CN108400657A - 一种全方位选择性无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种全方位选择性无线电能传输系统，包括与电源模块连接的发射端，分别与多个接收端连接的负载模块；发射端频率可调，与每个接收端的共振频率相匹配。该传输系统只需要一个发射端就可以满足给空间任何位置多个接收端供能，同时具备选择性功能，在特定时间段内只给需要能量的接收端功能，提高了能量利用率好，延长负载实用寿命。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种全方位选择性无线电能传输系统。
背景技术
关于共振磁耦合无线电能传输的研究，绝大多数都集中于单方向传输，只有极少数进行了全方向的无线电能传输研究。随着物联网时代到来，越来越多密集的传感器铺设，采用单方向无线电能传输的方式进行能量供应，需要数量与传感器相同的无线电能发射端和接收端，数量庞大，而且经济性差。有学者提出一种全方向发射线圈，只需一个发射端就可以给空间多个接收端进行能量供应，极大减少无线电能传输发射端的数量，也减少空间占用面积。但是这种结构的发射端发出能量时，周围所有接收端会同时接收到能量，不具备针对性供能。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现全方位无死角的能量传输，只需要一个发射端就可以满足给空间任何位置多个接收端供能，同时具备选择性功能的无线电能传输系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种全方位选择性无线电能传输系统，包括与电源模块连接的发射端，分别与多组接收端连接的多个负载模块；各组接收端频率不同，发射端频率可调节与每组接收端的共振频率一一对应。
在上述的全方位选择性无线电能传输系统中，电源模块包括高频逆变电源或信号放大电源；高频逆变电源包括整流电路和逆变电路；信号放大电源包括信号源和功率放大器。
在上述的全方位选择性无线电能传输系统中，发射端包括全方位发射线圈和补偿电容切换装置；全方位发射线圈包括三个正交线圈，三个正交线圈采用串联、并联或各不相连的形式；补偿电容切换装置包括多组电容切换开关与发射端补偿电容串联结构，多组电容切换开关与发射端补偿电容串联结构采用并联方式，每组电容切换开关与发射端补偿电容串联结构中的发射端补偿电容值各不相同，发射端补偿电容值根据预设频率和全方位发射线圈的电感值计算所得。
在上述的全方位选择性无线电能传输系统中，三个正交线圈采用串联形式时，三个正交线圈先首尾依次串联，再分别于补偿电容切换装置和电源模块相连；三个正交线圈采用并联形式时，三个正交线圈所有首端相连和所有尾端相连，再分别于补偿电容切换装置和电源模块相连；三个正交线圈采用各不相连形式时，每一个正交线圈分别连接一个补偿电容切换装置和一个电源模块，三个正交线圈的中心点均重合，中心轴两两正交，相互之间保持绝缘状态，其材质、直径、匝数、电感值均相同；三个正交线圈均采用螺旋形或涡状结构。
在上述的全方位选择性无线电能传输系统中，多组接收端均包括接收线圈和接收端补偿电容；每个接收线圈均接收发射端发射的能量，接收线圈采用螺旋形或涡状结构；接收线圈为空心线圈或带磁芯线圈；各接收线圈均与接收端补偿电容相连调节共振频率；各组接收端的共振频率不同，每组接收端包含大于或等于1个接收线圈，预设不同共振频率值，接收端补偿电容值根据与之连接的接收线圈电感值和共振频率预设值计算所得。
在上述的全方位选择性无线电能传输系统中，多个负载模块均包括整流调节电路与负载；整流调节电路分别连接接收线圈和负载。
本发明的有益效果是：采用两种电源，可针对不同功率的情况做出优化，只需要一个发射端即可为空间任意位置多个发射端进行无线能量传输，并具备选择性，在特定时段只为需要能量供应的接收端供能，不仅提高能量利用率，减小装置体积，还延长负载设备使用寿命，提高供电精度。
附图说明
图1是本发明一个实施例全方位选择性无线电能传输系统结构示意图；
图2是本发明一个实施例电源模块结构示意图；
图3是本发明一个实施例信号放大电源结构示意图；
图4是本发明一个实施例发射端结构示意图；
