CN103986245A - 基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线电能传输技术领域中一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，主要解决了无线电能传输系统近距离能量传输时，由于频率分裂的影响而导致系统传输效率低下的问题，该系统是在麻省理工学院磁耦合谐振无线电能传输系统的基础上，设计了一种双层双向绕制的发射线圈，即在原有单层单向绕制发射线圈内部空间以相反方向绕制具有相同匝数和匝距的内层线圈，由于内层线圈和原有线圈的绕制方向相反，从而减弱耦合系数的强度，减小近距离能量传输时频率分裂对系统传输效率所产生的影响，让无线电能传输系统在更短的距离内脱离频率分裂区域，达到临界耦合状态，并提高无线电能传输系统在近距离频率分裂区域工作时的能量传输效率。

Description

基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，尤其涉及一种无线电能传输系统中发射线圈的新型设计方法，以此来减小近距离能量传输频率分裂对传输效率所产生的影响，提高无线电能传输系统的近距离能量传输效率。

背景技术

自尼古拉·特斯拉在一个世纪以前提出无线电能传输理论之后，无线电能传输就一直是人们研究的热点。多年来国内外专家一直在进行无线电能传输的研究，但一直以来科研进展缓慢，2006年11月在美国物理学会工业物理论坛上，美国麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic科研小组首次提出磁耦合谐振式无线电能量传输技术的理论。其原理是利用两个具有相同谐振频率(9.9MHz)、直径60cm、单层单向铜线绕制线圈的磁耦合谐振原理成功点亮了一个离电源约2m的60W电灯泡，后来这项技术被称为WiTricity，至此，开辟了无线电能传输技术在中远距离(传输距离大于线圈几何尺寸)能量传输的新纪元。随着磁耦合谐振技术的日益成熟，近年来无线输电的应用也在渐渐地渗透到我们的日常生活中，例如磁悬浮列车、植入式医疗设备、电动汽车以及移动设备等方面。2010年9月1日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织--无线充电联盟(Wireless Power Consortium，WPC)在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国，信息产业部通信电磁兼容质量监督中心也加入该组织。近年来无线充电技术虽然一直处在蓬勃发展当中，但此技术却未真正普及到智能设备中，其中的一大原因便是无线充电标准的不统一。市面上主要的三大无线充电联盟分携各自的标准呈分庭抗礼之势，而且还都拉拢了电子行业的大佬壮声势，这三家联盟分别是无线充电联盟WPC(WirelessPower Consortium)、功率事务联盟PMA(Power Matters Alliance)与无线充电联盟A4WP(Alliance for Wireless Power)。

目前国内外无线电能传输的实现有三种方式：

1.电磁感应式无线电能传输(Electromagnetic Induction Wireless Power Transmission，EI-WPT)——类似于可分离变压器，其原理是法拉第电磁感应：电流流过导体线圈时，在线圈周围产生磁场，相邻的线圈在变化的磁场中产生感应电动势，进而产生感应电流，供给负载，达到电能的无线传输。由于可分离变压器中气隙代替了原有的铁芯，故而电能从发射端传输到接收端的效率较低，而且随着初、次级线圈距离的增加，效率会变得更低，适合近距离无限能量传输。

2.无线电波式无线电能传输(Radio-wave Wireless Power Transmission，RWPT)——其基本原理是把电能转换成高频无线电波(如微波)在空间传输，接收端收集散布在环境中的电磁波，经过检波和整流后供给直流负载使用，通过远场来进行能量的传输。适用于远距离、大范围的无线电能传输，尤其适宜在能量接收终端比较密集、不易受周围环境限制的条件下传输，是目前研究比较多的无线电波能量传输方式，但此种无线电能传输方式对生物环境影响较大且效率很低。

3.磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless power transmission，MCR-WPT)——麻省理工学院Marin Soljacic及其小组成员提出的全新方案，其原理是利用两个具有相同谐振频率的谐振线圈之间的非辐射近场磁耦合来传递能量，能量在两谐振线圈间来回振荡交换，在很大程度上减小了对人体的伤害，延长了无线电能传输的距离，此方式传输效率高、距离远、功率大，是未来无线电能传输发展的主流方向。

