CN105024457A - 磁耦合谐振式无线电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
磁耦合谐振式无线电能传输装置，它包括第一谐振发射回路，具有第一接收线圈的第一谐振接收回路和具有第二接收线圈的第二谐振接收回路，第一接收线圈与第二接收线圈之间的耦合系数大于0.2，设定的第一谐振接收回路或第二谐振接收回路的谐振接收频率f00符合如下条件：，其中，L00和C00分别为谐振接收回路的总自感和总电容，M00为第一接收线圈与第二接收线圈之间的互感。
Description
技术领域
本发明涉及无线能量传输装置，特别涉及一种以磁耦合谐振方式工作的无线能量传输装置。
背景技术
当前用电装置通常使用有线连接进行电能的传输，电能的有线传输在某些场合无法满足应用的需要。能量的无线传输具有自己的特点，适合在不能使用导线供电的场合使用，如适合水下作业、医用植入设备、无线网络等不方便或不能使用导线供电的场合使用。
根据能量传输原理，目前，在国内外研究的无线能量传输技术主要有电磁波能量传输技术和感应耦合能量传输技术。
电磁波能量传输技术是通过天线发送和接收，比如使用微波进行无线能量传输，这种技术能够实现极高的传输功率，该技术存在的主要问题是在能量传输路径上不能有障碍物的遮挡，即能量传输无法绕过或穿过障碍物。
感应耦合能量传输技术，是利用电磁感应原理，采用松耦合变压器或可分离式变压器实现非接触式能量传输。该技术存在的主要问题是能量传输距离受到传输原理的局限而被限制在毫米等级。
目前成为研究热点的磁耦合谐振式无线能量传输技术，克服了感应耦合能量传输技术中所存在的传输距离短的缺点，但存在传输效率较低等问题。
现有的磁耦合谐振式无线能量传输技术通常使用具有发射线圈和发射电容的单个谐振发射回路与相隔一定距离设置的具有接收线圈和接收电容的单个谐振接收回路进行同频率的谐振工作，使能量从该谐振发射回路传递给谐振接收回路，其中，谐振接收回路和谐振发射回路的谐振频率分别为f01、f02，它们分别符合如下条件：
其中，L01、C01分别为接收线圈的自感量和接收电容的电容量，L02、 C02分别为发射线圈的自感量和发射电容的电容量。
发明内容
本发明的目的是要提供一种传输效率较高的磁耦合谐振式无线电能传输装置。本发明的另一目的是要使该种高传输效率的装置紧凑化。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种磁耦合谐振式无线电能传输装置，该种磁耦合谐振式无线电能传输装置，它由高频电源、发射装置和接收装置所组成，发射装置与接收装置被设置成相隔一定的距离以无线的方式传输电能，其特征在于，发射装置包括具有第一发射线圈和第一发射电容的第一谐振发射回路，设定的第一谐振发射回路的第一谐振发射频率与高频电源的工作频率相同；接收装置包括具有第一接收线圈和第一接收电容的第一谐振接收回路和具有第二接收线圈和第二接收电容的第二谐振接收回路，第一接收线圈与第二接收线圈之间的耦合系数大于0.2，设定的第一谐振接收回路的第一谐振接收频率为f33，设定的第二谐振接收回路的第二谐振接收频率为f44，第一谐振接收频率f33和第二谐振接收频率f44都与高频电源的工作频率相同，并且分别符合如下条件：
其中，L33和C33分别为第一谐振接收回路的总自感和总电容，L44和C44分别为第二谐振接收回路的总自感和总电容，M34为第一接收线圈与第二接收线圈之间的互感。
大家知道，两个线圈之间的耦合系数等于两个线圈之间的互感量与该两个线圈各自的自感量的乘积的平方根之比。因此，第一接收线圈与第二接收线圈之间的耦合系数等于第一接收线圈与第二接收线圈之间的互感量与第一接收线圈与第二接收线圈各自的自感量的乘积的平方根之比。
优选地，第一接收线圈与第二接收线圈之间的耦合系数大于0.5，更优选地大于0.75。第一接收线圈与第二接收线圈的距离越近，其耦合系数一般越大，其所占用的空间一般越小，有利于装置的紧凑化。通常，第一接收线圈与第二接收线圈的距离小于10毫米，优选地小于5毫米，更优选地，第一接收线圈与第二接收线圈之间的距离为0，即第一接收线圈与第二接收线圈相接触。
