CN109741920B - 一种双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构 - Google Patents
一种双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构，包括用于无线电能发射的发射模块和用于无线电能接收的接收模块，其中发射模块采用两个交叉线圈阵列式横向排列设计，线圈之间不重叠，使得接收线圈在发射线圈区域内横向及纵向不同位置的传输效率均衡，可以满足多个电子设备的无线充电和供电要求。本发明基于磁谐振耦合无线能量传输方案，采用了平面印刷电路板来加工收发模块的线圈结构，实现了系统的小型化和集成化，极大的降低了系统的生产、安装和维护的成本，为便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和LED照明设备提供了一个稳定、高效的无线充电或无线电能供给方案。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构的设计。
背景技术
随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的家电设备和消费电子产品、移动通信设备等已得到了广泛普及，然而传统的家用电器依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，采用内置电池的电子设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，因此我们随处能看到为这些电子设备提供电能供给的电线。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，而且产生了安全用电的隐患。所以，随着人们对可以完全无线使用的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点。
目前，该技术已逐渐被应用于人们日常生活中的低功耗电子产品中，替代原有的电源线来实现对设备的无线充电，给人们的生活带来额外的便利。例如基于磁感应耦合技术的无线充电牙刷和无线充电毯。然而无线能量传输技术的应用价值和市场潜力远远不止于此。例如无线能量传输技术在智能家居领域的应用将移颠覆传统家电及移动通信设备、电子消费产品的使用模式，以住宅为平台，利用中距离无线能量传输技术、隐藏布线技术以及自动控制技术彻底移除家居生活区域内所有电源线，对设备进行无线充电或者持续电能供给，提升家居安全性、便利性、舒适性和艺术性，构建高效、环保、节能的居住环境。另外，对于生物医学领域中的可用于诊疗的可植入医疗设备来说，考虑到对其进行有线持续供电或充电的不方便性、不可行性甚至高危险性，无线能量传输技术的应用也显得极为重要和关键。
发明内容
本发明的目的是为了给便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和LED照明设备提供一个稳定、高效的无线充电或无线电能供给方案，提出了一种双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构。
本发明的技术方案为：一种双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构，包括用于无线电能发射的发射模块和用于无线电能接收的接收模块；发射模块为三层平板型结构，其包括印刷于介质基板上的顶层印刷电路结构、中间层印刷电路结构和底层印刷电路结构；顶层印刷电路结构包括激励线圈，中间层印刷电路结构包括印刷在同一平面的第一连接微带线以及至少一个中间层发射谐振线圈，底层印刷电路结构包括印刷在同一平面的至少一个底层发射谐振线圈，中间层发射谐振线圈与底层发射谐振线圈呈交叉排列，且相邻的中间层发射谐振线圈和底层发射谐振线圈之间通过微带线连接；接收模块为平板型结构，其正面为接收谐振线圈，背面为寄生谐振线圈。
本发明的有益效果是：本发明基于磁谐振耦合无线能量传输方案，采用了平面印刷电路板来加工收发模块的线圈结构，实现了系统的小型化和集成化，极大的降低了系统的生产、安装和维护的成本。由本发明提供的发射模块和接收模块组成的无线能量传输系统可以实现传输距离为20mm-60mm、传输效率大于57％的无线电能传输。
