CN104682578A - 基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统 - Google Patents

基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统 Download PDF

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CN104682578A CN201510110210.0A CN201510110210A CN104682578A CN 104682578 A CN104682578 A CN 104682578A CN 201510110210 A CN201510110210 A CN 201510110210A CN 104682578 A CN104682578 A CN 104682578A
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Abstract

一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，所述系统的发射端采用阵列式谐振线圈结构和由单个激励线圈同时驱动所有谐振线圈的馈电方式，实现了接收端谐振线圈与发射端谐振线圈阵列之间的磁谐振和接收端处均衡分布的磁场。在实现高于65%的传输效率的同时，扩展了接收端的轴向和横向接收范围，提高了无线电能传输的稳定性。本发明的发射端和接收端为平面结构，可通过印刷电路板加工，接收端电路板的空白区域集成了整流稳压电路，可输出5V-12V直流电压，接收端尺寸可缩小至50×50×1mm3。本发明适用于矩形、方形等各种线圈结构，可应用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备、音箱、移动通信终端和小型消费电子产品的单对单和单对多无线电能传输。

Description

基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，属无线电能传输技术领域。
背景技术
随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的家电设备和消费电子产品、移动通信设备等已得到了广泛普及，然而传统的家用电器依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，采用内置电池的电子设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，因此我们随处能看到为这些电子设备提供电能供给的电线。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，而且产生了安全用电的隐患。所以，随着人们对可以完全无线使用的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点。目前，该技术已逐渐被应用于人们日常生活中的低功耗电子产品中，替代原有的电源线来实现对设备的无线充电，给人们的生活带来额外的便利。例如基于磁感应耦合技术的无线充电牙刷和无线充电毯。然而无线能量传输技术的应用价值和市场潜力远远不止于此。例如无线能量传输技术在智能家居领域的应用将移颠覆传统家电及移动通信设备、电子消费产品的使用模式，以住宅为平台，利用中距离无线能量传输技术、隐藏布线技术以及自动控制技术彻底移除家居生活区域内所有电源线，对设备进行无线充电或者持续电能供给，提升家居安全性、便利性、舒适性和艺术性，构建高效、环保、节能的居住环境。另外，对于生物医学领域中的可用于诊疗的可植入医疗设备来说，考虑到对其进行有线持续供电或充电的不方便性、不可行性甚至高危险性，无线能量传输技术的应用也显得极为重要和关键。
无线能量传输模式和机理大体可分为磁感应耦合、电磁辐射和磁谐振耦合三种方式。和电磁辐射方式相比，磁谐振耦合方式在安全性和传输效率上都具有优势；与磁感应耦合方式相比，它在传输距离上具有优势。目前已公开的基于磁谐振耦合方式的无线电能传输系统的发射端和接收端均采用单个谐振线圈结构，通过收发端谐振线圈间的同频磁谐振耦合来实现电能的传输；这种采用单对单谐振线圈设计的无线电能传输系统会导致接收端处的磁场分布不均衡，使得接收模块沿轴向小范围移动时和在相同轴向距离处沿横向移动时传输效率下降明显；此类设计对接收模块的摆放位置要求较高，接收模块需正对发射模块的中心且处于特定传输距离处才能保证电能的有效传输，不符合市场上对电子产品使用的人性化要求。
发明内容
本发明的目的是，为了给便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和LED照明设备提供一个稳定的无线充电或无线电能供给方案，解决目前市场上无线电能传输系统中当接收端偏离预设充电位置、沿轴向或横向移动时传输效率明显下降的技术难题，满足市场上对电子产品使用的人性化要求，本发明提出一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统。