优选地，第一接收线圈与第二接收线圈之间的耦合采用同向耦合。这里所述的同向耦合是指有工作电流在第一接收线圈和第二接收线圈流过时，第一接收线圈所产生的磁场和第二接收线圈所产生的磁场是相互加强的。
在一个优选的实施例中，第二接收线圈位于第一接收线圈内。这样两个接收线圈所占用的空间很小，有利于装置的紧凑化。
在另一个优选的实施例中，第一接收线圈和第二接收线圈为双线并绕方式制作的两个结构和大小都相同的紧密耦合的接收线圈。这样两个接收线圈所占用的空间很小，而且两个接收线圈之间的耦合系数也较大，有利于装置的紧凑化并增强两个接收线圈之间的电磁耦合能力。
接收装置还可以包括具有第三接收线圈和第三接收电容的第三谐振接收回路，设定的第三谐振接收回路的第三谐振接收频率与高频电源的工作频率也相同，并且，第三接收线圈与第一接收线圈之间的耦合系数大于0.2，第三接收线圈与第二接收线圈之间的耦合系数也大于0.2。
所述发射装置还可以包括具有第二发射线圈和第二发射电容的第二谐振发射回路，第一发射线圈与第二发射线圈之间的耦合系数大于0.2，设定的第二谐振发射回路的第二谐振发射频率也与高频电源的工作频率相同，设定的第一谐振发射回路的第一谐振发射频率为f11，设定的第二谐振发射回路的第二谐振发射频率为f22，第一谐振发射频率f11和第二谐振发射频率f22都与高频电源的工作频率相同，并且分别符合如下条件：
其中，L11和C11分别为第一谐振发射回路的总自感和总电容，L22和C22分别为第二谐振发射回路的总自感和总电容，M12为第一发射线圈与第二发射线圈之间的互感。
通常，第一发射线圈与第二发射线圈的距离小于10毫米，优选地小于5毫米，更优选地，第一发射线圈与第二发射线圈之间的距离为0，即第一发射线圈与第二发射线圈相接触。
在一个优选的实施例中，第二发射线圈位于第一发射线圈内。这样两个发射线圈所占用的空间很小，有利于装置的紧凑化。
在另一个优选的实施例中，第一发射线圈和第二发射线圈为双线并绕方式制作的两个结构和大小都相同的紧密耦合的发射线圈。这样两个发射线圈所占用的空间很小，而且两个发射线圈之间的耦合系数也较大，有利于装置的紧凑化并增强两个发射线圈之间的电磁耦合能力。
优选地，第一发射线圈与第二发射线圈之间的耦合采用同向耦合。
优选地，第一谐振接收频率f33和第二谐振接收频率f44分别符合如下条件：
优选地，第一谐振发射频率f11和第二谐振发射频率f22分别符合如下条件：
。
发射装置还可以包括具有第三发射线圈和第三发射电容的第三谐振发射回路，设定的第三谐振发射回路的第三谐振发射频率与高频电源的工作频率也相同，并且，第三发射线圈与第一发射线圈之间的耦合系数大于0.2，第三发射线圈与第二发射线圈之间的耦合系数也大于0.2。
优选地，高频电源通过带磁芯的变压器与谐振发射回路进行能量耦合。
在优选的实施例中，高频电源通过一带磁芯的变压器与第一谐振发射回路进行能量耦合，并通过带磁芯的另一变压器与第二谐振发射回路进行能量耦合。
磁耦合谐振式无线电能传输装置还包括负载，负载优选地通过带磁芯的变压器与谐振接收回路进行能量耦合。
在优选的实施例中，负载通过一带磁芯的变压器与第一谐振接收回路进行能量耦合，并通过另一带磁芯的变压器与第二谐振接收回路进行能量耦合。
本发明的接收装置包括了两个具有密切能量耦合关系的谐振接收回路，并设定了与现有技术的单个没有耦合关系的谐振接收回路的谐振频率完全不同的谐振接收频率，使本发明的两个具有密切能量耦合关系的谐振接收回路能同时高效地进行无线能量的接收，显著增加了与发射装置的谐振发射回路之间的能量耦合或传输能力，理论与实验都证明能显著提高其无线能量的传输效率。
在此基础上，本发明的发射装置还进一步设置了与第一谐振发射回路具有密切能量耦合关系的第二谐振发射回路，有利于进一步提高其无线能量的传输效率。
另外，本发明装置的第二接收线圈可以位于第一接收线圈内，第二发射线圈可以位于第一发射线圈内，因此本发明装置还具有结构紧凑等特点。