优选地，激励线圈为带缺口的四方螺旋环形线圈，其内部缺口处设置有第一连接点，其外部缺口处设置有第二连接点；激励线圈的最外一层线圈上设置有第一电磁能量输入端口和第二电磁能量输入端口，第一电磁能量输入端口和第二电磁能量输入端口之间并联设置有第一电容，第一电磁能量输入端口和第二电磁能量输入端口之间串联设置有第二电容。
上述优选方案的有益效果是：本发明的顶层印刷电路结构可以增加收发线圈之间的耦合系数，在一定距离内可以增加整个系统对电能传输的总体效率。
优选地，第一连接微带线的两端分别设置有第三连接点和第四连接点，第一连接点和第三连接点之间设置有通孔，第二连接点和第四连接点之间设置有通孔。
每个中间层发射谐振线圈的结构相同，均包括第一发射谐振线圈、第二发射谐振线圈以及用于连接第一发射谐振线圈和第二发射谐振线圈的第二连接微带线；第一发射谐振线圈和第二发射谐振线圈均为带缺口的长方形线圈，第一发射谐振线圈和第二发射谐振线圈呈镜像对称设置，且两者的缺口相对设置，第一发射谐振线圈的缺口处设置有第五连接点，第二发射谐振线圈的缺口处设置有第六连接点。
上述优选方案的有益效果是：本发明的中间层印刷电路结构可以增加收发线圈在整个发射平面的均衡性，使得整个发射面上的传输效率相差不大。
优选地，每个底层发射谐振线圈的结构相同，均包括第三发射谐振线圈、第四发射谐振线圈以及用于连接第三发射谐振线圈和第四发射谐振线圈的谐振电容；第三发射谐振线圈和第四发射谐振线圈均为带缺口的长方螺旋环形线圈，第三发射谐振线圈和第四发射谐振线圈呈镜像对称设置，且两者的外部缺口相对设置，第三发射谐振线圈的内部缺口处设置有第七连接点，第四发射谐振线圈的内部缺口处设置有第八连接点；第五连接点和第七连接点之间设置有通孔，第六连接点和第八连接点之间设置有通孔。
上述优选方案的有益效果是：本发明的底层印刷电路结构可以使得微带线的布线能够更多样化，使整个发射平面的磁力线均衡分布。
优选地，发射模块的几何参数和电气参数设置如下：
激励线圈的外部长度LLOOP_TX为50mm-150mm；
激励线圈的外部宽度HLOOP_TX为50mm-150mm；
激励线圈中微带线的宽度WLOOP_TX为2.5mm-8mm；
激励线圈中相邻微带线之间的距离SLOOP_TX为0.5mm-3mm；
第一发射谐振线圈的外部长度LRes1_TX为60mm-160mm；
第一发射谐振线圈的外部宽度HRes1_TX为30mm-80mm；
第一发射谐振线圈中微带线的宽度WRes1_TX为1mm-5mm；
第二发射谐振线圈的外部长度LRes2_TX为60mm-160mm；
第二发射谐振线圈的外部宽度HRes2_TX为30mm-80mm；
第二发射谐振线圈中微带线的宽度WRes2_TX为1mm-5mm；
第三发射谐振线圈的外部长度LRes3_TX为70mm-200mm；
第三发射谐振线圈的外部宽度HRes3_TX为30mm-80mm；
第三发射谐振线圈中微带线的宽度WRes3_TX为1mm-5mm；
第三发射谐振线圈中相邻微带线之间的距离S1Res3_TX和S2Res3_TX为0.5mm-3mm；
第四发射谐振线圈的外部长度LRes4_TX为70mm-200mm；
第四发射谐振线圈的外部宽度HRes4_TX为30mm-80mm；
第四发射谐振线圈中微带线的宽度WRes4_TX为1mm-5mm；
第四发射谐振线圈中相邻微带线之间的距离S1Res4_TX和S2Res4_TX为0.5mm-3mm；
发射模块的发射谐振电容值为100pF-520pF。
上述优选方案的有益效果是：通过对发射模块中各个几何参数和电气参数的优化设置，在保证发射模块的小型化的同时，提高了激励线圈和各个发射谐振线圈之间的耦合强度以及发射谐振线圈本身的品质因子，以适用于电子消费产品、通讯设备和LED照明设备的无线充电能量信号的发射。
优选地，接收谐振线圈和寄生谐振线圈均为带缺口的四方螺旋环形线圈；接收谐振线圈上设置有第九连接点，寄生谐振线圈上设置有第十连接点，第九连接点和第十连接点之间设置有通孔。
上述优选方案的有益效果是：本发明的接收模块正背面线圈采用均采用四方螺线环形设计，背面的寄生谐振线圈增加了收发磁谐振线圈之间的耦合强度，在有效的距离内可以提高系统的传输效率和传输距离。
优选地，接收模块的几何参数和电气参数设置如下：
接收谐振线圈的外部长度LRx为50mm-70mm；
接收谐振线圈的外部宽度HRx为50mm-70mm；