实现本发明的技术方案是，本发明对无线电能传输系统的发射端采用了多个谐振线圈和单个激励线圈的设计，并通过将发射端的多个谐振线圈在同一平面上呈阵列式排列和采用单个激励线圈对谐振线圈组中所有线圈的同步耦合馈电，设计了有效传输距离内磁场均衡分布的无线电能传输系统，在保证高效的中距离无线电能传输的同时，有效地扩展了接收端的轴向和横向接收范围。
本发明所提出的设计是一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，包括用于无线电能发射的发射模块，和用于无线电能接收的接收模块。
所述发射模块为平板型结构，可通过印刷电路工艺进行加工，正面有同处一面的谐振线圈阵列，背面有一个激励线圈。
所述接收模块也为平板型结构，可通过印刷电路工艺进行加工，正面有同处一面的接收谐振线圈、负载线圈和整流稳压集成电路，背面有多个接收寄生线圈。
由所述发射模块和接收模块组成的无线电能传输系统可以实现传输距离为50mm-150mm、传输效率大于65％的无线电能传输。并且在有效传输距离内，随着接收模块的横向移动，系统的传输效率下降不明显，下降幅度较传统的无线电能传输系统和采用单对单谐振线圈设计的普通平板型无线电能传输系统减小了十倍以上。
所述发射模块正面的发射谐振线圈均为四方螺旋环形，多个谐振线圈呈二维阵列式排列；背面的激励线圈为四方环形，激励线圈的中心正对谐振线圈阵列的中心。
所述接收模块正面的接收谐振线圈为四方螺旋环形，负载线圈为四方环形；接收谐振线圈位于平面的外圈，负载线圈位于平面的内圈；整流稳压集成电路位于负载线圈内的空白区域处；接收模块背面的寄生线圈为缺损四方环形，其中外环、中环、内环寄生线圈分别位于平面的外圈、中圈和内圈；打孔插针将寄生线圈结构与接收谐振线圈相联接。
本发明采用的阵列型谐振线圈设计使得系统在有效的传输范围内能产生均衡分布的磁场。因此传输过程中接收模块在与传输方向垂直的平面上横向移动时，系统的传输效率下降幅度很小，仍可以保持较为高效的传输。同时，当接收模块沿传输方向(轴向)移动时，由传输距离过近引起的过耦合和传输距离过远引起的欠耦合均可以得到有效缓解，使得系统的传输效率下降幅度不大。而传统的无线电能传输系统和普通平板型无线电能传输系统在当接收模块偏离最优化的接收位置进行空间移动时，传输效率急剧下降，无法形成有效传输。
本发明在发射模块背面设置了单个激励线圈，由单个激励线圈同时驱动发射模块正面的多个谐振线圈，实现了谐振线圈阵列的同频谐振。不仅节省了加工成本，而且给发射模块的背面留出大量空间，用于添加集成匹配电路和可调电子元器件来优化系统的传输性能和实现系统的智能控制。
本发明的接收模块添加了整流稳压集成电路，可稳定输出5V-12V直流电压。集成后的系统的接收端尺寸可缩小到50mm×50mm×1mm。
本发明的有益效果是，本发明采用了阵列型谐振线圈结构的设计方案，能够通过多个发射端谐振线圈与接收端谐振线圈间的同步谐振来产生均衡分布的磁场，扩大了系统的有效传输范围；解决了目前市场上无线电能传输系统中当接收端偏离预设充电位置，沿轴向或横向移动时传输效率明显下降的技术难题，此效果具有人性化，能满足多元化的用户需求；本发明提出了由单个激励线圈同时驱动发射模块正面的多个谐振线圈的设计，不仅实现了谐振线圈阵列的同频谐振，而且在发射模块背面留出了很大的空间可用于添加集成电路和电子元器件，提高了系统加工的灵活性和集成度，节省了加工成本；本发明中接收端的匹配电路和整流稳压电路与接收端线圈组共用同一电路板，集成后的系统的接收端尺寸大大缩小，可满足便携式电脑、平板电脑、LED照明设备、音箱、移动通信终端和消费电子产品的小型化需求。
附图说明
图1为采用矩形单谐振线圈的普通平板型无线电能传输系统的发射端结构图；
图2为采用1×2谐振线圈阵列的磁场均衡分布型无线电能传输系统的发射端结构图；
图3为采用方形单谐振线圈的普通平板型无线电能传输系统的发射端结构图；
图4为采用2×2谐振线圈阵列的磁场均衡分布型无线电能传输系统的发射端结构图；
图5为可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的普通平板型无线电能传输系统的接收端正面结构图；
图6为可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的普通平板型无线电能传输系统的接收端背面结构图；
图7为可用于移动通信终端、小型消费电子产品的磁场均衡分布型无线电能传输系统的接收端正面结构图；
图8为可用于移动通信终端、小型消费电子产品的磁场均衡分布型无线电能传输系统的接收端背面结构图；
图9为可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的磁场均衡分布型无线电能传输系统的接收端正面结构图；
图10为可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的磁场均衡分布型无线电能传输系统的接收端背面结构图；
图11为系统接收端整流稳压电路的设计图；
图12为图1、图3、图5、图6所示的普通平板型无线电能传输系统和图2、图4、图9、图10所示的磁场均衡分布型无线电能传输系统在不同传输距离时，传输无线电能的效率图；
