CN104953724A

CN104953724A - 一种无线电能传输装置及轨道玩具车

Info

Publication number: CN104953724A
Application number: CN201510383527.1A
Authority: CN
Inventors: 周海波; 王桂莲; 杨超; 赵玉成; 王收军; 朱培浩; 张亮
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输装置，包括无线电能发射电路和无线电能接收电路，其中无线电能发射电路包括依次连接的电源、降压电路、第一整流滤波电路、第一稳压电路、逆变电路、第一补偿电路和送电线圈；无线电能接收电路，其包括依次连接的接收线圈、第二补偿电路、第二整流滤波电路、第二稳压电路以及功率调节电路。所述送电线圈和接收线圈采用电磁感应的方式，使所述接收线圈感应所述发射线圈磁场的变化来产生感应电流。本发明实现了非接触的电能传输，并使电能传输过程中保持稳定，传送效率高，实现负载端的电压和功率的可调。本发明还提供了一种能够无线充电的轨道玩具车。

Description

一种无线电能传输装置及轨道玩具车

技术领域

本发明涉及无线充电领域，更具体的说涉及对玩具赛车进行无线供电。

背景技术

无线电能传输技术始于1889年的美籍克罗地亚裔物理学家特斯拉的研究。他曾设想把地球作为内导体，地球电离层作为外导体，利用环绕地球表面的电磁波来传输电能，在他建立的实验系统中，采用了一个巨大的线圈，试图把电能传送到全球各地，为一些孤立房屋提供照明。但由于实验耗资巨大，并没有解决电能定向传送等关键问题，因此没有达到实用阶段。

多年来国内外的科学家在无线电能传输技术方面执着地开展了很多探索研究工作，但进展缓慢。近几年，电磁感应式无线电能传输技术作为一种新兴的无线电能传输技术迅速发展起来，并在无线电能传输领域引起巨大的反响，使无线电能传输技术成为国内外学者研究的又一热点问题。

去除导线进行电能的无线传输是人们多年来的追求，目前的无线电能传输方式大致上分为三种：(一)电磁感应式无线电能传输方式；(二)磁共振耦合式无线电能传输方式；(三)无线电波式无线电能传输方式。

电磁感应式无线电能传输方式适合短距离的电能量传输，目前投入市场使用的有电动牙刷、电动剃须刀、以及各种手机充电器等。磁共振耦合式无线电能传输方式适合中等距离的电能量传输，主要运用于给电动汽车等大型设备进行充电。无线电波式无线电能传输方式主要运用于长距离的电力传输，比如遥控飞机等远距离控制的设备。

现有的技术中直接采用220V、50Hz交流电作为感应电流使用，这种电流频率低，无线传输性能不稳定、效率差，因此需要对这些缺陷就行改进。

发明内容

本发明设计开发了一种无线电能传输装置，通过无线方式进行电能的传输，并且实现了对波形的修正以及连接负载输出端功率和电压的可调性。

本发明提供的技术方案为：

一种无线电能传输装置，包括：

交流电源；

第一整流滤波电路，其电连接所述交流电源，将交流电转换成直

流电；

逆变电路，其输入所述直流电，输出脉冲交流电；所述逆变电路能够调节输出脉冲交流电的频率；

第一补偿电路，其接收所述逆变电路输出的脉冲交流，能够对脉冲交流电进行功率补偿和正弦波形修正；

送电线圈，接收所述的脉冲交流电；以及

接收线圈，感应所述送电线圈产生的电磁变化，产生交流电；

第二补偿电路，其接收所述接收线圈产生的交流电，能够对其进行功率补偿和正弦波形修正。

优选的是，所述交流电源和第一整流滤波电路之间还设置降压电路模块，用于降低交流电的电压。

优选的是，所述第一整流滤波电路和第一补偿电路之间还设置第一稳压电路，用于消除直流脉动。

优选的是，在所述第二补偿电路后，还依次设置：

第二整流滤波电路，其接收所述第二补偿电路输出的交流电，将其转换成直流电；

第二稳压电路模块，其接收所述第二整流滤波电路输出的直流电，消除直流脉动；

功率调节电路，其接收所述第二稳压电路模块输出的直流电，调节输出直流电的电压和功率；

其中，所述功率调节电路的调节方式是，当电压不变时调节功率；当功率不变时调节电压改变，以及同时调节功率和电压。

优选的是，所述第一整流滤波电路包括整流模块和滤波模块；整流模块设置成四只整流二极管的桥接形式；滤波模块包括两个并联的电容。

优选的是所述逆变电路还包括第一可变电阻、第二可变电阻和可变定时电容，芯片的放电端脚连接在第一可变电阻和第二可变电阻之间；可变定时电容上的电压为高触发端脚和低触发端脚的外触发电压。

