CN106787246B - 一种场效应管式玩具赛车轨道的无线供电系统及轨道玩具赛车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种场效应管式玩具赛车轨道的无线供电系统，包括：无线电能发射电路，其与电源连接；无线电能接收电路，其设置在玩具赛车上；以及发射线圈，其连接所述无线电能发射电路，并以螺旋平铺式固定在轨道内部，能够产生电磁；接收线圈，其连接所述无线电能接收电路并设置在玩具赛车上，能够感应所述发射线圈产生的电磁变化，产生交流电；其中，在所述发射线圈中，将单匝线圈以相同偏移量在轨道内平移铺置，保证赛车在任何位置均能获得稳定动力。采用无线供电系统对玩具赛车进行供电，并通过电磁感应的方式从发射线圈向接收线圈传递电能，当两个线圈的距离越近时，整个系统的电能传输效率越高。

Description

一种场效应管式玩具赛车轨道的无线供电系统及轨道玩具 赛车

技术领域

本发明涉及无线供电领域，特别是一种场效应管式玩具赛车轨道的无线供电系统及轨道玩具赛车。

背景技术

从1831年迈克尔-法拉第发现了电磁感应现象开始，人们便进入了一个新的纪元—电气化时代。随后，一系列关于电磁学的理论与应用研究也随之铺开，从变压器到现在具有巨大研究潜在价值的无线电力传输技术。最早的无线电力传输技术的研究始于1889年的美籍克罗地亚裔物理学家特斯拉，但由于其在研究过程中未能真正解决无线电力传输技术的一系列关键问题，所以最后未能推广于实际。2001年5月，法国科学研究中心的皮格努莱特利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。其后2003年在岛上建立的实验型微波输电装置以2.45GHz频率向1km之外的格朗巴桑村进行点对点输电。2006年日本出产了一款传输效率能达到百分之五十以上的手机无线充电器。2007年麻省理工学院有关研究人员通过磁耦合共振原理成功点亮了2m之外一个60W的灯泡。2008年，北美电力研究协会已成功将800W电力用无线的方式传输到5米远的距离等。

多年来，国内外许多知名的科学家对无线电力传输展开了积极的研究，但传输效率和功率损耗一直都是无法攻克的世界性难题，再加上实施此项技术的造价成本太高等一系列因素的综合影响，造成无线电力传输技术的发展进程一直比较缓慢。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。

现在市面上的玩具赛车普遍都采用蓄电池供电方式。但是在这种供电模式下存在着很多弊端，首先赛车蓄电池的电能是有限的，当蓄电池电量不足时就会影响玩具赛车的速度，如此就必须更换新的蓄电池，其次玩具赛车蓄电池的耗电速度非常快，这也就意味着蓄电池的更换周期短且频繁。再者，现在市面上的蓄电池都普遍存在存储电量无法得到充分利用，且废弃后对环境造成严重污染的问题。

现有的无线轨道玩具赛车多为专有轨道和赛车，赛车只有准确的定位在轨道上时才能获得电力，如若玩具赛车在行驶的过程中或是转弯过程中，移动过程中由于惯性的作用发射、没有及时与轨道内接收线圈保持位置一致，将会出现停止前进的现象，为使用带来不便。

发明人的在先申请中国专利授权公告号：CN204706961U，和中国专利公布号：CN104953724A中公开了一种无线电能传输装置及轨道玩具车，实现了非接触的电能传输，但是存在电能不持续，赛车偏移不能获得电能的问题。

发明内容

本发明设计开发了一种场效应管式玩具赛车轨道的无线供电系统，能够克服当接收线圈与发射线圈存在偏移量而使赛车无法获得持续的动力输出的问题，使得赛车在轨道任何位置都能获得动力来维持稳定速度。

本发明的另一个目的：对电磁互感模块的耦合系数进行校正，保证电能的稳定性。

本发明提供的技术方案为：

一种场效应管式玩具赛车轨道的无线供电系统，包括：

无线电能发射电路，其与电源连接；

无线电能接收电路，其设置在玩具赛车上；以及

发射线圈，其连接所述无线电能发射电路，并以螺旋平铺式固定在轨道之间，能够产生电磁；

接收线圈，其连接所述无线电能接收电路并设置在玩具赛车上，能够感应所述发射线圈产生的电磁变化，产生交流电；

其中，在所述发射线圈中，将单匝线圈以相同偏移量在轨道内部平移铺置，保证赛车在任何位置均能获得稳定动力。

优选的是，所述无线电能发射电路包括：

第一整流滤波模块，其与所述电源连接，能够将电源传递的低压交流电转变为直流电；

高频逆变模块，其能够接收所述第一整流滤波模块输入的直流电，并经过逆变输出高频交流电；

原边补偿模块，其能够接收所述高频逆变模块输入的高频交流电，并对脉冲交流电进行功率补偿和正弦波形修正，并传递给所述发射线圈。

优选的是，所述发射线圈和所述接收线圈之间的耦合系数对K进行校正，/>η为校正因子，其中L₁为所述发射线圈的电感值，L₂为接收线圈的电感值，μ₀为真空磁导率，s为发射线圈面积，a为接收线圈半径，h为发射线圈到接收线圈的竖直距离。