图13为图4和图7、图8所示的磁场均衡分布型无线电能传输系统在不同传输距离时传输参数随激励源频率变化的曲线；
图14为图4和图7、图8所示的磁场均衡分布型无线电能传输系统在传输距离为80mm、接收端在xy平面上移动时传输无线电能的效率图。
图1中，101为采用矩形单谐振线圈的普通平板型无线电能传输系统的发射端谐振线圈(位于发射模块的正面)，102为该系统的激励线圈(位于发射模块的背面)，103为系统发射端的谐振电容；Lr为系统发射端所处的矩形印刷电路板的长度，Hr为矩形印刷电路板的宽度；Ll1为发射端激励线圈102的长度，Hl1为发射端激励线圈102的宽度；Wr1为发射端谐振线圈101中微带线的宽度，Wl1为激励线圈102中微带线的宽度，S1为发射端谐振线圈101中相邻微带线之间的距离；A、B、C、D四个点为位于同一传输距离处的接收端的中心点在发射端所处的xy平面上的投影，用于分析和测量当接收模块在与传输方向垂直的xy平面上移动时，系统传输效率的变化。
图2中201为采用1×2谐振线圈阵列的磁场均衡分布型无线电能传输系统的发射端谐振线圈(位于发射模块的正面)，202为该系统发射端的谐振电容，203为系统的激励线圈(位于发射模块的背面)；Lr为系统发射端所处的矩形印刷电路板的长度，与图1所示的发射端所处的矩形印刷电路板的长度相同，Hr为矩形印刷电路板的宽度，与图1所示的发射端所处的矩形印刷电路板的宽度相同；Ll2为发射端激励线圈203的长度，Hl2为发射端激励线圈203的宽度，Wr2为发射端谐振线圈201中微带线的宽度，Wl2为发射端激励线圈203中微带线的宽度，S2为发射端谐振线圈单元中相邻微带线之间的间距，SG为201中两谐振线圈单元之间的距离，Rl为发射端谐振线圈单元的中心点到其最外沿的距离，Rm为谐振线圈单元的中心点到其最内沿的距离，A、B、C、D四个点为位于同一传输距离处的接收端的中心点在发射端所处的xy平面上的投影，用于分析和测量当接收模块在与传输方向垂直的xy平面上移动时，系统传输效率的变化。
图3中301为采用方形单谐振线圈的普通平板型无线电能传输系统的发射端谐振线圈(位于发射模块的正面)，302为该系统的激励线圈(位于发射模块的背面)，303为系统发射端的谐振电容；R1为发射端的中心点到其谐振线圈301的最外沿之间的距离，R2为发射端的中心点到激励线圈302的最外沿之间的距离；W1为激励线圈302中微带线的宽度，W2为发射端谐振线圈301中微带线的宽度，Sl为发射端谐振线圈301中相邻微带线之间的距离；E、F、G、H、I、J、K、L八个点为位于同一传输距离处的接收端的中心点在发射端所处的xy平面上的投影，用于分析和测量当接收模块在与传输方向垂直的xy平面上移动时，系统传输效率的变化。
图4中401为采用2×2谐振线圈阵列的磁场均衡分布型无线电能传输系统的发射端谐振线圈(位于发射模块的正面)，402为该系统的激励线圈(位于发射模块的背面)，403为该系统发射端的谐振电容；R3为发射端谐振线圈单元的中心点到其最外沿的距离，W3为激励线圈402中微带线的宽度，W4为谐振线圈401中微带线的宽度，Sg为401中两相邻谐振线圈单元之间的间距，R4为发射端中心点到激励线圈402最外沿之间的距离，R5为发射端中心点到谐振线圈401最外沿之间的距离，E、F、G、H、I、J、K、L八个点为位于同一传输距离处的接收端的中心点在发射端所处的xy平面上的投影，用于分析和测量当接收模块在与传输方向垂直的xy平面上移动时，系统传输效率的变化。
图5中501为可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的普通平板型无线电能传输系统的接收端谐振线圈，为同心螺旋二圈的方形结构，502为该系统接收端的负载线圈，也是方形结构，负载线圈502位于谐振线圈501的内圈范围之内；503为接收端集成电路中的稳压芯片，504和505为接收端集成电路中的偏置电阻，506为接收端集成电路中的滤波电容，507为接收端集成电路中的整流二极管；上述电子元器件和芯片安装在负载线圈502的中间；508为连接谐振线圈501和图6中内环寄生线圈601、外环寄生线圈602的短路针；509为连接谐振线圈501和图6中微带线604的短路针；Wr为接收端谐振线圈501中微带线的宽度，Wl为负载线圈502中微带线的宽度，S为接收端谐振线圈501中相邻微带线之间的距离，l1为系统接收端所处的方形印刷电路板的边长，l2为负载线圈的边长。
图6中601为可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的普通平板型无线电能传输系统接收端背面的内环寄生线圈，602为接收端背面的外环寄生线圈，603即为图5中的508；604为接收端背面用以连接谐振电容的微带线，605即为图5中的509,606为接收端的谐振电容；Wr为601和602中微带线的宽度，S为601和602之间的间距，l1为系统接收端所处的方形印刷电路板的边长，M为系统接收端的中心点。