优选的是，所述第一补偿电路包括两个RC电路。

优选的是，所述功率调节电路包括串联分压的第三可变电阻和并联分流的第四可变电阻。

优选的是，所述无线电能传输装置将电能输送给负载，所述负载为电池或小功率移动电子设备。

一种具有无线供电功能的轨道玩具车，包括上述的无线电能传输装置，其中，轨道上设置有送电线圈，玩具车底部设置有接收线圈，在玩具车在轨道上行驶时所述送电线圈将电能传递给所述接收线圈，以实现为玩具车供电。

本发明的有益效果是：本发明了提供了一种无线电能传输装置，实现了非接触的电能传输，并使电能传输过程中保持稳定，传送效率高，实现负载端的电压和功率的可调。

附图说明

图1为无线电能传输系统的系统构造图。

图2为无线电能发射电路的总电路图。

图3为降压、整流、滤波、稳压四部分电路图。

图4为降压后电压波形示意图。

图5为单相全波整流后电压的波形图。

图6为滤波后输出的直流电压脉动波形图。

图7为稳压后的电压输出波形图。

图8为逆变电路的电路图。

图9为去除尖峰的电压波形图。

图10为补偿后输出的电压波形图。

图11为无线电能接收电路的电路图。

图12为最终的电压输出波形。

图13为本发明所述的玩具车示意图。

图14为本发明所述的玩具车局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2，所示，本发明提供了一种无线电能传输装置，包括无线电能发射电路100和无线电能接收电路200，其中，无线电能发射电路100包括依次连接的电源110、降压电路120、第一整流滤波电路130、第一稳压电路140、逆变电路150、第一补偿电路160和送电线圈170。

无线电能接收电路200包括依次连接的接收线圈210、第二补偿电路220、第二整流滤波电路230、第二稳压电路240以及功率调节电路250以及负载260。其中送电线圈170和接收线圈210采用电磁感应的方式，使所述接收线圈210感应所述送电170线圈磁场的变化，从而使接收线圈210产生感应电流，进而实现了无线的电能传输。

如图3所示，在另一实施例中，电源110采用常规220V交流电，电源110首先需要经过降压电路120将电压降为额定电压的交流电，降压电路120包括初级线圈121和次级线圈122以及铁心，电源110的两端连接初级线圈121，当初级线圈121中通有交流电流时，铁芯中便产生交流磁通，使次级线圈122中感应出电压，如不计铁芯损失，次级线圈122两端电压与初级线圈121两端的电压之比等于次级线圈122的匝数与初级线圈121匝数之比。通过降压电路120的作用，将220V交流电转化为了额定电压的交流电，经降压电路120转换后的电压如图4所述。

在另一实施例中，所述第一整流滤波电路130包括整流电路131和滤波电路132。其中整流电路131设置成四只整流二极管D1接成的电桥形式，整流电路131能够将降压电路120输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，所述单向脉动性直流电电压情况如图5所示。从电源110输出的220V电压可以直接经整流电路131后利用分压得到所需电压，但整流输出电压太大，且分压功率损耗太大。

滤波电路132由两个并联的电容C1/C2组成，滤波电路132是指只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过。电压经过第一整流滤波电路130和滤波电路132滤波后，使波形趋于平缓，但仍是一个脉动的直流，如图6所示。

在另一实施例中，脉动的直流电经过第一稳压电路140的处理后能够得到稳定的直流电，消除了滤波后的直流脉动，如图7所示。其中第一稳压电路140包括稳压芯片LM7812CT，稳压芯片LM7812CT是三段稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。在不使用稳压芯片的情况下，脉动的直流会使逆变电路150的供电不稳定。

如图8所示，在另一实施例中，逆变电路150包括LM555CN芯片，以及依次串联的第一电阻R1、第二电阻R2、定时电容C4。

LM555CN芯片是美国国家半导体公司的时基电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一种通用集成电路。LM555CN芯片功能强大、使用灵活、适用范围宽，可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，被广泛用于各种电子产品中。