图5是本发明一个实施例全方位发射线圈结构示意图；
图6是本发明一个实施例螺旋形结构线圈结构示意图；
图7是本发明一个实施例涡状结构线圈结构示意图；
图8是本发明一个实施例补偿电容切换装置结构示意图；
图9是本发明一个实施例接收线圈与接收端补偿电容结构示意图；
图10是本发明一个实施例负载模块结构示意图；
其中，
1：电源模块，1-1：高频逆变电源，1-1-1：整流电路，1-1-2：逆变电路，1-2：信号放大电源，1-2-1：信号源，1-2-2：功率放大器；
2：发射端，2-1：补偿电容切换装置，2-1-1：电容切换开关，2-1-2：发射端补偿电容，2-2：全方位发射线圈，2-2-1：ZOX平面线圈，2-2-2：YOZ平面线圈，2-2-3：XOY平面线圈；
3：接收端，3-1：接收线圈，3-2：接收端补偿电容；
4：负载模块，4-1：整流调节电路，4-2：负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例是这样实现的：如图1所示，一种全方位选择性无线电能传输系统，包括电源模块1、发射端2、多个接收端3和负载模块4，每个接收端的共振频率各不相同，电源模块1和发射端2可以调节频率与每个接收端相匹配。
而且，电源模块1将220V 50Hz交流电转变为高频交流电。电源模块1包括高频逆变电源1-1或信号放大电源1-2两种。高频逆变电源1-1包括整流电路1-1-1和逆变电路1-1-2。信号放大电源1-2包括信号源1-2-1和功率放大器1-2-2。发射端2包括补偿电容切换装置2-1和全方位发射线圈2-2。全方位发射线圈2-2包括三个正交线圈，ZOX平面线圈2-2-1，YOZ平面线圈2-2-2，XOY平面线圈2-2-3。正交线圈ZOX平面线圈2-2-1，YOZ平面线圈2-2-2，XOY平面线圈2-2-3的材质、直径、匝数、电感值等参数均相同，中心点均重合，正交线圈中心轴两两正交，正交线圈相互之间保持绝缘状态，正交线圈为螺旋形或涡状结构。正交线圈均配有补偿电容切换装置2-1。补偿电容切换装置2-1包含不同容值的发射端补偿电容2-1-2和电容切换开关2-1-1。补偿电容切换装置2-1包括多组电容切换开关2-1-1与发射端补偿电容2-1-2串联结构，多组电容切换开关2-1-1与发射端补偿电容2-1-2串联结构采用并联方式，每组电容切换开关2-1-1与发射端补偿电容2-1-2串联结构中的发射端补偿电容2-1-2容值各不相同。补偿电容切换装置2-1与正交线圈的参数配合而具有不同的共振频率。多组接收端3均包括接收线圈3-1和接收端补偿电容3-2。接收线圈3-1为螺旋形或涡状结构。接收线圈3-1可以为空心线圈或带磁芯线圈。且接收线圈3-1具有不同的电感值，接收端补偿电容3-2具有不同的电容值，多个接收端3具有各不相同的共振频率。负载模块4包含整流调节电路4-1和负载4-2。整流调整电路4-1可以将接收线圈3-1电能根据负载4-2的需求进行相应变换。
在工作时：大功率条件下，220V 50Hz交流电经过整流电路1-1-1整流成直流，再经由逆变电路1-1-2逆变成与全方位发射线圈2-2匹配的特定频率的正弦交流；在小功率条件下，信号源1-2-1输出特定频率的正弦交流信号，经过功率放大器1-2-2能量放大成特定频率的正弦交流。发射端的补偿电容切换装置2-1根据全方位发射线圈2-2的参数匹配结果选择切换开关2-1-1，切换到合适容值发射端补偿电容2-1-2，使发射端2共振频率与正弦交流频率一致。各接收端3的接收线圈3-1和接收端补偿电容3-2参数预先匹配，调节共振频率各不相同，在发射端2将特定频率交流电能转换为磁场能量时，只有具有相同共振频率的接收端3才能接收到磁场能量，并经由负载模块4中的整流调节电路4-1转换为适合负载4-2需求的电能，供给负载。
如图2所示：高频逆变电源1-1包括整流电路1-1-1和逆变电路1-1-2。本实施例中整流电路1-1-1可以将220V 50Hz交流电转变为逆变电路1-1-2所需的稳定直流电，逆变电路1-1-2可以输出频率在1kHz到1MHz范围内的正弦交流，频率可以以1kHz整数倍进行调节，输出交流电压幅值变化范围为1到200V，可以以1V整数倍进行调节输出功率范围为0到2000W。在实际运用中，整流电路1-1-1整流出的直流电与逆变电路1-1-2逆变出的交流电的频率和电压根据具体使用情况进行选择。