图7中701为可用于移动通信终端、小型消费电子产品的磁场均衡分布型无线电能传输系统的接收端谐振线圈，为同心螺旋三圈的方形结构，702为该系统接收端的负载线圈，也是方形结构，负载线圈702位于谐振线圈701的内圈范围之内；703为接收端集成电路中的稳压芯片，704和705为接收端集成电路中的偏置电阻，706为接收端集成电路中的滤波电容，707为接收端集成电路中的整流二极管；上述电子元器件和芯片安装在负载线圈702的中间；708为连接谐振线圈701和图8中内环寄生线圈801、中环寄生线圈802和外环寄生线圈803的短路针；709为连接谐振线圈701和图8中微带线805的短路针；Wr为701中微带线的宽度，Wl为702中微带线的宽度，S为501中相邻微带线之间的距离，l1为系统接收端所处的方形印刷电路板的边长，l2为负载线圈的边长。
图8中801为可用于移动通信终端、小型消费电子产品的磁场均衡分布型无线电能传输系统的接收端背面的外环寄生线圈，为方形结构；802为接收端背面的中环寄生线圈，是位于外环寄生线圈801内的方形结构；803为内环寄生线圈，是位于中环寄生线圈802内的方形结构；804即为图7中的708；805为接收端背面用以连接谐振电容的微带线，806即为图7中的709,807为接收端的谐振电容；Wr为801、802和803中微带线的宽度，S为801、802和803之间的间距，l1为系统接收端所处的方形印刷电路板的边长，M为系统接收端的中心点。
图9中901为可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的磁场均衡分布型无线电能传输系统的接收端谐振线圈，为同心螺旋二圈的方形结构，902为该系统接收端的负载线圈，也是方形结构，负载线圈902位于谐振线圈901的内圈范围之内；903为接收端集成电路中的稳压芯片，904和905为接收端集成电路中的偏置电阻，906为接收端集成电路中的滤波电容，907为接收端集成电路中的整流二极管；上述电子元器件和芯片安装在负载线圈702的中间；908为连接谐振线圈901和图10中内环寄生线圈1001、外环寄生线圈1002的短路针；Wr为接收端谐振线圈901中微带线的宽度，Wl为负载线圈902中微带线的宽度，S为接收端谐振线圈901中相邻微带线之间的距离，l1为系统接收端所处的方形印刷电路板的边长，l2为负载线圈的边长。
图10中1001为可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的磁场均衡分布型无线电能传输系统接收端背面的内环寄生线圈，为方形结构；1002为接收端背面的外环寄生线圈，是位于内环寄生线圈1001外的方形结构；1003即为图9中的908；1004为接收端背面用于连接谐振电容的微带线；Wr为1001和1002中微带线的宽度，S为1001和1002之间的间距，l1为系统接收端所处的方形印刷电路板的边长，M为系统接收端的中心点。
图11中VCC为由负载线圈502(或702、902)输出的交流电压(10-20MHz)，GND为集成电路的接地，D1、D2、D3、D4为集成电路的整流二极管507(或707、907)，AMS1117为稳压芯片503(或703、903)，C1、C2、C3、C4为滤波电容506(或706、906)，R1、R2为偏置电阻504和505(或704和705、904和905)。
图12中包含了当使用图9、图10所示的接收端时、基于1×2谐振线圈阵列和基于2×2谐振线圈阵列的磁场均衡分布型无线电能传输系统的传输效率随传输距离变化的曲线，和当使用图5、图6所示的接收端时、基于矩形单谐振线圈和基于方形单谐振线圈的普通平板型无线电能传输系统的传输效率随传输距离变化的曲线；其中四条曲线为电磁仿真结果(Sim.)，一条曲线为实测结果(Mea.)。
图13为当使用图7、图8所示的接收端时，基于2×2谐振线圈阵列的磁场均衡分布型无线电能传输系统在传输距离分别为25mm、50mm、75mm、100mm和125mm时的传输系数随激励源频率变化的曲线，所有结果均为实测结果。
图14为当图7、图8所示的接收端在距离图4所示的发射端80mm处沿xy平面移动时，基于2×2谐振线圈阵列的磁场均衡分布型无线电能传输系统的传输效率图。
具体实施方式
如图1至图10所示，本发明实施例中所有结构均为平面化结构，传输端谐振线圈、接收端谐振线圈、激励线圈、负载线圈和整流稳压集成电路均采用印刷电路板工艺加工而成。实施例中基于单谐振线圈的普通平板型无线电能传输系统采用发射谐振线圈和激励线圈共面、接收谐振线圈和负载线圈共面的设计，然后在印刷电路板的另一面添加匹配电路、相关电子元器件或整流稳压集成电路。实施例中基于谐振线圈阵列的磁场均衡分布型无线电能传输系统采用了将多个发射谐振线圈印刷于发射模块电路板的正面、将单个激励线圈印刷于发射模块电路版背面的设计，然后在激励线圈内的空白区域可添加匹配电路和相关电子元器件。