还有，在本发明装置中，高频电源通过带磁芯的变压器与谐振发射回路进行能量耦合，负载也通过带磁芯的变压器与谐振接收回路进行能量耦合，有利于减少整个装置的体积并提高传输效率。
附图说明
图l是本发明的磁耦合谐振式无线电能传输装置的结构示意图。
图2是图1所示的磁耦合谐振式无线电能传输装置的等效电路图。
图3是图2所示的等效电路图的简化电路图。
图4是本发明的磁耦合谐振式无线电能传输装置的另一个实施例的示意图。
图5是图4所示的实施例的等效电路图。
图6是图5所示的等效电路图的简化电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。
图l是本发明的磁耦合谐振式无线电能传输装置的结构示意图，图2是图1所示的磁耦合谐振式无线电能传输装置的等效电路图。从图1和图2中可以看出，本发明的磁耦合谐振式无线电能传输装置包括具有内阻RS的高频电源US、发射装置和接收装置，发射装置包括具有第一发射线圈L1、第一发射电容C1和第一发射电阻R1的第一谐振发射回路，该第一谐振发射回路为一串联谐振发射回路，第一发射线圈L1为圆环形的空心线圈，该空心线圈的直经约为110毫米；接收装置包括具有第一接收线圈L3、第一接收电容C3和第一接收电阻R3的第一谐振接收回路和具有第二接收线圈L4、第二接收电容C4和第二接收电阻R4的第二谐振接收回路，第一谐振接收回路和第二谐振接收回路都为串联谐振接收回路，第一接收线圈L3和第二接收线圈L4都为圆环形的空心线圈，第一接收线圈L3的直经约为110毫米，第二接收线圈L4的直经约为100毫米，其中，第二接收线圈L4位于第一接收线圈L3的内部；在本实施例中，高频电源US通过变压器B1与第一谐振发射回路进行能量耦合，变压器B1位于初级侧的线圈LS1的圈数为8圈，变压器B1位于次级侧的线圈LS2的圈数为1圈；本实施例的磁耦合谐振式无线电能传输装置还包括具有负载电阻RL的负载回路，第一谐振接收回路通过变压器B3与负载回路进行能量耦合，第二谐振接收回路通过变压器B4与负载回路与进行能量耦合，变压器B3初级侧的线圈LL1的圈数为1圈，变压器B3次级侧的线圈LL2的圈数为1圈，变压器B4初级侧的线圈LL3的圈数为1圈，变压器B4次级侧的线圈LL4的圈数为1圈。
在本实施例中，第一接收线圈L3与第二接收线圈L4之间的互感为M34，第一发射线圈L1与第一接收线圈L3之间的互感为M13，第一发射线圈L1与第二接收线圈L4之间的互感为M14，其中，第一接收线圈L3与第二接收线圈L4之间的耦合系数约为0.82，第一发射线圈L1与第一接收线圈L3和第二接收线圈L4的距离都为D。
图3示出了图2所示的等效电路图的简化电路图。在图3中，将高频电源US的电源输入部分反射到第一谐振发射回路，相当于在第一谐振发射回路中加入一个具有内阻RS1的感应电动势US1；而将具有负载电阻RL的负载回路分别反射到第一谐振接收回路和第二谐振接收回路，相当于在第一谐振接收回路和第二谐振接收回路中分别加入负载RL1和RL2。
在本实施例中，设第一谐振发射回路的工作电流为I1，第一谐振接收回路和第二谐振接收回路的工作电流分别为I3和I4，US1=US0，R1=R3=R4=R；L11=L33=L44=L；M13≈M34=M ， RL1=RL2=RL0，C3=C4=C0，RS1=RS0，
，，
其中，ω为角频率。
利用图3所示的等效电路，可得到电能的无线传输效率η1为：
第一谐振接收回路的谐振接收频率f33和第二谐振接收回路的谐振接收频率f44由下面的公式决定，即：
第一谐振发射回路的谐振接收频率f11由下面的公式决定，即：
当高频电源US的工作频率fs = f11 = f33 = f44时，从公式（1）可以得到最大的传输效率η1m，即：
而采用现有的技术，即采用单个谐振发射回路与单个谐振接收回路进行同频率的谐振工作，参考图3所示的等效电路除去第二谐振接收回路后即为现有技术的技术方案，从图3中除去第二谐振接收回路后，就可以得到的现有技术的最大传输效率η0m，即：
