CN104953723A - 一种用于无线电能传输的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于无线电能传输的装置，所述装置的发射端包括电源、发射线圈和第一电磁耦合器(1)，第一电磁耦合器(1)的输入端和电源输出端相连接，第一电磁耦合器(1)的输出端和发射线圈相连接。所述装置的接收端包括负载、接收线圈和第二电磁耦合器(2)，所述的第二电磁耦合器(2)的输入端和接收线圈相连接，第二电磁耦合器(2)的输出端和负载相连接。所述的电磁耦合器可以在发射端或接收端使用，也可以用于多负载的情况。

Description

一种用于无线电能传输的装置

技术领域

本发明涉及一种可增加无线电能传输距离和提高传输效率的装置。

背景技术

无线电能传输是一种利用电磁感应现象，进行隔空电能传输的技术。即交变电流可以产生交变的磁场，交变磁场也可以产生交变的电场，电磁场得以在空中传播，对处于交变电磁场中的导体可以产生交变的电流。人们可以利用在导体中产生的交变电流来驱动诸如手机、灯泡、热水器、电视等用电设备。

目前，无线电能传输的传输方式主要有用于远距离的微波方式和激光方式，用于中短距离的磁感应方式和磁谐振方式，还有特殊场合应用的超声波方式和电场耦合方式。其中磁感应方式和磁谐振方式主要应用的形式又分为2线圈传输方式和4线圈传输方式。2线圈式即采用松耦合变压器原理，由初级线圈和次级线圈组成，根据所需传输的电能量级，设计使用不同匝数的线圈，将电能由初级线圈耦合传输至次级线圈。4线圈方式在2线圈基础上增加了2个线圈，即连接电源的驱动线圈和连接负载的负载线圈两个线圈，线圈匹配一定的电容，组成谐振耦合电路，用于能较远距离的电能传输和提高传输效率。

图1a所示是无线电能传输的2线圈原理图，A、B是两个谐振线圈，交流电源U_S和等效阻抗R_S与线圈A相连，负载R_L与线圈B相连。电源U_S以一定的频率激励线圈A，交变的电磁场在线圈B上感应产生交变电流驱动负载R_L。图1b所示是无线电能传输的4线圈原理图，A、B是两个谐振线圈，S是驱动线圈，L是负载线圈，交流电源U_S和等效阻抗R_S与线圈S相连，负载R_L与线圈L相连。电源U_S以一定的频率激励线圈S，电能耦合至线圈A，交变的电磁场在线圈B上感应产生的电能耦合至L，最后L中的交变电流可驱动负载R_L。

目前无线电能的传输方式，对于磁感应方式和磁谐振方式，是种中短距离的传输。为了能更远距离，更高效率的电能传输，人们设计使用不同频率的交变电源，如中国专利201210064445.7“一种千瓦级无线电能传输装置”。或者采用较高品质因数的谐振线圈(王国东，原璐璐.“无线电能传输系统谐振线圈优化设计”工矿自动化[J]2014.3)。

发明内容

本发明的目的是为了增加传输距离和提高传输效率，提出一种新的无线电能传输装置。本发明用于无线电能功率的传输。

本发明安装在发射端的电源和发射线圈之间，或者在接收端的负载和接收线圈之间，与电磁耦合器外部的输入输出端口连接。

本发明无线电能传输装置用于发射端时，在电源和发射线圈之间连接第一电磁耦合器，发射端包括电源、第一电磁耦合器和发射线圈。电源的输出端连接第一电磁耦合器的输入端，第一电磁耦合器的输出端和发射线圈相连接。本发明无线电能传输装置用于发射端时，在负载和接收线圈之间连接第二电磁耦合器，接收端包括负载、第二电磁耦合器和接收线圈。第二电磁耦合器的输入端和接收线圈相连接，第二电磁耦合器的输出端和负载相连接。根据传输系统的配置，电磁耦合器也可以在发射端和接收端同时使用，连接方式如上所述。

所述的电磁耦合器主要由高频磁芯和导线绕制而成，其绕制方法和形式根据无线电能传输系统的传输距离和传输频率决定。根据无线电能传输系统配置，电磁耦合器可以单独使用也可以成对使用。

使用电磁耦合器后，无线电能传输装置的传输距离和传输效率比不使用电磁耦合器有所提高。根据无线电能传输系统设计的频率要求和变比要求，电磁耦合器中的导线有不同绕法，采用2股、3股或4股导线并绕，通过导线间的不同连接，绕制不同匝数，来确定所需要的输入输出变比和适用的频率范围。