实施例中的两种无线电能传输系统都由发射模块和接收模块两部分组成，系统的发射模块和接收模块分别连接激励电路和负载；发射和接收模块均采用厚度为1mm的双层印刷电路板加工。图1和图5、图6构成横截面尺寸为100mm×210mm的、可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的矩形普通平板型的无线电能传输系统的发射模块和接收模块的结构图；图2和图9、图10构成横截面尺寸为100mm×210mm的、基于1×2谐振线圈阵列的、可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的磁场均衡分布型无线电能传输系统的发射模块和接收模块的结构图；图3和图5、图6构成横截面尺寸为210mm×210mm的、可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的方形普通平板型的无线电能传输系统的发射模块和接收模块的结构图；图4和图7、图8构成横截面尺寸为210mm×210mm的、基于2×2谐振线圈阵列的、可用于移动通信终端和小型消费电子产品的磁场均衡分布型无线电能传输系统的发射模块和接收模块的结构图；图4和图9、图10构成横截面尺寸为210mm×210mm的、基于2×2谐振线圈阵列的、可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的磁场均衡分布型无线电能传输系统的发射模块和接收模块的结构图。
本发明实施例中的无线电能传输系统的接收端均采用如图11所示的稳压整流集成电路，该集成电路采用低压差线性稳压电路设计(LDO)；频率在10-20MHz范围内的电磁能量从图5、图7和图9中的负载线圈输出后，经图11所示电路整流稳压后供给便携式电脑、平板电脑、LED照明设备、音箱、移动通信终端或小型消费电子产品。
实施例1：采用图1所示的发射端和图5、图6所示的接收端的可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的矩形普通平板型无线电能传输系统。
发射模块和接收模块的结构图分别如图1和图5、图6中所示，背面无任何金属片附着。
根据图1和图5、图6中所示结构图中的符号标识，并结合实际的应用需求，对此实施例中的设计采用如下几何参数和电气参数：
表1 实施例1中发射模块和接收模块的几何参数和电气参数
符号标识 取值(范围)
Lr 210(mm)
Hr 100(mm)
Wr1 6-7(mm)
Wl1 2-4(mm)
Hl1 20-26(mm)
Ll1 150-156(mm)
S1 3-4(mm)
发射端谐振电容值 150(pF)
Wr 6-7(mm)
Wl 1-3(mm)
S 3-4(mm)
l1 100(mm)
l2 58-62(mm)
接收端谐振电容值 222(pF)
将接收模块印刷板的正面与发射模块印刷板的正面相对成中心对称放置(图6中的M点在发射模块上的投影与图1中的A点重合)，构成该系统的第一种应用情景。
在发射模块添加13.56MHz射频激励，激励信号在激励线圈102上产生电磁振荡。电磁能量先通过磁感应耦合传输到发射端谐振线圈101。通过磁耦合谐振方式将能量传输到接收端谐振线圈501和寄生线圈601、602，再经过磁感应耦合传送到负载线圈502。电磁能量从负载线圈502输出，经503～507整流稳压后供给便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱。
图12中有该系统在第一种应用情景下的效果图。
然后移动接收模块的位置使得接收模块的中心点M在矩形发射模块上的投影分别与发射模块印刷板正面上的B、C、D点位置重合，构成该系统在接收端中心偏离发射端中心时的另外三种应用情景。
重复之前当接收模块中心正对发射模块中心时的操作，然后通过测量和计算得出该系统在这三种应用情景下的传输效率。
表3中有实施例1中的无线电能传输系统在上述四种应用情景下的传输效率的测量结果。
实施例2：采用图2所示的发射端和图9、图10所示的接收端的可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的磁场均衡分布型无线电能传输系统。
发射模块和接收模块的结构图分别如图2和图9、图10中所示，背面无任何金属片附着。
根据图2和图9、图10中所示结构图中的符号标识，并结合实际的应用需求，对此实施例中的设计采用如下几何参数和电气参数：
表2 实施例2中发射模块和接收模块的几何参数和电气参数
符号标识 取值(范围)
Lr 210(mm)
Hr 100(mm)
Wr2 6.0-6.6(mm)
Wl2 1-3(mm)
Hl2 42-45(mm)
Ll2 152-156(mm)
Rl 50(mm)
Rm 23-25(mm)
S2 3-4(mm)
发射端谐振电容值 150(pF)
Wr 6-7(mm)
Wl 1-3(mm)
S 3-4(mm)
l1 100(mm)
l2 58-62(mm)
接收端谐振电容值 222(pF)
将接收模块印刷板的正面与发射模块印刷板的正面相对成中心对称放置(图10中的M点在发射模块上的投影与图2中的A点重合)，构成该系统的第一种应用情景。
在发射模块添加13.56MHz射频激励，激励信号在激励线圈203上产生电磁振荡。电磁能量先通过磁感应耦合传输到发射端谐振线圈阵列201。通过磁耦合谐振方式将能量传输到接收端谐振线圈901和寄生线圈1001、1002，再经过磁感应耦合传送到负载线圈902。电磁能量从负载线圈902输出，经903～907整流稳压后供给便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱。