如图3所示：信号放大电源1-2包括信号源1-2-1和功率放大器1-2-2。本实施例中信号源1-2-1可以输出频率在0.1MHz到10MHz范围内的交流正弦信号，频率可以以1kHz数倍进行调节，输出信号电压幅值变化范围为1到20V，可以以1V整数倍进行调节。功率放大器1-2-2可以将信号源1-2-1输出的信号进行波形无失真功率发放大，电压放大增益为1到10范围内整数倍，输出功率范围为0到20W。在实际运用中，信号源1-2-1的频率和电压与功率放大器1-2-2的放大功率和电压增益根据具体使用情况进行选择。
如图4所示：发射端2包括补偿电容切换装置2-1和全方位发射线圈2-2。全方位发射线圈2-2包括三个正交线圈，三个正交线圈采用串联、并联和各不相连三种形式；补偿电容切换装置2-1包含不同容值的发射端补偿电容2-1-2和电容切换开关2-1-1。补偿电容切换装置2-1包括多组电容切换开关2-1-1与发射端补偿电容2-1-2串联结构，多组电容切换开关2-1-1与发射端补偿电容2-1-2串联结构采用并联方式，每组电容切换开关2-1-1与发射端补偿电容2-1-2串联结构中的发射端补偿电容2-1-2容值各不相同。通过电容切换开关2-1-1的开断可以实现不同容值的发射端补偿电容2-1-2与全方位发射线圈2-2相连。发射端补偿电容2-1-2容值根据预设频率和全方位发射线圈2-2的电感值计算所得，具体计算公式为。
其中，f1、f2、……、fn为发射端2预设频率，L为全方位发射线圈2-2电感值，Ct1、Ct2、……、Ctn为与发射端2预设频率相对应的发射端补偿电容2-1-2容值。实际运用中，发射端补偿电容2-1-2的容值和电容切换开关2-1-1匹配的频率根据实际情况选取。
如图5所示：全方位发射线圈2-2包括三个正交线圈：ZOX平面线圈2-2-1、YOZ平面线圈2-2-2、XOY平面线圈2-2-3。全方位发射线圈2-2包括三个正交线圈，三个正交线圈采用串联、并联和各不相连三种形式。ZOX平面线圈2-2-1产生的主要磁场在ZOX平面附近方向垂直于ZOX面，YOZ平面线圈2-2-1产生的主要磁场在YOZ平面附近方向垂直于YOZ面，XOY平面线圈2-2-1产生的主要磁场在XOY平面附近方向垂直于XOY面。根据磁场为无源场的特性，所有的磁感线一定要形成闭合回路，因此使得磁场在以全方位发射线圈2-2为中心的球形方位内均由分布，距离全方位发射线圈2-2越远的地方磁场强度越低。三个正交线圈采用串联形式时，三个正交线圈先首尾依次串联，再分别于补偿电容切换装置2-1和电源模块1相连；三个正交线圈采用并联形式时，三个正交线圈所有首端相连和所有尾端相连，再分别于补偿电容切换装置2-1和电源模块1相连；三个正交线圈采用各不相连形式时，每一个正交线圈分别连接一个补偿电容切换装置2-1和一个电源模块1，三个正交线圈的中心点均重合，中心轴两两正交，相互之间保持绝缘状态，其材质、直径、匝数、电感值均相同；正交线圈采用螺旋形或涡状结构。实际运用中，三个正交线圈采用哪种连接方式，定。
如图6所示：全方位发射线圈的螺旋形结构，本实施例中采用线径为1mm，线间距为0.5mm，沿半径为500mm的顺时针绕制5圈构成的螺旋结构线圈。在具体实施过程中，导线的线径、绕制的形状、起始半径等根据实际需求而定。
如图7所示：全方位发射线圈的涡状结构，本实施例中采用线径为1mm，线间距为0.5mm，沿半径为500mm的顺时针绕制5圈构成的涡状结构线圈。在具体实施过程中，导线的线径、绕制的形状、起始半径等根据实际需求而定。
如图8所示：补偿电容切换装置2-1包括多组电容切换开关2-1-1与发射端补偿电容2-1-2串联结构，多组电容切换开关2-1-1与发射端补偿电容2-1-2串联结构采用并联方式，每组电容切换开关2-1-1与发射端补偿电容2-1-2串联结构中的发射端补偿电容2-1-2容值各不相同。通过电容切换开关2-1-1的开断可以实现不同容值的发射端补偿电容2-1-2与全方位发射线圈2-2相连。系统正常工作时，每次只有一个电容切换开关2-1-1处于闭合状态，其他电容切换开关2-1-1处于断开状态，系统不工作时，所有电容切换开关2-1-1均处于断开状态。