接收谐振线圈中微带线的宽度WRes_Rx为1mm-5mm；
接收谐振线圈中微带线之间的距离SRes_Rx为0.5mm-3mm；
寄生谐振线圈的外部长度LRx1为50mm-70mm；
寄生谐振线圈的外部宽度HRx1为50mm-70mm；
寄生谐振线圈中微带线的宽度WRes1_Rx为1mm-5mm；
寄生谐振线圈中微带线之间的距离SRes1_Rx为0.5mm-3mm；
接收模块的接收谐振电容值为68pF-200pF。
上述优选方案的有益效果是：通过对接收模块中各个几何参数和电气参数的优化设置，在保证接收模块的小型化的同时，提高收发磁谐振线圈之间的耦合强度以及接收谐振线圈本身的品质因子，以适用于电子消费产品、通讯设备和LED照明设备的无线充电能量信号的接收。
优选地，发射模块和接收模块的各个线圈的棱角处为光滑圆弧结构。
上述优选方案的有益效果是：本发明中的线圈结构的棱角都经过了平滑处理，降低了线圈的损耗电阻，提升了线圈的品质因子，提升了系统的无线能量传输效率。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的发射模块顶层印刷电路结构图。
图2所示为本发明实施例提供的发射模块中间层印刷电路结构图。
图3所示为本发明实施例提供的发射模块底层印刷电路结构图。
图4所示为本发明实施例提供的接收模块正面结构图。
图5所示为本发明实施例提供的接收模块背面结构图。
图6所示为本发明实施例提供的接收模块在发射模块上不同传输距离时无线能量传输效率图。
图7所示为本发明实施例提供的接收模块在发射模块区域内不同位置的无线能量传输效率图。
附图标记说明：
101-第一连接点、102-第二连接点、103-激励线圈、104-第一电容、105-第二电容、106-第一电磁能量输入端口、107-第二电磁能量输入端口；
201-第三连接点、202-第四连接点、204-第六连接点、205-第五连接点、206-第一发射谐振线圈、207-第二连接微带线、208-第一连接微带线、209-第二发射谐振线圈；
301-第八连接点、302-第七连接点、303-谐振电容、304-第三发射谐振线圈、305-第四发射谐振线圈；
401-接收谐振线圈、402-第九连接点；
501-寄生谐振线圈、502-第十连接点。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构，包括用于无线电能发射的发射模块和用于无线电能接收的接收模块。
其中，发射模块为三层平板型结构，其包括印刷于介质基板上的顶层印刷电路结构、中间层印刷电路结构和底层印刷电路结构；顶层印刷电路结构包括激励线圈103，中间层印刷电路结构包括印刷在同一平面的第一连接微带线208以及至少一个中间层发射谐振线圈，底层印刷电路结构包括印刷在同一平面的至少一个底层发射谐振线圈，中间层发射谐振线圈与底层发射谐振线圈呈交叉排列，且相邻的中间层发射谐振线圈和底层发射谐振线圈之间通过微带线连接。接收模块为平板型结构，其正面为接收谐振线圈401，背面为寄生谐振线圈501。发射模块和接收模块的各个线圈的棱角处为光滑圆弧结构。
本发明实施例中，首先以一个中间层发射谐振线圈和一个底层发射谐振线圈为例，实际生产及使用过程中，中间层发射谐振线圈和底层发射谐振线圈均可横向扩展为多个。
顶层印刷电路结构如图1所示，激励线圈103为带缺口的四方螺旋环形线圈，其内部缺口处设置有第一连接点101，其外部缺口处设置有第二连接点102；激励线圈103的最外一层线圈上设置有第一电磁能量输入端口106和第二电磁能量输入端口107，第一电磁能量输入端口106和第二电磁能量输入端口107之间并联设置有第一电容104，第一电磁能量输入端口106和第二电磁能量输入端口107之间串联设置有第二电容105。其中第一电容104为并联电容，第二电容105为串联电容，两电容与线圈可以调整阻抗匹配。
中间层印刷电路结构如图2所示，第一连接微带线208的两端分别设置有第三连接点201和第四连接点202，第一连接点101和第三连接点201之间设置有通孔，第二连接点102和第四连接点202之间设置有通孔。每个中间层发射谐振线圈的结构相同，均包括第一发射谐振线圈206、第二发射谐振线圈209以及用于连接第一发射谐振线圈206和第二发射谐振线圈209的第二连接微带线207；第一发射谐振线圈206和第二发射谐振线圈209均为带缺口的长方形线圈，第一发射谐振线圈206和第二发射谐振线圈209呈镜像对称设置，且两者的缺口相对设置，第一发射谐振线圈206的缺口处设置有第五连接点205，第二发射谐振线圈209的缺口处设置有第六连接点204。