优选的是，所述校正因子其中r₁为发射线圈半径，r₂为接收线圈半径，且r₁＞r₂，M为完全耦合时磁通区磁力线穿过原边和副边的匝数，M₁为漏磁通区磁力线穿过原边的匝数，M₂为部分磁通区磁力线穿过副边的匝数，N₁为发射线圈的匝数，N₂为接收线圈的匝数，d为发射线圈到接收线圈的竖直距离。

优选的是，所述第一整流滤波模块与所述高频逆变模块之间设置有第一稳压电路，其能够消除直流脉动，使直流电波形变得平稳。

优选的是，所述无线接收电路包括：

副边补偿模块，其能够接收所述接收线圈传递的交流电，并对其进行功率补偿和正弦波形修正；

第二整流滤波模块，其能够接收所述副边补偿电路输出的交流电，并将其转换成直流电。

优选的是，所述第二整流滤波模块与第二稳压电路连接，能够通过第二稳压电路获得稳定直流电为玩具赛车进行无线供电。

优选的是，所述高频逆变模块逆变电路包括两个场效应管，其轮流接通自激震荡，实现逆变过程。

优选的是，所述无线电能发射电路能够将电能传递给玩具赛车，为其提供稳定的动力。

一种具有无线供电系统的轨道玩具赛车，使用上述场效应管式轨道玩具赛车的无线供电系统，在轨道内部设置发射线圈，并在玩具赛车底部设置接收线圈，使玩具赛车在轨道上行驶时，所述发射线圈将电能传递给所述接收线圈，为玩具车供电。

本发明所述的有益效果：采用无线供电系统对玩具赛车进行供电，并通过电磁感应的方式从发射线圈向接收线圈传递电能，当两个线圈的距离越近时，整个系统的电能传输效率越高。发射线圈被嵌入玩具赛车轨道内部，接收线圈设置在玩具赛车底部，保证玩具赛车和赛车轨道之间总是以一种近距离耦合的无线传输方式来实现高效的电能传输。

在逆变电路中采用两个场效应管轮流导通的方式来实现高频逆变，给发射线圈提供产生高频交流电，能够满足玩具赛车使用要求。

将发射线圈以螺旋平铺式镶嵌于轨道内，从而使得玩具赛车的接收线圈可以近距离和发射线圈耦合，实现近距离的高效电能传输，使赛车能够获得持续运动的动力。由于发射线圈以螺旋平铺式分布在轨道中，能够有效解决当接收线圈与发射线圈存在偏移量而使赛车无法获得持续的动力输出的问题，使得赛车在轨道任何位置都能获得动力来维持稳定速度。对电磁互感模块的耦合系数进行校正，保证赛车获得稳定的电能。

附图说明

图1为无线供电系统的构造图；

图2为发射线圈和接收线圈互感示意图；

图3为初级变压整流电路的电路图；

图4为降压后AB端口仿真电压示意图；

图5为单相全波整流后CD端口电压的波形图；

图6为滤波后EF端口输出的直流电压脉动波形图；

图7为稳压后GH端口的电压输出波形图；

图8为逆变电路的电路图；

图9为逆变后的高频正弦交流电波形图；

图10为电能接收部分的电路图；

图11为玩具赛车及轨道示意图；

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和11所示，本发明提供一种场效应管式玩具赛车轨道的无线供电系统，包括：电源100，无线电能发射电路200，电磁互感模块300，无线电能接收电路400。

无线发射电路200与电源100连接，包括第一整流滤波模块210，高频逆变模块220，原边补偿模块230。

电磁互感模块300包括发射线圈310和接收线圈320，发射线圈310能够接收来自无线发射电路200传递的电能，并通过电磁感应的方式将电能传递给接收线圈320。

无线电能接收电路400，包括副边补偿模块410，第二整流逆变模块420以及玩具赛车430。

第一整流滤波模块210与电源连接，电源100采用常规220V交流电，电源100经过降压电路将电压降为额定电压的交流电，传递给第一整流滤波模块210，经过整流滤波后输出低压直流电，第一稳压电路能够消除直流脉动，使输出的低压直流电波形变得平稳。