其中，谐振接收回路的谐振接收频率f20由下式确定，即：
比较公式（4）与公式（5），就可以看出本发明的技术方案的传输效率较现有技术有显著的提高。
另外，比较公式（2）与公式（6），就可以看出本发明装置的谐振接收回路的谐振接收频率的设定与现有技术的谐振接收频率的设定有很大不同。容易看出，如果采用现有技术的谐振接收频率的设定方案是无法在本发明装置中获得最佳的传输效率。
图4、图5和图6展示了本发明的磁耦合谐振式无线电能传输装置的另一个实施例。从图4至图6中可以看出，本实施例是在第一个实施例的基础上增加了第二谐振发射回路，第二谐振发射回路包括第二发射线圈L2、第二发射电容C2和第二发射电阻R2，第二谐振发射回路与第一谐振发射回路一样也为串联谐振发射回路，第二发射线圈L2也为圆环形的空心线圈，该空心线圈的直经约为100毫米，其中，第二发射线圈L2位于第一发射线圈L1的内部。
在本实施例中，高频电源US通过变压器B2与第二谐振发射回路进行能量耦合，变压器B2位于初级侧的线圈LS3的圈数为8圈，变压器B2位于次级侧的线圈LS4的圈数为1圈。
在本实施例中，第一发射线圈L1与第二发射线圈L2之间的互感为M12，第一发射线圈L1与第一接收线圈L3之间的互感为M13，第一发射线圈L1与第二接收线圈L4之间的互感为M14，第二发射线圈L2与第一接收线圈L3之间的互感为M23，第二发射线圈L2与第二接收线圈L4之间的互感为M24，第一接收线圈L3与第二接收线圈L4之间的互感为M34，其中，第一发射线圈L1与第二发射线圈L2之间的耦合系数约为0.82，第一接收线圈L3与第二接收线圈L4之间的耦合系数也约为0.82，第一发射线圈L1与第一接收线圈L3和第二接收线圈L4的距离都为D，第二发射线圈L2与第一接收线圈L3和第二接收线圈L4的距离也都为D。
在本实施例中，设第一谐振发射回路和第二谐振发射回路的工作电流分别为I1和I2，第一谐振接收回路和第二谐振接收回路的工作电流分别为I3和I4；令US1 = US2 = US0，RS1 = RS2 = RS0 ，R1 = R2 = R3 = R4 = R，L11 = L22 = L33 = L44 = L，M13≈M14≈M23≈M24 = M ，M12≈M34 = M0，RL1 = RL2 = RL0 ，C1 = C2 = C3 = C4 = C0 ，
，，
利用图6所示的等效电路，可得到本实施例的电能的无线传输效率η2为：
第一谐振发射回路的谐振接收频率f11、第二谐振发射回路的谐振接收频率f22、第一谐振接收回路的谐振接收频率f33和第二谐振接收回路的谐振接收频率f44由下面的公式确定，即：
当高频电源US的工作频率fs = f11 = f22 = f33 = f44时，从公式（7）中可以得到本实施例的最大的传输效率η2m：
比较公式（9）与公式（5），就可以看出本实施例的传输效率较现有技术有显著的提高。
另外，比较公式（8）与公式（6），容易可以看出本实施例的两个谐振接收回路的两个谐振接收频率的设定与现有技术的谐振接收频率的设定有很大不同；同样也可以得出本实施例的两个谐振发射回路的两个谐振发射频率的设定与现有技术的谐振发射频率的设定有很大不同。事实上，采用现有技术的谐振接收频率或谐振发射频率的设定方案都无法在本发明装置中获得最佳的传输效率。
在本实施例中，在如下参数下进行了有关测定：D选为35毫米，RL为10欧姆，L为16.2微亨，M0约为13.3微亨，C0约为100微微法，高频电源US的工作频率fS为2.92兆赫，实测获得的传输效率达84.2%。
尽管已经展示和描述了目前认为是优选的本发明的实施例，但显而易见，本领域的技术人员可以进行各种改变和改进，而不背离所附权利要求书所限定的本发明的范围。
Claims (10)