图12中有该系统在第一种应用情景下的效果图。
然后移动接收模块的位置使得接收模块的中心点M在矩形发射模块上的投影分别与发射模块印刷板正面上的B、C、D点位置重合，构成该系统在接收端中心偏离发射端中心时的另外三种应用情景。
重复之前当接收模块中心点M正对发射模块中心点A时的操作，然后通过测量和计算得出该系统在这三种应用情景下的传输效率。
表3中有实施例2中的无线电能传输系统在上述四种应用情景下的传输效率的测量结果。
表3 实施例1和实施例2中的无线电能传输系统在不同应用情景下的传输效率
实施例3：采用图3所示的发射端和图5、图6所示的接收端的、可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的方形普通平板型无线电能传输系统。
发射模块和接收模块的结构图分别如图3和图5、图6中所示，背面无任何金属片附着。
根据图3和图5、图6中所示结构图中的符号标识，并结合实际的应用需求，对此实施例中的设计采用如下几何参数和电气参数：
表4 实施例3中发射模块和接收模块的几何参数和电气参数
符号标识 取值(范围)
R1 105(mm)
R2 42-46(mm)
W1 4-6(mm)
W2 4-6(mm)
Sl 8.5-10(mm)
发射端谐振电容值(303) 55(pF)
Wr 6.1-6.9(mm)
Wl 2-3(mm)
S 3-4(mm)
l1 100(mm)
l2 58-62(mm)
接收端谐振电容值 240(pF)
将接收模块印刷板的正面与发射模块印刷板的正面相对成中心对称放置(图6中的M点在发射模块上的投影与图3中的E点重合)，构成该系统的第一种应用情景。
在发射模块添加13.56MHz射频激励，激励信号在激励线圈302上产生电磁振荡。电磁能量先通过磁感应耦合传输到发射端谐振线圈301。通过磁耦合谐振方式将能量传输到接收端谐振线圈501和寄生线圈601、602，再经过磁感应耦合传送到负载线圈502。电磁能量从负载线圈502输出，经503～507整流稳压后供给便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱。
图12中有该系统在第一种应用情景下的效果图。
然后移动接收模块的位置使得接收模块的中心点M在方形发射模块上的投影分别与发射模块印刷板正面上的F、G、H、I、J、K、L点位置重合，构成该系统在接收端中心偏离发射端中心时的另外七种应用情景。
重复之前当接收模块中心点M正对发射模块中心点E时的操作，然后通过测量和计算得出该系统在这七种应用情景下的传输效率。
表6中有实施例3中的无线电能传输系统在上述八种应用情景下的传输效率的测量结果。
实施例4：采用图4所示的发射端和图9、图10所示的接收端的、基于2X 2谐振线圈阵列的、可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的磁场均衡分布型无线电能传输系统。
发射模块和接收模块的结构图分别如图4和图9、图10中所示，背面无任何金属片附着。
根据图4和图9、图10中所示结构图中的符号标识，并结合实际的应用需求，对此实施例中的设计采用如下几何参数和电气参数：
表5 实施例4中发射模块和接收模块的几何参数和电气参数
符号标识 取值(范围)
R3 100(mm)
R4 70-75(mm)
R5 105(mm)
W3 7-10(mm)
W4 3.5-4.5(mm)
Sm 4.5-5.5(mm)
Sg 10(mm)
发射端谐振电容值(403) 120(pF)
Wr 6.1-6.9(mm)
Wl 2-3(mm)
S 3-4(mm)
l1 100(mm)
l2 58-62(mm)
接收端谐振电容值 240(pF)
将接收模块印刷板的正面与发射模块印刷板的正面相对成中心对称放置(图10中的M点在发射模块上的投影与图4中的E点重合)，构成该系统的第一种应用情景。
在发射模块添加13.56MHz射频激励，激励信号在激励线圈402上产生电磁振荡。电磁能量先通过磁感应耦合传输到发射端谐振线圈阵列401。通过磁耦合谐振方式将能量传输到接收端谐振线圈901和寄生线圈1001、1002，再经过磁感应耦合传送到负载线圈902。电磁能量从负载线圈902输出，经903～907整流稳压后供给便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱。
图12中有该系统在第一种应用情景下的效果图。
然后移动接收模块的位置使得接收模块的中心点M在方形发射模块上的投影分别与发射模块印刷板正面上的F、G、H、I、J、K、L点位置重合，构成该系统在接收端中心偏离发射端中心时的另外七种应用情景。
重复之前当接收模块中心点M正对发射模块中心点E时的操作，然后通过测量和计算得出该系统在这七种应用情景下的传输效率。
表6中有实施例4中的无线电能传输系统在上述八种应用情景下的传输效率的测量结果。
表6 实施例3和实施例4中的无线电能传输系统在不同应用情景下的传输效率
实施例5：采用图4所示的发射端和图7、图8所示的接收端的、基于2×2谐振线圈阵列的、可用于移动通信终端和小型消费电子产品的磁场均衡分布型无线电能传输系统。
