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