频率分裂是磁耦合谐振和感应式无线电能传输中普遍存在的现象，尤其在近距离能量传输时，频率分裂严重影响系统的传输效率。依据耦合系数大小及系统的工作模式，无线电能传输系统的工作区域可分为三种：强耦合、临界耦合、弱耦合区域。

研究发现当无线电能传输系统处于强耦合区域时，系统的传输效率在谐振频率两侧取得最大值，即出现频率分裂，随着传输距离的增加，耦合系数减小，频率分裂现象逐渐消失，当耦合系数达到临界耦合时，系统的传输效率在谐振频率处取得最大值，随着耦合系数进一步减小达到弱耦合区域时，系统的传输效率随耦合系数的减小而急剧下降，但系统最佳的传输状态始终是在谐振频率处，即是频率分裂只出现在强耦合区域。

综上所述，无线电能传输系统的最佳工作状态是临界耦合状态，这样系统就可以在谐振频率处获得最大的传输效率，但是临界耦合状态所对应的传输距离是确定的，尤其是近距离能量传输时，频率分裂的影响更加明显，系统的传输效率并非在谐振频率下取得最大值，而是在谐振频率两侧取得最大值，这就使得系统不可能处于临界耦合状态，为使系统在更短的距离内脱离会出现频率分裂现象的强耦合区域，达到临界耦合状态，并提高系统在强耦合区域的传输效率，减小近距离能量传输时频率分裂的影响，因此，我们必须找到一种技术方法来实现上述方案——让无线输电系统始在更短的距离内脱离强耦合频率分裂区域，达到临界耦合状态，减小近距离能量传输时频率分裂的影响，提高无线电能传输系统近距离工作时的能量传输效率。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对无线电能传输系统近距离能量传输时，由于频率分裂的原因造成传输效率低下的问题，提出一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法。该系统及方法是在麻省理工学院磁耦合谐振无线电能传输系统中谐振线圈(发射线圈和接收线圈)单层单向结构设计的基础上，设计了一种双层双向绕制螺旋线圈作为发射线圈，即是在原有单层单向绕制螺旋发射线圈的基础上，在其内部空间以相反方向绕制具有相同匝数和匝距的内层线圈，然后与原有外层线圈相连组成一个双层双向绕制的螺旋发射线圈，由于内层线圈和外层线圈的绕制方向相反，从而减弱发射线圈和接收线圈间的耦合细数强度，缩小系统的强耦合区域，减小频率分裂对系统所产生的影响，让无线输电系统始在更短的距离内脱离强耦合频率分裂区域，达到临界耦合状态，提高无线电能传输系统近距离工作时的能量传输效率。同时本发明可以显著提高无线电能传输系统近距离能量传输的效率，既可以很好地满足设备对无线电能传输系统效率和近距离的要求，又可以提高电能利用率。

为实现上述目标，本发明采用的技术方案是：一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，包括一个发射机和一个接收机，所述发射机包括高频信号发生器、阻抗匹配网络、源线圈和发射线圈，所述高频信号发生器输出额定功率的高频信号；所述源线圈一侧通过功率放大器、阻抗匹配网络连接到高频信号发生器，另一侧与所述发射线圈利用电磁感应组成一个升压变压器网络；所述接收机包括接收线圈和负载线圈，所述接收线圈与负载线圈利用电磁感应组成一个降压变压器网络，

所述发射线圈是一个双层双向绕制的螺旋线圈，该双层双向绕制的螺旋线圈是由绕制方向相反并相连的内层线圈和外层线圈组成的，所述内层线圈和外层线圈具有相同的匝数和匝距，仅线圈半径不同。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述外层线圈顺时针单向绕制，所述内层线圈逆时针单向绕制。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述外层线圈逆时针单向绕制，所述内层线圈顺时针单向绕制。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述无线电能传输系统中不相邻线圈之间没有磁耦合，所述源线圈和负载线圈都是单匝线圈，所述接收线圈是单层单向绕制螺旋线圈，绕制方向与发射线圈外层线圈相同，且所述接收线圈各项参数均与发射线圈的外层线圈相同。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述接收线圈参数和发射线圈中外层线圈参数包括线圈半径、线圈匝数和线圈匝距。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述源线圈和负载线圈的电参数相同，所述发射线圈和接收线圈利用其自身在高频下的等效电阻、寄生电容和自身电感组成谐振电路；