高频逆变模块220将接收的第一整流模块210传递的低压直流电进行逆变，输出高频交流电，原边补偿模块230对该脉冲交流电进行功率补偿和正弦波形修正，并将修正后得到的电流传递给发射线圈310。发射线圈310设置在轨道240内部，并以螺旋平铺式镶嵌在轨道240内，单匝线圈以相同偏移量在轨道240内平移铺置。

相同偏移量是指两相邻圆形线圈圆心间的间距值相同；在拐弯处由于圆角的存在，偏移量固定值小，线圈尺寸保持不变；发射线圈间距离相同保证接收线圈情况处处相同，确保持续供电。

电磁互感模块300采用电磁感应的方式，通过发射线圈310磁场改变使接收线圈320获得感应电流。副边补偿模块410对接收到的交流电进行功率补偿和波形修正，并将其传递给第二整流滤波模块420，经过整流逆变和滤波之后得到直流电，再经过第二稳压电路得到稳定的直流电，进而为传递给玩具赛车，为玩具赛车430提供充足的电力。接收线圈320能够设置在玩具赛车的底部，这样玩具赛车430和赛车轨道240之间总是以一种近距离耦合的无线传输方式来实现高效的电能传输，由于发射线圈以螺旋平铺式分布在轨道中，能够有效解决当接收线圈与发射线圈存在偏移量而使赛车无法获得持续的动力输出的问题，使得赛车在轨道任何位置都能获得动力来维持稳定速度。

如图2所示，发射线圈和接收线圈之间的耦合系数对K进行校正，η为校正因子，μ₀为真空磁导率，s为发射线圈面积，a为接收线圈半径，h为发射线圈到接收线圈的竖直距离，其中L₁为78开路，56间的电感值，L₂为56开路，78间的电感值。校正因子/>其中r₁为发射线圈半径，r₂为接收线圈半径，且r₁＞r₂，M为完全耦合时磁通区磁力线穿过原边和副边的匝数，M₁为漏磁通区磁力线穿过原边的匝数，M₂为部分磁通区磁力线穿过副边的匝数，N₁为发射线圈的匝数，N₂为接收线圈的匝数，d为发射线圈到接收线圈的竖直距离。

如图3所示，在另一实施例中，采用单相全波桥式整流方式采用特定的电解电容和独石电容并联滤波方式。第一整流滤波电路210包括整流电路211和滤波电路212，其中整流电路211设置为四只整流二极管D1、D2、D3和D4接成的全波桥形式，整流电路211能够将降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，如图4所示，降压是把市电220V通过变压器降到额定的交流电，通过整流桥的全波整流输出直流电，如图5所示。也可以在220V的基础上直接通过整流桥变流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212由两个并联的电容C1、C2组成，滤波电路212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。全波整流后通过滤波电容C1和C2使波形趋于平缓，但仍是一个脉动的直流，如图6所示，再经过稳压芯片LM7815的作用使之输出为稳定的直流电，如图7所示。

如图8所示，在另一实施例中，逆变电路采用两个MOS管Q1和Q2自激振荡产生高频交流电用以发射端耦合输出，如图9所示。D6作为自激振荡电路工作指示灯，R1为限流电阻，使LED正常工作。C3-C10是谐振电容发射线圈相当于一个电感，这些电容与其形成一个谐振电路。Q1、Q2的轮流导通用来自激振荡，L1、L2是磁环电感，用于振荡。R3、R4是大功率绕线电阻，主要用来分流和散热。

接通电源后，发光二极管D6正常工作，说明此时发射端供电正常，整流得到的直流电经电容C3滤波，当Q1由截止转变为接通时，电阻R1的电压Ud1降至0V，此时LC回路中电流达到最大值，而电容电压为最小值。此处电流对电容进行充电，电容电压开始上升，电阻R1到R2处的电压即：Ud1～Ud2处电压增大，随着电容充电，回路电流下降，电流下降至0时，Ud2处获得最大电压，二极管D7在Ud2>Vcc-0.7时截止，Vcc为电路的供电电压。电容充电完成后开始反向放电，LC回路电流增加，Ud2下降，当Ud2下降至Vcc-0.7之下时，D7导通，由于Ug1＝Ud2+0.7，此时Ug1下降，降至4V左右，Ug1为Q1处的电压，MOS管进入可变电阻区，Ud1由于MOS管内阻增大而增大，LC回路电容电压为Ud2-Ud1减小，此时由于Ud1增大回路电压下降速度减缓，Ud2继续下降使Ug1下降，当Q1管截止时，Ud1值增大为(Vgsth—0.7)约为3.3V，通过二极管Q8，Ug2上升，Q2接通，接下来与Q1过程相同，Ug2为Q2处的电压。