电磁耦合器是一种功率变换器件。和不使用电磁耦合器的无线电能传输装置比较，本发明优势在于，在原系统上使用电磁耦合器后，提高了传输效率，同时可以增加传输距离。

附图说明

图1a为现有的两线圈无线电能传输装置原理图，图1b为现有的四线圈无线电能传输装置原理图；

图2a为本发明两线圈的用于无线电能传输的装置的原理图，图2b为本发明四线圈的用于无线电能传输的装置的原理图；

图3a为方形结构的电磁耦合器示意图，适用于频率较低的情况，图3b为两线并绕的圆形结构的电磁耦合器示意图，图3c为三线并绕的圆形结构的电磁耦合器示意图，适用于频率较高的情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

图2a所示为本发明两线圈的用于无线电能传输的装置，图2b所示为本发明四线圈的用于无线电能传输的装置。

本发明在原无线电能传输系统中增加电磁耦合器。

本发明用于无线电能传输的装置用于发射端时，发射端包括电源、发射线圈A和第一电磁耦合器1，第一电磁耦合器1的输入端和电源输出端相连接，第一电磁耦合器1的输出端和发射线圈A相连接。本发明用于无线电能传输的装置用于接收端时，接收端包括负载、接收线圈B和第二电磁耦合器2，第二电磁耦合器2的输入端和接收线圈B相连接，第二电磁耦合器2的输出端和负载相连接。

根据系统配置，电磁耦合器可以分别单独使用，也可以成对使用。图2a和图2b所示为发射端和接收端同时加装电磁耦合器的情况。电磁耦合器在发射端或接收端单独使用时，连接方式同上所述。图2a中A为发射线圈，B为接收线圈。图2b中A为发射线圈，B为接收线圈，谐振发射线圈C和谐振接收线圈D是一对分别匹配有电容C_C和电容C_D的谐振线圈。使用电磁耦合器后，无线电能的传输距离和传输效率，比原系统要有所提高。

当电磁耦合器加装在发射端时，如图2所示，第一电磁耦合器1连接在电源和发射线圈A之间；当电磁耦合器加装在接收端时，如图2所示，第二电磁耦合器2连接在接收线圈B和负载之间。电磁耦合器用于调节传输距离和效率，是否在发射端或在接收端使用电磁耦合器，需根据无线电能传输系统的传输性能决定。电磁耦合器也可以集成在电源内部或负载上。

图3所示为电磁耦合器的结构。电磁耦合器由高频磁芯和导线绕制而成，通过不同的绕制方法可以调节电磁耦合器的输入输出变比。如图3所示，M为电磁耦合器的高频磁芯，a、b、c、d为电磁耦合器的外接端口：端口a和端口b为输入端口，端口c和端口d为输出端口。输入端口和输出端口可以互换。高频磁芯可以是圆形或方形结构，导线以一定的匝数比绕在磁芯上。若电磁耦合器用于发射端，电磁耦合器的两个输入端a、b连接到电源的输出端，电磁耦合器的两个输出端c、d连接到发射线圈；若电磁耦合器用于接收端，电磁耦合器的两个输入端a、b连接到接收线圈，电磁耦合器的两个输出端c、d连接到负载的输入端。在发射端还是在接收端单独使用电磁耦合器，还是同时使用，需根据具体传输系统来决定，具体的绕制方法和匝数比也需根据实际的传输系统来调节。

不同的输入输出变比有不同的绕制方法，图3a为输入输出变比1:1的情况，图3b为输入输出变比1:2的情况，图3c为输入输出变比1:3的情况。图3b所示为1组两线并绕的情况，图3c所示为1组三线并绕的情况，根据实际的传输系统也可采用2组线并绕、3组线并绕或4组线并绕，或多个磁芯连接来实现多种变比。通过不同的绕制方法以适用于高频或低频的情况。电磁耦合器是功率变换器件。电磁耦合器也可以级联使用，来调节所需要的变比。

电磁耦合器亦可用于多负载的情况，连接方法同上所述：电磁耦合器连接于接收端的负载和接收线圈之间。

Claims (4)

1.一种用于无线电能传输的装置，其特征在于：所述装置的发射端包括电源、发射线圈和第一电磁耦合器(1)，第一电磁耦合器(1)的输入端和电源输出端相连接，第一电磁耦合器(1)的输出端和发射线圈相连接；所述装置的接收端包括负载、接收线圈和第二电磁耦合器(2)，所述的第二电磁耦合器(2)的输入端和接收线圈相连接，第二电磁耦合器(2)的输出端和负载相连接。

2.根据权利要求1所述的用于无线电能传输的装置，其特征在于：所述的电磁耦合器通过不同的绕制方式来得到无线电能传输系统所需的输入输出变比。

3.根据权利要求1所述的用于无线电能传输的装置，其特征在于：所述的电磁耦合器加装在发射端或接收端，或集成在电源内部或负载上；所述的电磁耦合器在发射端或接收端单独使用或成对使用。

4.根据权利要求1所述的用于无线电能传输的装置，其特征在于：所述的电磁耦合器用于多负载的情况时，电磁耦合器连接于接收端的负载和接收线圈之间。