所述源线圈和发射线圈的间距、接收线圈和负载线圈的间距始终保持相等且不变，发射线圈和接收线圈间距是可调的。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述源线圈、发射线圈、接收线圈以及负载线圈均由同样尺寸的铜线绕制，对齐在同轴方向；

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述负载线圈通过串联一个匹配电容与交流负载设备相连，所述的匹配电容与阻抗匹配网络中的电容大小相等。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述负载线圈通过一个整流电路供给直流负载设备，或直接给交流负载供电，所述整流电路包括半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述阻抗匹配网络是无源匹配网络，由电容和电感组成。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述阻抗匹配网络是有源匹配网络，由有源、无源器件组成的源极跟随器、射极跟随器和缓冲器构成。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述电参数包括线圈的电感、高频寄生电容、等效电阻和空载品质因数。

根据本发明的无线电能传输系统，进一步地，所述一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法，所述基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统包括外加激励源高频信号发生器、阻抗匹配网络、功率放大器、源线圈、发射线圈以及接收线圈、负载线圈和负载设备组成，其特征在于，是通过设计了一种双层双向绕制螺旋线圈作为无线电能传输系统的发射线圈，减弱发射线圈和接收线圈间的耦合系数强度，让无线电能传输系统在更短的距离内脱离强耦合频率分裂区域，达到临界耦合状态，减小近距离能量传输时频率分裂对传输效率的影响，提高能量传输效率。

本发明的有益效果是：

1.本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法，可以充分利用无线电能传输系统中发射线圈的内部空间，在不增加无线电能传输系统设备体积的情况下，减小无线电能传输系统近距离能量传输时频率分裂对系统传输效率的影响，提高无线电能传输系统近距离工作时的能量传输效率。

2.与现有技术相比，本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法在近距离能量传输时，可以减小近距离能量传输时频率分裂对系统传输效率所产生的影响，缩小系统的频率分裂区域，让无线电能传输系统在更短的距离内脱离频率分裂区域，达到临界耦合状态。

3.与现有技术相比，本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法在近距离能量传输时，可以显著提高无线电能传输系统在近距离频率分裂区域工作时的能量传输效率，进一步解决了系统传输效率受近距离频率分裂制约的问题，提高了电能的利用效率。

4.本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法与现有无线能量传输系统所占空间体积是一样的，在对外界环境要求较高无线输电的场合，双层双向螺旋线圈可以更加充分地利用空间资源。

附图说明

图1是磁耦合谐振无线电能传输系统频率分裂现象示例图；

图2是无线电能传输系统中发射线圈单层单向和双层双向绕制示意图；

图3是基于单层单向螺旋线圈的无线电能传输系统模型示意图；

图4是基于单层单向螺旋线圈的无线电能传输系统的等效电路模型图；

图5是发射线圈分别单层单向绕制和双层双向绕制与接收线圈耦合系数对比图；

图6是双层双向螺旋线圈的结构参数优化仿真结果图；

图7是本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统与现有磁耦合谐振技术的传输效率仿真对比图；

图8是本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统示例实物图；

图9是本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统主要参数配置图；

图10是本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统与现有磁耦合谐振技术的传输效率实验对比图。

具体实施方式

为了使本发明技术方案的内容和优势更加清楚明了，以下结合附图，对本发明的基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法进行进一步的详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

下面结合附图，详细说明本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法的实现过程。

图1是磁耦合谐振无线电能传输系统频率分裂现象示例图。

如图1所示，频率分裂现象在磁耦合谐振和感应式无线电能传输中是很常见的，频率分裂主要是由于近距离无线输电时，单层单向绕制的发射线圈和接收线圈间耦合系数过大，出现了过耦合情况导致传输系统的最佳谐振点漂移的现象。磁耦合谐振无线输电系统在近距离出现频率分裂的主要原因是等效负载和谐振线圈(发射线圈和接收线圈)间的过耦合(耦合系数过大)作用的结果，导致能量传输系统的工作模式发生转变，并且频率分裂现象仅发生在过耦合区域。

传统的四线圈无线电能传输系统中主要由源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈组成，其中发射线圈和接收线圈都是单层单向绕制螺旋线圈，这种线圈结构设计导致了无线电能传输系统在近距离能量传输时会出现频率分裂的现象，使得系统在激励源频率(f₀＝10.6MHz)处传输效率低下，而在其两侧去的最大值，图1中d为系统传输距离。