LM555CN芯片具有8个引脚，其中，所述LM555CN芯片的放电端7脚接在第一电阻R1和第二电阻R2之间，定时电容C4上的电压为高触发端6脚和低触发端2脚的外触发电压，电压控制端5脚接入高频干扰旁路电容C5，直接复位端4脚连接高电平。逆变电路150能够将稳定的直流电压逆变为脉冲电压，一个脉冲电压信号中高电平所持续时间T1和低电平所持续时间T2满足如下关系：

T₁＝0.693R₁C₄

T₂＝0.693R₂C₄

脉冲频率f为

f＝1.433/(R₁+R₂)·C₄。

在另一实施例中，所述第一电阻R1、第二电阻R2采用可变电阻，以调节高电平和低电平的占空比，所述定时电容C4采用可变电容，实现频率可调。由于所需输出为标准正弦波的交流电，所以占空比为50％，且输出频率的高低与C4的大小呈正比。

LM555CN芯片的输出端3引脚接三极管Q1和Q2的基极，两个三极管Q1和Q2的轮流导通使输出电压波形跨横轴上下两边的交流，而不是在横轴上方的脉动的直流。电容C6与电感L1串联，以滤除尖峰杂波，如图9所示。

在另一实施例中，逆变电路150之后连接第一补偿电路160，所述第一补偿电路160包括两个RC电路，以进行功率的补偿以及波形的修正，使输出波形为标准正弦波，如图10所示。

如图11所示，在另一实施例中，无线电能接收电路200通过接收线圈210，利用电磁感应原理，接收到逆变输出的交流电。接收线圈210依次连接第二补偿电路220、第二整流滤波电路230，所述第二补偿电路220与第一补偿电路160的连接方式相同，第二整流滤波电路230与第一整流滤波电路130的连接方式相同，接收线圈210接收到的交流电经过第二补偿电路220、第二整流滤波电路230，输出稳定直流电，如图12所示。

在另一实施例中，所述功率调节电路250包括串联的第三电阻R6和第四电阻R7，所述第四电阻R7两端连接负载260，所述第三电阻R6和第四电阻R7采用可变电阻，以实现负载的电压和功率的可调性。

由于直接使用稳压芯片LM7805CT最终输出无法完全达到所设计的参数值，所以采用稳压芯片LM7809CT，再通过可调电阻R6与R7同时作用来调节输出电压的大小和功率的高低，包括电压不变功率改变、功率不变电压改变，以及功率和电压同时可调。

在另一实施例中，所述负载260可设置为电池，以将电能储存在电池中，实现无线充电的功能。

本发明提供的无线电能传输装置可以应用到轨道玩具车上，将送电线圈170铺设到轨道中，将接收线圈210设置在玩具车底部，玩具车在轨道上行驶，当玩具车行驶到送电线圈170上方时，送电线圈170将电能传递给接收线圈210，实现了为玩具车供电。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种无线电能传输装置，其特征在于，包括：

交流电源；

流电；

送电线圈，接收所述的脉冲交流电；以及

2.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述交流电源和第一整流滤波电路之间还设置降压电路模块，用于降低交流电的电压。

3.根据权利要求1或2所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述第一整流滤波电路和第一补偿电路之间还设置第一稳压电路，用于消除直流脉动。

4.根据权利要求3所述的无线电能传输装置，其特征在于，在所述第二补偿电路后，还依次设置：

5.根据权利要求1或2所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述第一整流滤波电路包括整流模块和滤波模块；整流模块设置成四只整流二极管的桥接形式；滤波模块包括两个并联的电容。

6.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述逆变电路还包括第一可变电阻、第二可变电阻和可变定时电容，芯片的放电端脚连接在第一可变电阻和第二可变电阻之间；可变定时电容上的电压为高触发端脚和低触发端脚的外触发电压。

7.根据权利要求1或2所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述第一补偿电路包括两个RC电路。

8.根据权利要求1或2所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述功率调节电路包括串联分压的第三可变电阻和并联分流的第四可变电阻。

9.根据权利要求1、2、4、6中任意一项所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述无线电能传输装置将电能输送给负载，所述负载为电池或小功率移动电子设备。

10.一种具有无线供电功能的轨道玩具车，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的无线电能传输装置，其中，轨道上设置有送电线圈，玩具车底部设置有接收线圈，在玩具车在轨道上行驶时所述送电线圈将电能传递给所述接收线圈，以实现为玩具车供电。