发射模块和接收模块的结构图分别如图4和图7、图8中所示，背面无任何金属片附着。
根据图4和图7、图8中所示结构图中的符号标识，并结合实际的应用需求，对此实施例中的设计采用如下几何参数和电气参数：
表7 实施例5中发射模块和接收模块的几何参数和电气参数
符号标识 取值(范围)
R3 100(mm)
R4 70-75(mm)
R5 105(mm)
W3 7-10(mm)
W4 3.5-4.5(mm)
Sm 4.5-5.5(mm)
Sg 10(mm)
发射端谐振电容值 120(pF)
Wr 2-4(mm)
Wl 1-2(mm)
S 1-3(mm)
l1 50(mm)
l2 28-34(mm)
接收端谐振电容值 247(pF)
将接收模块印刷板的正面与发射模块印刷板的正面相对成中心对称放置(图8中的M点在发射模块上的投影与图4中的E点重合)，构成无线电能传输系统。
在发射模块添加12-15MHz射频激励，激励信号在激励线圈402上产生电磁振荡。电磁能量先通过磁感应耦合传输到发射端谐振线圈阵列401。通过磁耦合谐振方式将能量传输到接收端谐振线圈701和寄生线圈801、802、803，再经过磁感应耦合传送到负载线圈702。电磁能量从负载线圈702输出，经703～707整流稳压后供给移动通信终端和小型消费电子产品。
然后设定发射模块和接收模块间的垂直间距为80mm,并设定激励源的频率为13.56MHz，将系统的接收模块在与传输方向垂直的xy平面上连续移动，测量和计算当接收模块位于xy平面上不同位置时的系统的传输效率。
图13为实施例5中当接收模块中心正对发射模块中心时，系统在不同传输距离下传输参数随激励源频率变化的曲线。
图14为实施例5中当激励源频率和传输距离固定、接收模块在xy平面上连续移动时，系统的传输效率随接收模块的空间位置变化的曲面。
实施例6：用于本发明中无线电能传输系统接收模块的基于低压差线性稳压电路设计的整流稳压集成电路。
整流稳压集成电路的设计图和印刷电路加工图分别如图11和图5、图7、图9中所示,电路采用与平面线圈相同的印刷电路板工艺加工，位于图5、图7、图9中负载线圈的内部。
根据图11和图5、图7、图9中所示的符号标识，并结合实际的应用需求，对此实施例中的电子元器件采用如下电气参数或型号：
表8 实施例6中的电子元器件的电气参数或型号
符号标识 取值(范围)/型号
C1 80～120pF
C2 80～120pF
C3 80～120pF
D1 SK310A
D2 SK310A
D3 SK310A
D4 SK310A
R1 2-4K
R2 8-12K
稳压芯片 AMS1117/LM1085/TSP5450
当电磁能量从图5、图7、图9中的负载线圈输出后，先经过图11中的整流二极管D1～D4转换为直流能量，然后经过一级滤波电容C1滤除纹波电压，然后输入给稳压芯片并通过偏置电阻R1和R2来调节所需的输出直流电压值，最后经二级滤波电容C2、C3滤除纹波电压后输出给电子、电气设备。整流稳压电路中稳压芯片的选择取决于不同的应用需求。如果所设计的无线电能传输系统拟应用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的无线充电或持续电能供给，则选择TSP5450作为稳压芯片；如果拟应用于移动通信终端，则选择LM1085为稳压芯片；如果拟应用于小型低功耗消费电子产品，则选择AMS1117为稳压芯片。

Claims (13)

1.一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，包括：
发射模块，用于无线电能的发射；
接收模块，用于无线电能的接收；
所述发射模块为平板型结构，正面有同处一面的发射谐振线圈阵列，背面有一个激励线圈；
所述接收模块为平板型结构，正面有同处一面的接收谐振线圈、负载线圈和整流稳压集成电路，背面有多个接收寄生线圈；
由所述发射模块和接收模块组成的无线电能传输系统可以实现传输距离为50mm-150 mm、传输效率大于65%的无线电能传输。
2.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述发射模块正面的发射谐振线圈均为四方螺旋环形，多个谐振线圈呈二维阵列排列；背面的激励线圈为四方环形，激励线圈的中心正对谐振线圈阵列的中心。
3.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块正面的接收谐振线圈为四方螺旋环形，负载线圈为四方环形；接收谐振线圈位于平面的外圈，负载线圈位于平面的内圈；整流稳压集成电路位于负载线圈内的空白区域处；接收模块背面的寄生线圈为缺损四方环形，其中外环、中环、内环寄生线圈分别位于平面的外圈、中圈和内圈；打孔插针将寄生线圈结构与接收谐振线圈相联接。
4.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块添加了整流稳压集成电路，可稳定输出5V-12V直流电压；系统接收端可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备、音箱、移动通信终端和小型消费电子产品的无线充电或持续电能供给。