1.一种磁耦合谐振式无线电能传输装置，它由高频电源、发射装置和接收装置所组成，发射装置与接收装置被设置成相隔一定的距离以无线的方式传输电能，其特征在于，发射装置包括具有第一发射线圈和第一发射电容的第一谐振发射回路，设定的第一谐振发射回路的第一谐振发射频率与高频电源的工作频率相同；接收装置包括具有第一接收线圈和第一接收电容的第一谐振接收回路和具有第二接收线圈和第二接收电容的第二谐振接收回路，第一接收线圈与第二接收线圈之间的耦合系数大于0.2，设定的第一谐振接收回路的第一谐振接收频率为f33，设定的第二谐振接收回路的第二谐振接收频率为f44，第一谐振接收频率f33和第二谐振接收频率f44都与高频电源的工作频率相同，并且分别符合如下条件：
其中，L33和C33分别为第一谐振接收回路的总自感和总电容，L44和C44分别为第二谐振接收回路的总自感和总电容，M34为第一接收线圈与第二接收线圈之间的互感。
2.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，第二接收线圈位于第一接收线圈内。
3.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，第一接收线圈和第二接收线圈为双线并绕方式制作的两个结构和大小都相同的紧密耦合的接收线圈。
4.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，接收装置还包括具有第三接收线圈和第三接收电容的第三谐振接收回路，设定的第三谐振接收回路的第三谐振接收频率与高频电源的工作频率也相同，并且，第三接收线圈与第一接收线圈之间的耦合系数大于0.2，第三接收线圈与第二接收线圈之间的耦合系数也大于0.2。
5.如权利要求1至4之一所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述发射装置还包括具有第二发射线圈和第二发射电容的第二谐振发射回路，第一发射线圈与第二发射线圈之间的耦合系数大于0.2，设定的第二谐振发射回路的第二谐振发射频率也与高频电源的工作频率相同，设定的第一谐振发射回路的第一谐振发射频率为f11，设定的第二谐振发射回路的第二谐振发射频率为f22，第一谐振发射频率f11和第二谐振发射频率f22都与高频电源的工作频率相同，并且分别符合如下条件：
其中，L11和C11分别为第一谐振发射回路的总自感和总电容，L22和C22分别为第二谐振发射回路的总自感和总电容，M12为第一发射线圈与第二发射线圈之间的互感。
6.如权利要求5所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，第二发射线圈位于第一发射线圈内。
7.如权利要求5所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，第一接收线圈和第二接收线圈为双线并绕方式制作的两个结构和大小都相同的紧密耦合的接收线圈。
8.如权利要求5所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，发射装置还包括具有第三发射线圈和第三发射电容的第三谐振发射回路，设定的第三谐振发射回路的第三谐振发射频率与高频电源的工作频率也相同，并且，第三发射线圈与第一发射线圈之间的耦合系数大于0.2，第三发射线圈与第二发射线圈之间的耦合系数也大于0.2。
9.如权利要求5所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，第一谐振发射频率f11、第二谐振发射频率f22、第一谐振接收频率f33和第二谐振接收频率f44分别符合如下条件：
。
10.如权利要求5所述的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于，高频电源通过带磁芯的变压器与谐振发射回路进行能量耦合，并且，磁耦合谐振式无线电能传输装置还包括负载，负载通过带磁芯的变压器与谐振接收回路进行能量耦合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151104 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |