CN107995712A - 无线供电加热装置与加热方法及放置物和其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种无线供电加热装置及无线加热方法，一种放置物及其制备方法，所述无线供电加热装置用于对置于其工作区域内的放置物进行识别，并对识别出的放置物进行加热，包括：控制模块；与所述控制模块相连，用以存储需识别的放置物所具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的阈值的存储模块；用于产生磁场的线圈；向线圈输入电流的频率扫描及功率调节模块；以及用于检测放置物所具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的参数的频率响应信号采集模块；控制模块控制所述频率扫描及功率调节模块产生稳定频率的磁场对识别出的放置物进行加热；实现了在加热端不增加任何电路的情况下，对放置物进行有效识别，安全、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电领域，尤其涉及一种无线供电加热装置，本发明还涉及一种无线供电方法，本发明还涉及一种放置物及其制备方法。
背景技术
无线充电作为一种新的能量传输方式，现在已经逐渐被电子消费市场所接受，并被越来越多的集成到手机等电子产品中。
无线充电是利用电磁感应原理，在发射端将密闭电路中的电能转化为开放空间中的磁能，在接收端再将磁能转化为电能，从而实现对能量的无线传输。由于涡流效应的存在，金属类材料在放置于变化的磁场中时，会吸收磁场能量并通过涡电流转化为热能，使金属温度急剧升高。
现有无线充电装置大都在接收端和发射端加装附属电路进行通讯识别，在无法进行通讯识别的情况下，发射端不再输出能量，以防止涡流效应的产生。此种方法虽然达到了可以对电子产品进行识别充电的目的，但也将利用涡流效应进行加热金属的加热功能排除在外。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种无线供电加热装置，以实现特定容器端在不增加任何电路结构的基础上，对特定容器进行有效识别。并利用现有无线充电方法中的涡流效应，对特定容器进行加热。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种无线供电加热装置，用于对置于其工作区域内的放置物进行识别，并对识别出的放置物进行加热，所述无线供电加热装置包括：
控制模块；
存储模块，与所述控制模块相连，用以存储需识别的放置物所具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的阈值；
工作部，设置在工作区域内，以承载所述放置物，所述工作部具有将输入的电流转化为磁场的线圈；
频率扫描及功率调节模块，在所述控制模块控制下，向所述线圈内输入电流，以使所述线圈产生磁场，产生磁场的变化频率和强度由所述控制模块发给所述频率扫描及功率调节模块的指令决定；
频率响应信号采集模块，具有与所述线圈配合设置的传感器；在所述控制模块控制下，所述频率响应信号采集模块对置于所述工作部上的放置物所具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的参数进行检测，并将检测的数据传输至所述控制模块；
所述控制模块将检测的数据与存储于所述存储模块的参数阈值进行对比，以对所述放置物进行识别；并在识别出所述放置物后，由所述控制模块控制所述频率扫描及功率调节模块向所述线圈输入电流，以产生稳定频率的磁场，以对识别出的所述放置物进行加热。
进一步的，所述无线供电加热装置包括与所述线圈相连的无线供电模块，以对与所述无线发射模块具有响应的放置物进行无线充电。
进一步的，所述频率扫描及功率调节模块包括用于生成频率和占空比可变的功率PWM波形的功率PWM半桥生成电路，生成幅值可调的直流电压的DC-DC升降压电路，以及与线圈串联并控制线圈输入的功率开关电路。
进一步的，所述频率响应信号采集模块包括与所述线圈串联，对所述线圈内参数进行测定的高精度采样电阻以及对所测定的参数进行处理的运放滤波电路。
相比于现有技术，本发明的无线供电加热装置具有以下优势；
(1)本发明所述的无线供电加热装置，在需加热的物品端不增加任何电路，该装置即可对放置物进行有效的识别并对识别出的放置物进行加热，安全、可靠，而且在控制模块的作用下可自动调整加热功率。
(2)通过增加无线发射模块，可对放置物进一步的区分，并对识别并区分出的放置物进行无线充电，一机多用，减少空间占用。
本发明还提出了一种无线供电方法，该方法包括如下步骤：
步骤a，将放置物放置在无线供电加热装置的工作部的工作区域内；
步骤b，频率扫描及功率调节模块在控制模块的控制下，向线圈内输入电流，电流的变化频率按线性单调增大，以使所述线圈产生频率变化的磁场；
步骤c，频率响应信号采集模块在所述控制模块控制下，对置于所述工作部上的放置物所具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的参数进行检测，并将检测的数据传输至所述控制模块；
步骤d，所述控制模块将检测的数据，与存储于存储模块的参数阈值进行对比，以对所述放置物进行识别；并在识别出所述放置物后，由所述控制模块控制频率扫描及功率调节模块向所述线圈输入电流，以产生稳定频率的磁场，以对识别出的所述放置物进行加热。
本发明还提出了一种放置物，具有易于被如上所述无线供电加热装置检测的涡流损耗功率随磁场频率变化的参数，所述放置物包括容器本体和设置于容器本体上的复合金属材料，所述复合金属材料包括如下重量份数的材料：
抗氧化剂2-7份，溶剂1-6份，银粉75-95份，高频软磁材料1-22份；
所述抗氧化剂成分按质量分，配方如下：锆11-13份，铂87-89份；
所述溶剂按质量分，配方如下：硅酸硼77份、碳酸锂13份、氧化铋5份、碳酸锶0.5份、氧化锌0.5份、氧化铌4份；
所述银粉为碳酸银或氧化银或金属银粉中至少一种，按所含银成分重量计算；
所述高频软磁材料成分按质量分，配方如下：3F3软磁性材料25-75份，3F36软磁性材料25-70份。
进一步的，所述复合金属材料附着于所述容器本体底部。
相对于现有技术，本发明的放置物具有如下优势：
本发明的放置物由上述原料构成，使得该放置物抗氧化能力强，耐干烧，使用寿命长，由于加入了两种不同性能的高频软磁材质，使得该材料的涡流损耗功率随磁场频率变化具有易于区分的特征，能被快速检测识别出来
本发明还提出了一种放置物制备方法，该方法如下，称取如上所述的重量份数的复合金属材料的原料，研磨成粉末状，并混合均匀；将混合均匀的复合金属材料涂覆至容器本体上。
进一步的，在将复合金属材料的原料研磨成粉末状前，将所述溶剂混合均匀放入熔炉加热至700℃-900℃熔制，然后淬冷、洗清，再进行球磨，然后烘干。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一所述型号为STC89S52的单片机的针脚图；
图2为本发明实施例一所述功率PWM半桥生成电路的电路示意图；
图3为本发明实施例一所述DC-DC升降压电路的电路示意图；
图4为本发明实施例一所述运放滤波电路的电路示意图；
图5为本发明实施例二所述无线供电加热方法示意图；
图6为本发明实施例三所述的放置物结构示意图；
图7为本发明实施例三所述的3F3软磁性材料磁导率随磁场频率变化示意图；
图8为本发明实施例三所述的3F36软磁性材料磁导率随磁场频率变化示意图；
图9为本发明实施例三所述的放置物涡流损耗功率随磁场频率变化示意图；
附图标记说明：
11-陶瓷水杯，12-复合金属材料。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施涉及一种无线供电加热装置，包括控制模块，与控制模块相连的存储模块，用于承载放置物的内部具有线圈的工作部，频率扫描及功率调节模块，频率响应信号采集模块，以及无线发射模块。
当有放置物置于所述工作部上时，置于所述工作部内的线圈向无线发射模块发出信号。其中所述无线发射模块与所述具有线圈的工作部构成了现有的无线充电装置，如用于手机的无线充电装置；且现有无线充电装置与需无线充电的设备如手机之间的通讯识别已成熟运用，在此不再赘述；当无线发射模块识别出放置物之后，对所述放置物进行无线充电。