5.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，发射模块所采用的阵列型谐振线圈设计使得系统在有效的传输范围内能产生均衡分布的磁场；当接收模块沿传输方向移动时，由传输距离过近引起的过耦合或传输距离过远引起的欠耦合均可以得到有效缓解，使得系统的传输效率下降幅度不大，仍可以保持较为高效的传输。
6.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，发射模块所采用的阵列型谐振线圈设计使得系统在有效的传输范围内能产生均衡分布的磁场；当接收模块在与传输方向垂直的平面上横向移动时，系统的传输效率的下降幅度较传统的无线电能传输系统和采用单对单谐振线圈设计的普通平板型无线电能传输系统减小了十倍以上。
7.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述发射模块采用了由单个激励线圈同时驱动发射模块正面的多个谐振线圈的设计，不仅实现了谐振线圈阵列的同频谐振，节省了加工成本，而且给发射模块的背面留出大量空间，用于添加匹配集成电路和可调电子元器件来优化系统的传输性能和实现系统的智能控制。
8.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述发射模块既可以采用矩形设计也可以采用方形设计，其中矩形设计是指发射模块印刷电路板为矩形的设计，方形设计是指发射模块印刷电路板为方形的设计。
9.根据权利要求8所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述发射模块采用矩形设计时，所述发射模块的几何参数和电气参数如下：
发射端所处的矩形印刷电路板的长度Lr为210mm；
发射端所处的矩形印刷电路板的宽度Hr为 100mm；
发射端谐振线圈201中微带线的宽度Wr2为6.0mm-6.6mm；
发射端谐振线圈单元的中心到其最外沿的距离Rl为50mm；
发射端谐振线圈单元的中心到其最内沿的距离Rm为23mm-25mm；
发射端谐振线圈单元中相邻微带线之间的间距S2为3mm-4mm；
发射端两相邻谐振线圈单元之间的间距SG为10mm；
激励线圈203的长度Ll2为152 mm-156mm；
激励线圈203的宽度Hl2为42 mm-45mm；
激励线圈203中微带线的宽度Wl2为1 mm-3mm；
发射端谐振电容值为150pF。
10.根据权利要求8所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述发射模块采用方形设计时，所述发射模块的几何参数和电气参数如下：
发射端谐振线圈401中微带线的宽度W4为3.5 mm-4.5mm；
发射端中心点到谐振线圈401最外沿之间的距离R5为105mm；
发射端中心点到激励线圈最外沿的距离R4为70 mm-75mm；
发射端谐振线圈单元的中心到其最外沿的距离R3为100mm；
发射端谐振线圈单元中相邻微带线之间间距Sm为4.5mm -5.5mm；
发射端两相邻谐振线圈单元之间的间距Sg为10mm；
激励线圈中微带线的宽度W3为7mm-10mm；
发射端谐振电容值为120pF。
11.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块根据应用需求，可采用不同尺寸、设计的接收谐振线圈、负载线圈和不同型号、规格的整流稳压芯片，以应用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备、音箱、移动通信终端和小型消费电子产品的无线充电和电能供给。
12.根据权利要求11所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块在应用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱时，所述接收模块的几何参数和电气参数如下：
接收端谐振线圈901中微带线的宽度Wr为6 mm-7 mm;
接收端负载线圈902中微带线的宽度Wl为1 mm-3mm；
接收端谐振线圈901中相邻微带线之间的距离S为3 mm-4 mm；
接收端所处的方形印刷电路板的边长l1为100mm；
接收端负载线圈902的边长l2为58 mm-62mm；
接收端谐振电容值为222pF；
整流稳压芯片采用TSP5450。
13.根据权利要求11所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块在应用于移动通信终端和小型消费电子产品时，所述接收模块的几何参数和电气参数如下：
接收端谐振线圈701中微带线的宽度Wr为2 mm-4mm；
接收端负载线圈702中微带线的宽度Wl为1 mm-2mm；
接收端谐振线圈701中相邻微带线之间的间距S为1mm-3mm；
接收端所处的方形印刷电路板的边长l1为50mm；
接收端负载线圈702的边长l2为28 mm-34mm；
接收端谐振电容值为247pF；
整流稳压芯片采用LM1085、AMS1117。
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