CN105656212A - 基于旋转磁场的非接触式充电设备及充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于旋转磁场的非接触式充电设备及充电方法，其中充电设备包括：能量发射器，用于连接外部电源，并产生旋转磁场；至少一个能量接收器，其包括软磁体，围绕在软磁体上经旋转磁场的磁力线切割后产生电流的线圈，用于储存所述电流的整流电能储存装置，与整流电能储存装置电连接的充电电路。本发明利用旋转磁场切割导线产生电流，可以实现远距离传输，并且功率高、对于接收器的体积或尺寸没有限制，是一种全新的无线充电技术。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术（Wirelesschargingtechnology；Wirelesschargetechnology），也叫非接触式无线充电技术，尤其涉及一种可实现远距离充电的非接触式充电设备。
背景技术
无线充电技术（Wirelesschargingtechnology；Wirelesschargetechnology）源于无线电能传输技术，现有的无线电充电技术主要有以下三种方式：
1．电磁感应式无线充电设备
主要应用于小功率的电子设备，如对手机充电的Qi方式。电磁感应式无线充电设备的工作原理在于：初级线圈通以一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。电磁感应式充电方式是目前最为常见的非接触式充电解决方案，其中比亚迪公司早在2005年12月就申请了相关的非接触感应式充电器专利，使用的就是电磁感应技术。
但是，电磁感应式设备的初级线圈与次级线圈的距离必须要保持很近，需要在约毫米量级的范围内，属于近场能量传输，当两个线圈距离拉开时，能量传输就会中断，无法满足中远距离传输需求。
2．磁场共振式无线充电设备
该设备由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，是目前正在研究的一种技术，由麻省理工学院(MIT)物理教授MarinSoljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡，并将其取名为WiTricity。该实验中使用的线圈直径达到50cm，还无法实现商用化，如果要缩小线圈尺寸，接收功率自然也会下降。
由此可见，磁场共振技术具有中远距离能量传输能力，能将一两米外的60瓦灯泡点亮，具有较大的功率传输能力，但是发射和接收装置体积过大，不适合便携式电子产品的要求。
3．无线电波式
还有一种无线电能收集技术，这是发展较为成熟的技术，类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器。此种技术可进行能量的远距离传输，但传送能量非常弱，只适合超低功耗的电子设备使用，类似太阳能供电。而现今如手机等常用便携电子设备，功耗都远高于此项技术所能传输之电能，因此无法应用上述技术。
因此，如何提供一种传输效率高、可进行中远距离传输的非接触充电装置是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的技术问题，提出一种基于旋转磁场的非接触式充电设备，包括：
能量发射器，用于连接外部电源，并产生旋转磁场；
至少一个能量接收器，其包括软磁体，围绕在软磁体上经旋转磁场的磁力线切割后产生电流的线圈，用于储存所述电流的整流电能储存装置，与整流电能储存装置电连接的充电电路。
优选的，所述围绕在软磁体上的线圈为多组绕线方向不同的线圈，各线圈不同的绕线方向使能量接收器具有可供磁力线切割的导线方向涵盖X、Y、Z三个空间轴向。
能量发射器的第一实施例中，其结构包括旋转轴、可围绕旋转轴旋转的磁铁、位于磁铁磁极两端且电流方向相反的固定导线、与外部电源连接并控制导线电流方向的控制电路、用于检测磁铁磁场方向的霍尔感应器；所述控制电路将固定导线通电后，使通电的固定导线与磁铁相互作用推动磁铁旋转，并计算分析霍尔感应器的检测结果，来控制线圈中的电流方向，以确保磁铁始终受到同方向的旋转力矩，保持在这一方向匀速旋转，同时由霍尔传感器的信号可知磁铁的转速，当转速下降时增大电流，转速增加时减小电流，可确保磁铁稳定匀速旋转。
能量发射器的第二实施例中，其结构包括圆柱形电磁铁、围绕在电磁铁上的三相绕组线圈，三个线圈两两投影在电磁铁端面上所形成的最大夹角为120度。电磁铁采用软磁性材料制成。