无线发射模块未识别出放置物后，向所述控制模块发出信号，所述控制模块控制频率扫描及功率调节模块向线圈输入电流，由线圈生成频率变化的磁场。频率响应信号采集模块检测放置物具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的参数，并将数据传输至控制模块。控制模块将所测得的数据与预先存储于存储模块如下实施例三所述放置物具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的阈值进行对比，进而判断该放置物是否为如下实施例三所述放置物。如果为如下实施例三所述放置物，控制模块控制频率扫描及功率调节模块向线圈输入电流，经线圈生成频率稳定的磁场，以对该放置物进行加热。
如图1所示，本实施例采用型号为STC89S52的单片机实现所述控制模块及存储模块的功能。
所述单片机收到所述无线发射模块发出的信号后，向频率扫描及功率调节模块发出开启信号，同时向所述功率调节模块发出检测信号。
所述频率扫描及功率调节模块包括用于生成频率和占空比可变的功率PWM波形的如图2所示的功率PWM半桥生成电路，生成幅值可调的直流电压的如图3所示的DC-DC升降压电路，其中所述DC-DC的升降压电路与所述功率PWM半桥生成电路的供能端相连，所述功率PWM半桥生成电路的输出端与线圈一端相连，线圈的另一端通过分立的电容后可以直接与地回路相连，组成对线圈的半桥驱动结构，也可以与如图2所示的另一功率PWM半桥生成电路相连，组成对线圈的全桥驱动结构进而对线圈输入可控制的电流。
所述频率扫描及功率调节模块开启后，通过预先存储于所述单片机内的控制信号，调整功率PWM半桥生成电路产生功率PWM波形的频率及占空比，使所述线圈生成频率由低到高，并按一定幅度增加的磁场，例如磁场频率从1Khz以0.5Khz的增量逐渐增加，最后到达2Mhz；同时所述控制模块控制DC-DC升降压电路的输出，保持输出的电压值不变。
当如下实施例三所述放置物应用本实施例所述的无线供电加热装置进行加热时，可认为磁场的主要能量输出全部用于涡流损耗从而产生热能，即所述线圈的输入功率Pin≈Pe；其中Pin为线圈的功率输入，Pe为放置物的涡流损耗功率；而由公式P＝U*I，P为功率，U为电压，I为电流，通过测定电压值和电流值，通过计算即可测得所述放置的涡流损耗功率。
所述频率响应信号采集模块收到所述单片机发出的检测信号后，开始进行数据采集。所述频率响应信号采集模块包括高精度采样电阻、如图4所示运放滤波电路。高精度采样电阻与所述功率开关电路及所述线圈串联，电流通过高精度采样电阻后会产生压降，随着电流增大，采样电阻两端的压降也会增大，所以采样电阻两端的压降可以表征线圈内的电流值。所述高精度采样电阻输出信号至所述运放滤波电路。所述运放滤波电路将信号进行滤波处理得到线圈内电流数值，并将电流数值传送至所述单片机，所述电压值为所述单片机控制所述DC-DC升降压电路的输出电压。所述单片机经运算得到该放置物实时的涡流损耗功率。
所述单片机将该放置物具有的涡流损耗功率与存储于所述单片机内的实施例三所述的放置物具有的涡流损耗随磁场频率变化的参数进行对比，如果该放置物具有的涡流损耗功率出现两处峰值时的磁场频率与如实施例三所述放置物出现涡流损耗两个峰值时的磁场频率相差在5％以内，且该放置物具有的涡流损耗功率出现的两处峰值幅度与所述特定容器涡流损耗峰值相差在10％以内，则可判断该放置物为如实施例三所述放置物；单片机控制频率扫描及功率调节模块向线圈输入电流，开始对其进行加热；如果数据不符合上述要求，单片机控制频率扫描及功率调节模块及频率信号采集模块关闭。
为了达到较好的加热效率，当所述放置物被识别出且开始加热后，所述频率响应信号采集模块会实时采集所述线圈内电流值，并传输至单片机；所述单片机将所采集的电流值与存储于所述单片机内的加热电流阈值进行对比。若频率响应信号采集模块采集到的电流值参数在加热电流阈值内，则所述单片机控制频率扫描及功率调节模块保持当前的功率PWM波频率，占空比以及DC-DC升降压电路的电压值；若频率响应信号采集模块采集到的电流值参数不在所述加热电流阈值内，单片机会输出信号使频率扫描及功率调节模块调节功率PWM波频率，占空比以及DC-DC升降压电路的电压值，直至所述线圈内电流值参数达到加热电流阈值内。