如图10所示，在第二整流滤波电路与第一整流滤波电路类似，整流电路通过四只二极管D9、D10、D11、D12进行整流，滤波电路采用C11和C12两个电容并联，进行滤波，得到稳定的直流电，保证玩具赛车430能够获得持续稳定的动力输出。

采用无线供电系统对玩具赛车进行供电，并通过电磁感应的方式从发射线圈向接收线圈传递电能，当两个线圈的距离越近时，整个系统的电能传输效率越高。发射线圈被嵌入玩具赛车轨道内部，接收线圈设置在玩具赛车底部，保证玩具赛车和赛车轨道之间总是以一种近距离耦合的无线传输方式来实现高效的电能传输。

在逆变电路中采用两个场效应管轮流导通的方式来实现高频逆变，给发射线圈提供产生高频交流电，能够满足玩具赛车使用要求。

将发射线圈以螺旋平铺式镶嵌于轨道内，从而使得玩具赛车的接收线圈可以近距离和发射线圈耦合，实现近距离的高效电能传输，使赛车能够获得持续运动的动力。由于发射线圈以螺旋平铺式分布在轨道中，能够有效解决当接收线圈与发射线圈存在偏移量而使赛车无法获得持续的动力输出的问题，使得赛车在轨道任何位置都能获得动力来维持稳定速度。对电磁互感模块的耦合系数进行校正，保证赛车获得稳定的电能。

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 (7)

1.一种场效应管式轨道玩具赛车的无线供电系统，其特征在于，包括：

无线电能发射电路，其与电源连接；

无线电能接收电路，其设置在玩具赛车上；以及

发射线圈，其连接所述无线电能发射电路，并以螺旋平铺式固定在轨道内部，能够产生电磁；

接收线圈，其连接所述无线电能接收电路并设置在玩具赛车上，能够感应所述发射线圈产生的电磁变化，产生交流电；

其中，在所述发射线圈中，将单匝线圈以相同偏移量在轨道下面平移铺置，保证赛车在任何位置均能获得较为稳定动力；

所述无线电能发射电路包括：

第一整流滤波模块，其与所述电源连接，能够将电源传递的低压交流电转变为直流电；

高频逆变模块，其能够接收所述第一整流滤波模块输入的直流电，并经过逆变输出高频交流电；

原边补偿模块，其能够接收所述高频逆变模块输入的高频交流电，并对高频交流电进行功率补偿和正弦波形修正，并传递给所述发射线圈；

其中，所述第一整流滤波模块包括：整流电路和滤波电路；

所述整流电路设置为四只整流二极管接成的全波桥形式；

所述发射线圈和所述接收线圈之间的耦合系数对K进行校正，η为校正因子，其中L₁为所述发射线圈的电感值，L₂为接收线圈的电感值，μ₀为真空磁导率，s为发射线圈面积，a为接收线圈半径，h为发射线圈到接收线圈的竖直距离；

所述校正因子其中r₁为发射线圈半径，r₂为接收线圈半径，且r₁＞r₂，M为完全耦合时磁通区磁力线穿过原边和副边的匝数，M₁为漏磁通区磁力线穿过原边的匝数，M₂为部分磁通区磁力线穿过副边的匝数，N₁为发射线圈的匝数，N₂为接收线圈的匝数，d为发射线圈到接收线圈的竖直距离。

2.根据权利要求1所述的场效应管式轨道玩具赛车的无线供电系统，其特征在于，所述第一整流滤波模块与所述高频逆变模块之间设置有第一稳压电路，其能够消除直流脉动，使直流电波形变得平稳。

3.根据权利要求2所述的场效应管式轨道玩具赛车的无线供电系统，其特征在于，所述无线电能接收电路包括：

副边补偿模块，其能够接收所述接收线圈传递的交流电，并对其进行功率补偿和正弦波形修正；

第二整流滤波模块，其能够接收所述副边补偿电路输出的交流电，并将其转换成直流电。

4.根据权利要求3所述的场效应管式轨道玩具赛车的无线供电系统，其特征在于，所述第二整流滤波模块与第二稳压电路连接，能够通过第二稳压电路获得稳定直流电为玩具赛车进行无线供电。

5.根据权利要求4所述的场效应管式轨道玩具赛车的无线供电系统，其特征在于，所述高频逆变模块逆变电路包括两个场效应管，其轮流接通自激震荡，实现逆变过程。

6.根据权利要求1-2、5中任意一项所述的场效应管式轨道玩具赛车的无线供电系统，其特征在于，所述无线电能发射电路能够将电能传递给玩具赛车，为其提供稳定的动力。

7.一种具有无线供电系统的轨道玩具赛车，其特征在于，包括权利要求1-6中任意一项所述的场效应管式轨道玩具赛车的无线供电系统。