如图9所示：副边主要包括接收端3和负载模块4。接收端3包括接收线圈3-1和接收端补偿电容3-2，接收线圈3-1可以相同也可以不同。接收线圈3-1和接收端补偿电容3-2预先匹配，各接收线圈3-1均与接收端补偿电容3-2相连调节共振频率；各组接收端3的共振频率不同，每组接收端3包含大于或等于1个接收线圈3，不同共振频率为预设值，接收端补偿电容值3-2根据与之相连接接收线圈3-1电感值和共振频率预设值计算所得，具体计算公式为：
其中，f1′、f2′、……、fn′为接收端3预设频率，与发射端2预设频率一一对应；为第1组接收线圈3-1电感值，为在预设频率为f1时，与第1组接收线圈3-1相对应的第1组接收端补偿电容3-2容值；为第2组接收线圈3-1电感值，为在预设频率为f2时，与第2组接收线圈3-1相对应的第2组接收端补偿电容3-2容值；……；为第n组接收线圈3-1电感值， 为在预设频率为fn时，与第n组接收线圈3-1相对应的第n组接收端补偿电容3-2容值。
接收端3的预设共振频率为f1′、f2′、……、fn′，与发射端共振频率f1、f2、……、fn中均有与之对应，保证所有接收端3均能够接收到能量，供给负载模块4。当有几个负载模块4需要同时进行能量供应时，与这几个负载模块4相连接的接收端3共振频率应相同，组成一个选择性接收端组，达到同时接收到能量的效果。在实际运用中，各组接收端3的共振频率和接收端匹配电容3-2应与发射端2、电源模块1对应，并根据实际情况确定。
如图10所示：负载模块4结构示意图，负载模块4由整流调节电路4-1和负载4-2组成，整流调节电路4-1按照实际需求定制，接收线圈3-1接收的无线电能经过整流调节电路4-1按照负载4-2要求变换后，供给负载4-2，实现稳定的精确供电。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (6)
1.一种全方位选择性无线电能传输系统，包括与电源模块连接的发射端，分别与多组接收端连接的多个负载模块；其特征是，各组接收端频率不同，发射端频率可调节与每组接收端的共振频率一一对应。
2.如权利要求1所述的全方位选择性无线电能传输系统，其特征是，电源模块包括高频逆变电源或信号放大电源；高频逆变电源包括整流电路和逆变电路；信号放大电源包括信号源和功率放大器。
3.如权利要求1所述的全方位选择性无线电能传输系统，其特征是，发射端包括全方位发射线圈和补偿电容切换装置；全方位发射线圈包括三个正交线圈，三个正交线圈采用串联、并联或各不相连的形式；补偿电容切换装置包括多组电容切换开关与发射端补偿电容串联结构，多组电容切换开关与发射端补偿电容串联结构采用并联方式，每组电容切换开关与发射端补偿电容串联结构中的发射端补偿电容值各不相同，发射端补偿电容值根据预设频率和全方位发射线圈的电感值计算所得。
4.如权利要求3所述的全方位选择性无线电能传输系统，其特征是，三个正交线圈采用串联形式时，三个正交线圈先首尾依次串联，再分别于补偿电容切换装置和电源模块相连；三个正交线圈采用并联形式时，三个正交线圈所有首端相连和所有尾端相连，再分别于补偿电容切换装置和电源模块相连；三个正交线圈采用各不相连形式时，每一个正交线圈分别连接一个补偿电容切换装置和一个电源模块，三个正交线圈的中心点均重合，中心轴两两正交，相互之间保持绝缘状态，其材质、直径、匝数、电感值均相同；三个正交线圈均采用螺旋形或涡状结构。
5.如权利要求1所述的全方位选择性无线电能传输系统，其特征是，多组接收端均包括接收线圈和接收端补偿电容；每个接收线圈均接收发射端发射的能量，接收线圈采用螺旋形或涡状结构；接收线圈为空心线圈或带磁芯线圈；各接收线圈均与接收端补偿电容相连调节共振频率；各组接收端的共振频率不同，每组接收端包含大于或等于1个接收线圈，预设不同共振频率值，接收端补偿电容值根据与之连接的接收线圈电感值和共振频率预设值计算所得。
6.如权利要求5所述的全方位选择性无线电能传输系统，其特征是，多个负载模块均包括整流调节电路与负载；整流调节电路分别连接接收线圈和负载。
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