进一步较远距离传输时，能量发射器与能量接收器之间还可以设有至少一个能量中继器，所述能量中继器包括中继转动轴以及可围绕中继转动轴转动的中继磁铁，所述中继转动轴与能量发射器发出的旋转磁场的轴芯平行，所述中继磁铁在旋转磁场的作用下围绕所述中继转动轴转动，产生其自身的旋转磁场。
在能量中继器的基础上，还可以进行改进形成中继接收器，即能量中继器还包括位于中继磁铁所产生的旋转磁场内可供磁力线切割的固定的能量接收导线，与固定的能量接收导线电性连接的中继整流电能储存装置。
本发明还提出了一种基于旋转磁场的非接触式充电方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：能量发射器连接外接电源产生一个旋转磁场；
步骤2：能量接收器的软磁体利用软磁性材料的特性改变磁场磁力线的局域分布，使缠绕在其上的线圈正对着旋转磁场的部分始终位于较强磁力线分布中，被旋转磁场的磁力线切割产生感应电动势，所述线圈背对着旋转磁场的部分被软磁体的材料特性屏蔽了旋转磁场的磁力线，使线圈中产生净感应电动势被整流电能储存装置存储。
本发明利用电能产生旋转磁场，并且通过磁铁之间同性相吸异性相斥的作用力，使得旋转磁场可以一步步被传递至更远距离，然后通过旋转磁场中运动的磁力线切割导线，产生电能，实现了较远距离的充电方式，并且传送距离通过能量中继器可以得到倍增。并且传输效率较高，可达90%以上。同时，能量接收器的体积可以不受限制，可大可小，可根据所需要的接收功率自由设计，非常适合微型便携设备。基于本发明的工作原理，不会产生对人体有害的高频电磁辐射，形成大范围旋转磁场后，可同时对处于磁场中的多个能量接收设备进行能量传输。
附图说明
图1为本发明的一实施例的结构示意图；
图2为能量发射器的第二实施例的结构示意图；
图3是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理及结构进行详细说明。
如图1所示，本发明一实施例提供的基于旋转磁场的非接触式充电设备，具有一个能量发射器1、一个基于能量中继器形成的中继接收器2、一个能量接收器3。能量发射器1产生旋转磁场，通过同性相吸异性相斥的原理，推动能量中继器/中继接收器2的中继磁铁旋转，能量接收器3的线圈的一部分被中继磁铁产生的旋转磁场的磁力线切割，产生电能，这就是本发明该实施例的原理。在其他实施例中，可以只设置能量发射器和能量接收器，或者根据需要设置中继接收器、能量接收器的个数，并不局限于图1所示的模型。
图1中示出的是能量发射器的第一实施例，该实施例中，能量发射器1包含一个旋转轴11，旋转轴11摩擦力要尽可能小，以减少机械损耗，磁铁12可以高速围绕该旋转轴11机械旋转，该磁铁12可以是高强永磁磁铁还可以是电磁铁，磁铁12磁极两端设置了两根电流方向相反的固定导线13，这两根固定导线13是一个简单示例，实际应用中还可以是两组固定导线，这两组固定导线可以是一个线圈的相对的两部分导线，控制电路与这些固定导线电性连接（图中未示出），且连接外部电源为固定导线13提供电流并控制固定导线13的电流方向，在磁铁12的周围还设置了用于检测磁铁磁场方向的霍尔感应器14。
控制电路为固定导线13通电后，电流方向如图1所示，左侧导线的电流方向朝外，右侧导线的电流方向朝内，根据左手定则，位于磁场内的通电导线将会受到作用力，左侧导线受到向下的作用力，右侧导线受到向上的作用力，磁铁12磁极两端会受到相应的反作用力，由于通电导线固定，会推动磁铁12围绕旋转轴11顺时针旋转。待磁铁12旋转180度后，控制电路控制两侧固定导线的电流方向互换（或给线圈通以反方向电流），从而给磁铁12继续实施方向相同的反作用力，持续推动磁铁12高速旋转，以在能量发射器1周边方圆～1米的范围内形成高强度高速旋转磁场。
霍尔感应器14用来感受磁场方向，以控制固定导线13的电流方向，保证磁铁12往一个方向转动。同时，通过测量霍尔信号的频率，也可以得知磁铁12的转速。由此一来，用上述闭环控制系统便可实现磁铁12在某一转速的稳定转动，从而在周边区域形成稳定可控的旋转磁场。
假设图1中能量发射器的磁场覆盖了能量接收器所在的区域，此时可以不设置能量中继器或中继接收器2，先介绍未设置能量中继器或中继接收器2时，能量发射器与能量接收器3之间的相互作用。