图2是无线电能传输系统中发射线圈单层单向和双层双向绕制示意图。

如图2所示，在传统的四线圈结构无线电能传输系统中，发射线圈和接收线圈是单层单向绕制，绕制示意图如图2(a)所示。为提高无线电能传输系统近距离的传输效率，减小频率分裂的影响，本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法中，通过设计了一种双层双向绕制螺旋线圈作为无线电能传输系统的发射线圈，由内外两层线圈连接而成，所述外层线圈是按照顺(逆)时针单向绕制，所述内层线圈是逆(顺)时针单向绕制，即内外层线圈绕制方向相反，并且具有相同的匝数和匝距，仅内层线圈半径外R_i和外层线圈半径R₀不同，绕制示意图如图2(b)所示。

图3是基于单层单向螺旋线圈的无线电能传输系统模型示意图。

如图3所示，基于单层单向螺旋线圈的无线电能传输系统包括高频信号发生器、阻抗匹配网络、功率放大器、源线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈以及负载设备。

高频信号发生器发出高频信号脉冲，经过阻抗匹配网络及功率放大器后将能量信号传给源线圈，所述系统的能量发射线圈利用电磁感应从源线圈处得到高频信号发生器所发出的高频振荡信号，再以非辐射近场电磁波的形式传送出去。所述系统的能量接收线圈接收到发射线圈传送的高频振荡信号，再通过电磁感应将能量供给负载线圈，负载线圈通过一个整流电路供给直流负载设备或电路，或直接给交流负载供电。源线圈和负载线圈都是单匝线圈，发射线圈和接收线圈是单层单向绕制螺旋线圈，绕制方向相同，其各项(如线圈半径、匝数和匝距等)均与发射线圈相同。发射线圈和接收线圈的距离为所述系统的传输距离。

所有线圈均由铜线绕制，对齐在同轴方向，随着传输距离由小到大逐渐增加，系统传输效率的最大值点开始有2个，即出现频率分裂现象，然后逐渐合并为1个，即系统工作状态由强耦合到临界耦合，再到弱耦合的变化过程。

图4是基于单层单向螺旋线圈的无线电能传输系统的等效电路模型图。

如图4所示，基于单层单向螺旋线圈的无线电能传输系统的等效电路模型共有四个线圈回路：源线圈回路、发射线圈回路、接收线圈回路、负载线圈回路。L₁、L₂、L₃、L₄分别为源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈回路的电感，R₁、R₂、R₃、R₄分别为源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈回路在高频下的等效电阻，C₁是源线圈回路在高频下的寄生电容和阻抗匹配网络中的匹配电容之和，C₂和C₃分别是发射线圈和接收线圈回路在高频下的寄生电容，C₄是负载线圈回路在高频下的寄生电容和与其串联的匹配电容之和，V_S是高频信号发生器的输出电压，V_L是负载电压，R_S、R_L分别是高频信号发生器的等效内阻和负载电阻；k₁₂是源线圈和发射线圈之间的耦合系数，k₂₃是发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，k₃₄是接收线圈和负载线圈之间的耦合系数，为简化计算，可通过调整线圈间的相对位置，忽略不相邻线圈间的交叉耦合。考虑到电源系统和负载电路实际工作时的情况，通常R₁＜＜R_S、R₄＜＜R_L，所以有R₁+R_S≈R_S、R₄+R_L≈R_L。

对基于单层单向螺旋线圈的无线电能传输系统的等效电路模型分析步骤如下：

1.对所述系统的等效电路进行分析，得到如下所述等式：

$\left[\begin{array}{c}{V}_S\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{R}_S+R_1+\mathrm{j\ω}(L_1-\frac{1}{C_1})& {\mathrm{j\ωk}}_{12}\sqrt{L_1{L}_2}& 0& 0\\ {\mathrm{j\ωk}}_{12}\sqrt{L_1{L}_2}& R_2+\mathrm{j\ω}(L_2-\frac{1}{C_2})& {\mathrm{j\ωk}}_{23}\sqrt{L_2{L}_3}& 0\\ 0& {\mathrm{j\ωk}}_{23}\sqrt{L_2{L}_3}& R_3+\mathrm{j\ω}(L_3-\frac{1}{C_3})& {\mathrm{j\ωk}}_{34}\sqrt{L_3{L}_4}\\ 0& 0& {\mathrm{j\ωk}}_{34}\sqrt{L_3{L}_4}& R_L+R_4+\mathrm{j\ω}(L_4-\frac{1}{C_4})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\\ I_4\end{array}\right]$