实施例二
所述无线供电加热方法如图5所示，包括以下步骤：
步骤a，将放置物放置于无线供电加热装置的工作部的工作区域内；
步骤b，频率扫描及功率调节模块在控制模块的控制下，向线圈内输入电流，电流的变化频率按线性单调增大，以使所述线圈产生频率变化的磁场；
步骤c，频率响应信号采集模块在所述控制模块控制下，对置于所述工作部上的放置物所具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的参数进行检测，并将检测的数据传输至所述控制模块；
步骤d，所述控制模块将检测的数据，与存储于存储模块的参数阈值进行对比，以对所述放置物进行识别；并在识别出所述放置物后，由所述控制模块控制频率扫描及功率调节模块向所述线圈输入电流，以产生稳定频率的磁场，以对识别出的所述放置物进行加热。
实施例三
本实施例涉及一种放置物，如图6所示，所述放置物包括容器本体，本实施例为现有陶瓷水杯11，以及设置于陶瓷水杯11底部的复合金属材料12，所述复合金属材料12由特定比例的金属或金属氧化物与高频软磁材料混合而成，按质量份：抗氧化剂2-7份，溶剂1-6份，银粉75-95份，高频软磁材料1-22份；其中所述抗氧化剂成分按质量分，配方如下：锆11-13份，铂87-89份；所述溶剂按质量分，配方如下：硅酸硼77份、碳酸锂13份、氧化铋5份、碳酸锶0.5份、氧化锌0.5份、氧化铌4份；所述银粉为碳酸银、氧化银、金属单质银中至少一种，按所含银成分重量计算；所述高频软磁材料成分按质量分，配方如下：Ferroxcube公司生产3F3软磁性材料25-75份，3F36软磁性材料25-75份。
下面以具体步骤来说明所述放置物的制备：
实施步骤一
步骤1、称取3.6g锆球磨，称取26.4g铂进行球磨，再将两者混合均匀；
步骤2、称取硅酸硼30.8g、碳酸锂5.2g、氧化铋2g、碳酸锶0.2g、氧化锌0.2g、氧化铌1.6g，混合均匀放入熔炉加热至700℃-900℃熔制，然后淬冷、洗清，再进行球磨，然后烘干；
步骤3、称取3F3软性磁料39g进行球磨、称取3F36软性磁料91g进行球磨，再将两者混合均匀；
步骤4、称取800g单质银粉；
步骤5、将上述各构成成分混合均匀，可得所述复合金属材料12粉末。
实施步骤二
取得如上述制备的所述复合金属材料10份，加入5-6份调墨油搅拌均匀，用200-300目网布印刷于托板上，待干结后取下帖于所述陶瓷水杯11底部，再经815℃至825℃烧成即可制得该所述放置物。
由于所述复合金属材料具有以上重量份数的原料，因此其具有的涡流损耗功率随磁场频率变化易于区分，进而所述放置物易被检测识别出来。原理如下：由涡流损耗功率计算公式Pe＝Ke*(f*B)2知，涡流损耗功率大小与磁性材料的材料因子参数(f*B)的平方成正比，其中，Pe为涡流损耗功率，Ke为常数，f是磁场频率，B为磁通密度。公知的，B＝μ*H，μ为磁导率，是材料本身的特性，H为磁场强度；当磁场强度H增加时，磁通密度B增大，达到一定程度后，磁场强度H增加，磁通密度B达到饱和，不再变化；由于利用涡流损耗进行加热时，磁场强度H远高于磁通密度B达到饱和需要的量，故可以认为B∝μ。而公知的，材料磁导率μ也是随磁场频率而变化，故可认为材料的涡流损耗只与磁场频率f和材料的磁导率μ有关系。
对于任一种复合金属材料，其涡流损耗总功率由各有效成分的涡流损耗功率相加得出，当本发明所述的放置物采用涡流效应进行加热时，其中具有涡流损耗的有效成分主要为银和软磁性材料3F3和3F36，其余可忽略不计。对于银和软磁性材料的材料因子参数(f*B)可由现有的公开资料中查出，其中银的初始磁导率为0.999974，随磁场频率变化不大，不会导致频率曲线明细波动，如图7及图8所示，其中μ＇为本实施例所述磁导率，软磁性材料3F3和3F36的磁导率在随磁场频率变化时有特殊变化，而且分别在不同的频率处取得峰值。由实验得知，本实施例所述的复合金属材料整体涡流损耗功率如图9所示，在两个不同的频率处取得两个不同的峰值，通过对两个涡流损耗峰值和出现涡流损耗两个峰值时的磁场频率数据进行采集与储存，进而用所存储的数据进行检测识别。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无线供电加热装置，用于对置于其工作区域内的放置物进行识别，并对识别出的放置物进行加热，其特征在于包括：