图1中示出了能量接收器的一实施例的结构示意图。该能量接收器3包括一块软磁性材料制成的软磁板31，软磁板31上沿图中的纵向方向绕了一圈线圈32，线圈32电性连接着整流电能储存装置33，整流电能储存装置33电性连接着充电电路。软铁性材料的软磁板可以改变旋转磁场磁力线的局域分布，使得缠绕在其上的线圈32面对旋转磁场的部分始终处于较强磁力线分布中，即图中位于上方的部分导线，背对着旋转磁场的部分则由于软铁性材料的磁屏蔽作用而感受不到磁力线，被屏蔽了旋转磁场，即图中位于下方的部分导线将不会被旋转磁场的磁力线切割。磁铁12旋转产生的旋转磁场的磁力线切割上方部分导线，产生感应电动势，下方的导线感受不到运动的磁力线，不产生感应电动势，使得线圈32内形成净感应电动势，然后通过整流电能储存装置33储存起来，用户可以通过充电电路进行充电，实现无线的、非接触式的充电目的。
在能量接收器3的其他实施例中，软磁板可以是其他不同形状的软磁体，其上可以绕有多组线圈，各线圈的绕线方向不同，各线圈不同的绕线方向使能量接收器具有可供磁力线切割的导线方向涵盖X、Y、Z三个空间轴向。这样用户在充电过程中可以不受能量接收器的摆放位置、方向的限制，在旋转磁场内任意摆放都存在可被旋转磁场切割的导线，可以实现无线充电。
当我们需要进一步较远距离地进行无线充电时，此时，需要引入能量中继器和/或中继接收器2。即能量发射器的磁场已经无法覆盖能量接收器所在的区域，此时需要设置一个或多个能量中继器和/或中继接收器2，将旋转磁场远程传递至可以覆盖能量接收器的位置，实现较远距离的无线充电。
能量中继器的结构与中继接收器的结构基本类似，即去掉图2中的能量接收导线23及中继整流电能储存装置24就是能量中继器的结构，能量中继器包括中继转动轴21以及可围绕中继转动轴转动的中继磁铁22，中继转动轴21与能量发射器1发出的旋转磁场的轴芯平行，即多个能量中继器、中继接收器的旋转轴也是彼此平行的，中继磁铁22在能量发射器1或者是其他能量中继器的旋转磁场的作用下，因同性相吸异性相斥的作用力，可以围绕中继转动轴转动，产生其自身的旋转磁场，从而使得该旋转磁场又可以进一步传递给更远的能量中继器实现更远距离的无线充电，或者是供能量接收器直接使用。
上述能量中继器的中继磁铁形状不限，可以是条形磁铁，还可以是圆形磁铁，在图1中所示的实施例中，中继磁铁22是圆形或圆柱形磁铁时，在该中继磁铁22的外围设置一圈或部分能量接收导线23，能量接收导线23位于中继磁铁33所产生的旋转磁场内并且可供磁力线切割，从而在能量接收导线23中产生电流，可以供与固定的能量接收导线23电性连接的中继整流电能储存装置24储存起来，便于加以利用，这就形成了中继接收器2，也就是说中继接收器2同时具有传递旋转磁场以及能量接收的功能。中继接收器2的能量接收导线23可以是一个鸟笼状线圈的部分导线，还可以是其他形状线圈的部分导线。当然，中继接收器2的中继磁铁并不限于图中的形状，当中继磁铁是其他形状时，也可以在其周围设置能量接收导线，不同形状的中继磁铁和围绕在其周围不同形状的线圈，尽可能使被切割的能量接收导线距离磁极较近，从而感应效果最好，效率更高。
图2是能量发射器的第二实施例，该实施例中，能量发射器1’包含一个静止的圆柱形电磁铁12’，该电磁铁12’上绕有三相绕组线圈13’，三个线圈两两投影在电磁铁端面上所形成的最大夹角为120度。向三相绕组线圈13’中输入三相电流，即相同频率和振幅，但相位各差120度的正弦波电流时，电磁铁12’即可在绕组周围空间里形成旋转磁场，旋转中心为圆柱形电磁铁的圆心，旋转转速即为正弦波的频率。与第一实施例相比，此发射器不含任何机械运动部件，完全依靠电控，精确可调。而且断电后便无磁场输出，方便可控，不会对周边环境带来强磁场影响。通过加大线圈和电流强度，可实现大于永久磁铁的磁感应强度辐射，实现较大功率较远距离传输。缺点是线圈热损耗较大，能量浪费较多。如果引入超导线圈技术（如浸泡在低温液氮中的超导三相线圈），则热损耗可以降至最小，能量传输效率将接近100％。
电磁铁选用的材料也是软磁性材料，软磁性材料的剩磁与矫顽磁力都很小，即磁滞回线很窄，它与基本磁化曲线几乎重合。这种软磁性材料适宜作电感线圈、变压器、继电器和电机的铁心。常用的软磁性材料有硅钢片，坡莫合金和铁氧体等。本发明的整流电能储存装置可以采用电容器或者是可充电电池。
基于上述技术内容，本发明可以实现远距离充电方式，解决了现有近场无线充电技术充电距离太小的问题。同时，本发明的传输效率高达90%以上，解决现有无线充电技术能量传输效率不高的问题。由于旋转磁场内360度方向均可以摆放能量接收器，能量接收器的体积也可大可小，因此本发明还解决了现有近场无线充电技术不能同时向多个设备传输能量的问题，以及现有无线充电接收器面积、体积过大的问题。