上述等式中I₁、I₂、I₃、I₄均是各回路电流，分别对应源线圈回路、发射线圈回路、接收线圈回路、负载线圈回路。

2.系统工作在谐振频率(ω＝ω₀)时，对所述步骤1中行列式求解I₁、I₄，可得系统的输入输出电压比如下所述：

其中k₁₂是源线圈和发射线圈之间的耦合系数，k₃₄是接收线圈和负载线圈之间的耦合系数，k₂₃是发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，Q₁、Q₂、Q₃分别是源线圈、发射线圈和接收线圈的品质因数。

3.阻抗匹配，即输入阻抗Z_in＝R_S时，信号源有最大输出功率，系统的传输效率η表达式如下： $\mathrm{\η}=\frac{V_L^2}{R_L}/\frac{V_S^2}{{4R}_S}={\left|S_{21}\right|}^2={\left\{\frac{{2k}_{12}^2{k}_{23}{Q}_1{Q}_2{Q}_3}{1+k_{12}^2{Q}_1{Q}_2+k_{23}^2{Q}_2{Q}_3}\right\}}^2,$ 即是 $S_{21}=\frac{{2k}_{12}^2{k}_{23}{Q}_1{Q}_2{Q}_3}{1+k_{12}^2{Q}_1{Q}_2+k_{23}^2{Q}_2{Q}_3},$ S₂₁是所述无线电能传输系统的传输参数。

4.所述系统中各线圈的品质因数均是可间接测量的已知量： 其中ω₀是外加激励源高频信号发生器所产生信号的角频率。对于基于单层单向螺旋线圈的无线电能传输系统，其传输效率并非在谐振频率下一直处于最大值，而是在临界耦合处最大，故所述步骤3中S₂₁对k₂₃求偏导，令易得临界耦合关系式：

上式即为所述系统工作在临界耦合状态取得最大传输效率时，发射线圈和接收线圈的耦合系数k₂₃所满足的关系式。由于源线圈和发射线圈的间距d₁₂是始终保持不变的，并且由耦合系数和线圈间距关系式：可知，k₁₂是不变的。式中k₁₂是源线圈和发射线圈间的耦合系数，r₁、r₂分别是源线圈和发射线圈的半径，d₁₂是源线圈和发射线圈的间距。

综上所述可知，由于k₁₂是不变的，故由临界耦合关系式可知，k₂₃亦是不变的，由公式可知，此时的k₂₃所对应的距离d₂₃即为临界耦合距离。式中k₂₃是发射线圈和接收线圈间的耦合系数，r₂、r₃分别是发射线圈和接收线圈的半径，d₂₃是发射线圈和接收线圈的间距。

当系统近距离传输能量时，若传输距离d＜d₂₃，由可知，耦合系数k₂₃将变大，随即引起临界耦合关系式失衡，系统会进入过耦合区域，出现频率分裂现象，传输效率下降。本发明提出的基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法，是通过线圈的自身结构来抵消掉部分因传输距离的减小而引起k₂₃的增加量，从而提高系统近距离的能量传输效率，并抑制近距离传输时频率分裂的影响。

图5是发射线圈分别单层单向绕制和双层双向绕制与接收线圈耦合系数对比图。

如图5所示，与单层单向绕制的发射线圈相比，本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法所采用的双层双向绕制发射线圈结构，由于内层反向绕制的线圈可以抵消部分外层线圈和接收线圈的耦合系数，使得发射线圈和接收线圈的耦合系数强度下降，从而减弱系统的过耦合作用，减小近距离能量传输时频率分裂对传输效率的影响。

图6是双层双向螺旋线圈的结构参数优化仿真结果图。

在三维高频电磁仿真软件HFSS中创建基于双层双向线圈的无线电能传输系统模型，线圈仿真模型的建立以单层单向的磁耦合共振无线输电系统为基础，即谐振线圈(发射和接收线圈)的半径R₀＝30cm、匝距p₀＝4cm、匝数n＝5.25，源线圈和负载线圈是单匝的且半径r＝25cm，所有铜线半径a＝3mm，谐振线圈的谐振频率为10.6MHz，激励源频率设定为f₀＝10.6MHz。由于此无线输电系统的对称性，故接下来线圈的参数优化设计以双层双向螺旋线圈代替上述系统中发射线圈进行研究，分别对内层线圈的结构参数——内径R_i、匝数N和匝距p进行优化。