控制模块；
存储模块，与所述控制模块相连，用以存储需识别的放置物所具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的阈值；
工作部，设置在工作区域内，以承载所述放置物，所述工作部具有将输入的电流转化为磁场的线圈；
频率扫描及功率调节模块，在所述控制模块控制下，向所述线圈内输入电流，以使所述线圈产生磁场，产生磁场的变化频率和强度由所述控制模块发给所述频率扫描及功率调节模块的指令决定；
频率响应信号采集模块，具有与所述线圈配合设置的传感器；在所述控制模块控制下，所述频率响应信号采集模块对置于所述工作部上的放置物所具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的参数进行检测，并将检测的数据传输至所述控制模块；
所述控制模块将检测的数据与存储于所述存储模块的参数阈值进行对比，以对所述放置物进行识别；并在识别出所述放置物后，由所述控制模块控制所述频率扫描及功率调节模块向所述线圈输入电流，以产生稳定频率的磁场，以对识别出的所述放置物进行加热。
2.根据权利要求1所述的无线供电加热装置，其特征在于：所述无线供电加热装置包括与所述线圈相连的无线发射模块，以对与所述无线发射模块具有响应的放置物进行无线充电。
3.根据权利要求1所述的无线供电加热装置，其特征在于：所述频率扫描及功率调节模块包括用于生成频率和占空比可变的功率PWM波形的功率PWM半桥生成电路，生成电压幅值可调的直流电压的DC-DC升降压电路，以及与线圈串联并控制线圈输入的功率开关电路。
4.根据权利要求1所述的无线供电加热装置，其特征在于：所述频率响应信号采集模块包括与所述线圈串联，以对所述线圈内参数进行测定的高精度采样电阻以及对所测定的参数进行处理的运放滤波电路。
5.一种无线加热方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤a，将放置物放置在无线供电加热装置的工作部的工作区域内；
步骤b，频率扫描及功率调节模块在控制模块的控制下，向线圈内输入电流，电流的变化频率按线性单调增大，以使所述线圈产生频率变化的磁场；
步骤c，频率响应信号采集模块在所述控制模块控制下，对置于所述工作部上的放置物所具有的涡流损耗功率随磁场频率变化的参数进行检测，并将检测的数据传输至所述控制模块；
步骤d，所述控制模块将检测的数据，与存储于存储模块的参数阈值进行对比，以对所述放置物进行识别；并在识别出所述放置物后，由所述控制模块控制频率扫描及功率调节模块向所述线圈输入电流，以产生稳定频率的磁场，以对识别出的所述放置物进行加热。
6.一种放置物，具有易于被如权利要求1至4任一项所述无线供电加热装置检测的涡流损耗功率随磁场频率变化的参数，其特征在于：所述放置物包括容器本体和设置于容器本体上的复合金属材料，所述复合金属材料包括如下重量份数的材料：
抗氧化剂2-7份，溶剂1-6份，银粉75-95份，高频软磁材料1-22份；
所述抗氧化剂成分按质量分，配方如下：锆11-13份，铂87-89份
所述溶剂按质量分，配方如下：硅酸硼77份、碳酸锂13份、氧化铋5份、碳酸锶0.5份、氧化锌0.5份、氧化铌4份；
所述银粉为碳酸银或氧化银或金属银粉中至少一种，按所含银成分重量计算；
所述高频软磁材料成分按质量分，配方如下：3F3软磁性材料25-75份，3F36软磁性材料25-75份。
7.根据权利要求6所述的放置物，其特征在于：所述复合金属材料附着于所述容器本体底部。
8.一种放置物制备方法，其特征在于：称取如权利要求6所述的重量份数的复合金属材料的原料，研磨成粉末状，并混合均匀；将混合均匀的复合金属材料涂覆至容器本体上。
9.根据权利要求8所述的放置物的制备方法，其特征在于：在将复合金属材料的原料研磨成粉末状前，将所述溶剂混合均匀放入熔炉加热至700℃-900℃熔制，然后淬冷、洗清，再进行球磨，然后烘干。
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