如图3所示，本发明提出的基于旋转磁场的非接触式充电方法包括如下步骤：
步骤1：能量发射器连接外接电源产生一个旋转磁场。
步骤2：能量接收器的软磁体利用软磁性材料的特性改变磁场磁力线的局域分布，使缠绕在其上的线圈正对着旋转磁场的部分始终位于较强磁力线分布中，被旋转磁场的磁力线切割产生感应电动势，所述线圈背对着旋转磁场的部分被软磁体的材料特性屏蔽了旋转磁场的磁力线，使线圈中产生净感应电动势被整流电能储存装置存储。
在上述步骤1中，旋转磁场还可以通过一个或多个能量中继器，或者一个或多个中继接收器，或者能量中继器和中继接收器组合起来，将旋转磁场进行传递，以能量中继器为例，能量中继器的可转动的中继磁铁受一个旋转磁场的作用力进行旋转，产生其自身的旋转磁场，从而使作用于能量中继器的旋转磁场被进一步传递。而进行旋转磁场传递的能量中继器的中继磁铁的四周可以设置固定的能量接收导线被其产生的旋转磁场切割产生电能，从而形成中继接收器。
由于旋转磁场是呈360度的，因此，在具体应用中，可以在旋转磁场内的多个位置设置多个能量接收器，或者通过多个能量中继器和/或中继接收器，使旋转磁场在多个方向上进行进一步传播。
以上具体实施例仅用以举例说明本发明的结构，本领域的普通技术人员在本发明的构思下可以做出多种变形和变化，这些变形和变化均包括在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于旋转磁场的非接触式充电设备，其特征在于，包括：
能量发射器，用于连接外部电源，并产生旋转磁场；
至少一个能量接收器，其包括软磁体，围绕在软磁体上经旋转磁场的磁力线切割后产生电流的线圈，用于储存所述电流的整流电能储存装置，与整流电能储存装置电连接的充电电路。
2.如权利要求1所述的基于旋转磁场的非接触式充电设备，其特征在于，所述围绕在软磁体上的线圈为多组绕线方向不同的线圈，各线圈不同的绕线方向使能量接收器具有可供磁力线切割的导线方向涵盖X、Y、Z三个空间轴向。
3.如权利要求1所述的基于旋转磁场的非接触式充电设备，其特征在于，所述能量发射器包括旋转轴、可围绕旋转轴旋转的磁铁、位于磁铁磁极两端且电流方向相反的固定导线、与外部电源连接并控制导线电流方向的控制电路、用于检测磁铁磁场方向的霍尔感应器；
所述控制电路将固定导线通电后，使通电的固定导线与磁铁相互作用推动磁铁旋转，并计算分析霍尔感应器的检测结果，来控制磁铁旋转方向以及旋转速度。
4.如权利要求1所述的基于旋转磁场的非接触式充电设备，其特征在于，所述能量发射器包括圆柱形电磁铁、围绕在电磁铁上的三相绕组线圈，三个线圈两两投影在电磁铁端面上所形成的最大夹角为120度。
5.如权利要求4所述的基于旋转磁场的非接触式充电设备，其特征在于，所述电磁铁采用软磁性材料制成。
6.如权利要求1至5任意一项权利要求所述的基于旋转磁场的非接触式充电设备，其特征在于，所述能量发射器与能量接收器之间还设有至少一个能量中继器，所述能量中继器包括中继转动轴以及可围绕中继转动轴转动的中继磁铁，所述中继转动轴与能量发射器发出的旋转磁场的轴芯平行，所述中继磁铁在旋转磁场的作用下围绕所述中继转动轴转动，产生其自身的旋转磁场。
7.如权利要求6所述的基于旋转磁场的非接触式充电设备，其特征在于，所述能量中继器还包括：位于中继磁铁所产生的旋转磁场内可供磁力线切割的固定的能量接收导线，与固定的能量接收导线电性连接的中继整流电能储存装置。
8.一种基于旋转磁场的非接触式充电方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：能量发射器连接外接电源产生一个旋转磁场；
步骤2：能量接收器的软磁体利用软磁性材料的特性改变磁场磁力线的局域分布，使缠绕在其上的线圈正对着旋转磁场的部分始终位于较强磁力线分布中，被旋转磁场的磁力线切割产生感应电动势，所述线圈背对着旋转磁场的部分被软磁体的材料特性屏蔽了旋转磁场的磁力线，使线圈中产生净感应电动势被整流电能储存装置存储。
9.如权利要求8所述的基于旋转磁场的非接触式充电方法，其特征在于，所述步骤1中，所述能量中继器和/或中继接收器的中继磁铁受一个旋转磁场的作用力进行旋转，产生其自身的旋转磁场，从而使作用于能量中继器的旋转磁场被进一步传递。
10.如权利要求9所述的基于旋转磁场的非接触式充电方法，其特征在于，所述能量中继器的中继磁铁的四周设置固定的能量接收导线被其产生的旋转磁场切割产生电能。
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