如图6(a)所示，设定传输距离d＝200mm，用相同的铜线在发射线圈中绕制内层线圈，内层线圈的匝距p＝4cm、匝数N＝5.25，仅改变内层线圈的内径R_i，仿真结果表明所述系统的传输效率η随内径R_i的减小而逐渐减小，且会出现系统最大效率传输点的偏移。即是ΔR＝R₀-R_i越小，系统的传输效率η越大，且系统的谐振点不会出现偏移。

如图6(b)所示，设定传输距离d＝200mm，用相同的铜线在发射线圈中绕制内层线圈，内层线圈的内径R_i＝290mm、匝距p＝4cm，仅改变内层线圈的匝数N，仿真结果表明当内层线圈匝数N＝n＝5.25，即与外层线圈匝数相同时，所述系统的传输效率η在激励源频率f₀＝10.6MHz时最大。

如图6(c)所示，设定传输距离d＝200mm，用相同的铜线在发射线圈中绕制内层线圈，内层线圈的内径R_i＝290mm、匝数N＝5.25，仅改变内层线圈的匝距p，仿真结果表明当内层线圈的匝距p＝p₀＝4cm，即与外层线圈的匝距相同时，所述系统的传输效率η在激励源频率f₀＝10.6MHz时最大。

图7是本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统与现有磁耦合谐振技术的传输效率仿真对比图。

在上述双层双向绕制螺旋线圈优化设计分析的基础上，本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法中发射线圈的外层线圈和内层线圈的半径分别为R₀＝30cm、R_i＝250mm、匝距p＝p₀＝2cm、匝数N＝n＝8，设定传输距离d＝200mm。

如图7(a)所示，当无线电能传输系统发射线圈为单层单向绕制时，由系统传输效率随传输距离的变化仿真曲线可知，频率分裂现象在传输距离为400mm处开始消失。

如图7(b)所示，在本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法中，由系统传输效率随传输距离的变化仿真曲线可知，频率分裂现象在传输距离为250mm处开始消失，与无线电能传输系统发射线圈为单层单向绕制相比，频率分裂区域缩小近40％，近距离无线能量传输效率显著提高，如相距300mm，在频率f₀＝10.6MHz时，传输效率η由70％提高到90％。

图8是本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统示例实物图。

如图8所示，本实施例为工作频率在f₀＝10.6MHz的基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统实现方案，所有线圈都是由截面半径为3mm的铜导线绕制而成，对齐在同轴方向。实验中使用的是型号为HPE4431B、最大输出功率10W、频率范围250KHz--2.0GHz的高频信号发生器，其内阻R_S＝50欧姆，输出信号经阻抗匹配、功率放大器后接入源线圈。频谱分析仪用来解析发射端和接收端信号，电容电感测试仪测量线圈的电容和电感，负载线圈接有50Ω的标准负载电阻，通过示波器来观察通过标准负载电阻上电压波形。所述系统中发射线圈是一个双层双向绕制的螺旋线圈，由内外两层线圈连接而成；所述外层线圈是按照顺(逆)时针单向绕制，所述内层线圈是逆(顺)时针单向绕制，内外层线圈绕向相反，并且具有相同的匝数和匝距，仅内外线圈半径不同。接收线圈是单层单向绕制线圈，绕制方向与发射线圈的外层线圈相同，其各项参数(如线圈半径、匝数和匝距等)均与发射线圈外层线圈相同。发射线圈和接收线圈的距离为所述系统的传输距离。

图9是本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统主要参数配置图。

如图9所示，为基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统各模块的主要参数配置图，本实施例中线圈参数的选取考虑到了线圈制作的可行性，在传输距离d＝200mm、300mm时分别测试了双层双向螺旋线圈无线电能传输系统和单层单向螺旋线圈的磁耦合谐振式无线输电系统的传输效率。由于该系统中发射线圈的外层线圈参数和接收线圈相同，故将如上所述基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统中发射线圈中的内层线圈拆除，拆除内层线圈后的发射线圈和接收线圈的谐振频率相同，即为现有基于单层单向螺旋线圈的磁耦合谐振式无线电能传输系统装置，保持原系统的其他各项参数不变，进行基于单层单向螺旋线圈的磁耦合谐振式无线电能传输系统实验验证。

图10是本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统与现有磁耦合谐振技术的传输效率实验对比图。

现有磁耦合谐振无线电能传输技术中发射线圈采用单层单向螺旋绕制，本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统中发射线圈采用双层双向螺旋绕制，由反向绕制并相连的内层线圈和外层线圈组成。

如图10所示，当无线电能传输系统在近距离能量传输时，传输距离d＝200mm，在工作频率f₀＝10.6MHz处，现有磁耦合谐振技术对应的系统传输效率仅为48％，如图10中光滑虚线所示。而本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统所对应的传输效率为88％，如图10中光滑实线所示。与现有磁耦合谐振技术相比，本发明传输效率提高40％。

传输距离d＝300mm，在工作频率f₀＝10.6MHz处，现有磁耦合谐振技术对应的系统传输效率为68％，如图10中加星虚线所示。而本发明基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统所对应的传输效率为92％，如图10中加星实线所示。与现有磁耦合谐振技术相比，本发明传输效率提高24％。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，但凡熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，所作的等效修饰或变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双层双向线圈的无线电能传输系统，包括一个发射机和一个接收机，所述发射机包括高频信号发生器、阻抗匹配网络、功率放大器、源线圈和发射线圈，所述高频信号发生器输出额定功率的高频信号；所述源线圈的一侧通过阻抗匹配网络连接到高频信号发生器，另一侧与所述发射线圈利用电磁感应组成一个升压变压器网络；所述接收机包括接收线圈和负载线圈，所述接收线圈与负载线圈利用电磁感应组成一个降压变压器网络，其特征在于：

所述发射线圈是一个双层双向绕制的螺旋线圈，该双层双向绕制的螺旋线圈是由绕制方向相反并相连的内层线圈和外层线圈组成的，所述内层线圈和外层线圈具有相同的匝数和匝距，仅线圈半径不同。

2.根据权利要求1所述一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述外层线圈顺时针单向绕制，所述内层线圈逆时针单向绕制。

3.根据权利要求1所述一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述外层线圈逆时针单向绕制，所述内层线圈顺时针单向绕制。

4.根据权利要求1所述基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述无线电能传输系统中不相邻线圈之间没有磁耦合，所述源线圈和负载线圈都是单匝线圈，所述接收线圈是单向绕制螺旋线圈，绕制方向与发射线圈中外层线圈相同，且所述接收线圈参数均与发射线圈中外层线圈参数相同。

5.根据权利要求4所述基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述接收线圈参数和发射线圈中外层线圈参数包括线圈半径、线圈匝数和线圈匝距。

6.根据权利要求1所述一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述源线圈和负载线圈的电参数相同，所述发射线圈和接收线圈利用其自身在高频下的等效电阻、寄生电容和自身电感组成振荡电路；

所述源线圈和发射线圈的间距、接收线圈和负载线圈的间距始终保持相等且不变，发射线圈和接收线圈间距是可调的。

7.根据权利要求6所述一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述电参数包括线圈的电感、高频寄生电容、等效电阻和空载品质因数。

8.根据权利要求1所述一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述源线圈、发射线圈、接收线圈以及负载线圈均由同样尺寸的铜线绕制，对齐在同轴方向。

9.根据权利要求1所述一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述负载线圈通过一个整流电路供给直流负载设备，或直接给交流负载供电，所述整流电路包括半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。

10.一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法，所述双层双向线圈构成的无线电能传输系统包括外加激励源高频信号发生器、阻抗匹配网络、功率放大器、源线圈、发射线圈以及接收线圈、负载线圈和负载设备组成，其特征在于，是通过设计了一种双层双向绕制螺旋线圈作为无线电能传输系统的发射线圈，减弱发射线圈和接收线圈间的耦合系数强度，让无线电能传输系统在更短的距离内脱离强耦合频率分裂区域，达到临界耦合状态，减小近距离能量传输时频率分裂对传输效率的影响，并提高无线电能传输系统在近距离频率分裂区域工作时的能量传输效率。