底层印刷电路结构如图3所示，每个底层发射谐振线圈的结构相同，均包括第三发射谐振线圈304、第四发射谐振线圈305以及用于连接第三发射谐振线圈304和第四发射谐振线圈305的谐振电容303；第三发射谐振线圈304和第四发射谐振线圈305均为带缺口的长方螺旋环形线圈，第三发射谐振线圈304和第四发射谐振线圈305呈镜像对称设置，且两者的外部缺口相对设置，第三发射谐振线圈304的内部缺口处设置有第七连接点302，第四发射谐振线圈305的内部缺口处设置有第八连接点301；第五连接点205和第七连接点302之间设置有通孔，第六连接点204和第八连接点301之间设置有通孔。
如图4和图5所示，接收谐振线圈401和寄生谐振线圈501均为带缺口的四方螺旋环形线圈；接收谐振线圈401上设置有第九连接点402，寄生谐振线圈501上设置有第十连接点502，第九连接点402和第十连接点502之间设置有通孔。
本发明实施例中，发射谐振线圈、激励线圈、接收谐振线圈和寄生谐振线圈均采用印刷电路板工艺加工而成，为附着在介质基板的金属片。各连接点的具体位置如图1～图5中所示，且相互之间设置有通孔的两个连接点均通过设置在通孔中的微带线连接。
采用本发明实施例提供的发射模块和接收模块构成双交叉线圈阵列式的平板型磁谐振耦合无线电能传输系统，根据图1～图5所示结构图中的符号标识，发射模块和接收模块的几何参数和电气参数设置如下：
本发明实施例中，发射模块的长度(LTx)和宽度(HTx)并不局限于上表中的具体取值，而是可以根据中间层发射谐振线圈和底层发射谐振线圈的大小和数量进行具体的调整。
在发射模块添加激励，激励信号在激励线圈103上产生电磁振荡。电磁能量先通过磁感应耦合传输到发射模块的中间层发射谐振线圈和底层发射谐振线圈，再通过磁谐振耦合方式将能量传输到接收模块的接收谐振线圈401和寄生谐振线圈501，电磁能量从接收谐振线圈401输出，经过整流稳压后供给电子消费产品、通讯设备和LED照明设备。
本发明实施例中，接收模块在发射模块上不同的距离下，收发线圈传输效率的实测结果如图6所示，根据图6可知本发明提供的收发线圈结构可以实现传输距离为20mm-60mm、传输效率大于57％的无线电能传输。
当接收模块位于发射模块40mm的距离，在发射模块横向不同位置A、B、C、D、E、F、G、H、I处(如图1所示)的收发线圈传输效率实测结果如图7所示，根据图7可知本发明提供的无线电能传输线圈结构在有效距离内，随着接收线圈横向及纵向移动，传输效率下降不明显。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构，其特征在于，包括用于无线电能发射的发射模块和用于无线电能接收的接收模块；
所述发射模块为三层平板型结构，其包括印刷于介质基板上的顶层印刷电路结构、中间层印刷电路结构和底层印刷电路结构；
所述顶层印刷电路结构包括激励线圈(103)，所述中间层印刷电路结构包括印刷在同一平面的第一连接微带线(208)以及至少一个中间层发射谐振线圈，所述底层印刷电路结构包括印刷在同一平面的至少一个底层发射谐振线圈，所述中间层发射谐振线圈与底层发射谐振线圈呈交叉排列，且相邻的中间层发射谐振线圈和底层发射谐振线圈之间通过微带线连接；
所述接收模块为平板型结构，其正面为接收谐振线圈(401)，背面为寄生谐振线圈(501)；
所述激励线圈(103)为带缺口的四方螺旋环形线圈，其内部缺口处设置有第一连接点(101)，其外部缺口处设置有第二连接点(102)；所述激励线圈(103)的最外一层线圈上设置有第一电磁能量输入端口(106)和第二电磁能量输入端口(107)，所述第一电磁能量输入端口(106)和第二电磁能量输入端口(107)之间并联设置有第一电容(104)，所述第一电磁能量输入端口(106)和第二电磁能量输入端口(107)之间串联设置有第二电容(105)；
每个所述中间层发射谐振线圈的结构相同，均包括第一发射谐振线圈(206)、第二发射谐振线圈(209)以及用于连接第一发射谐振线圈(206)和第二发射谐振线圈(209)的第二连接微带线(207)；所述第一发射谐振线圈(206)和第二发射谐振线圈(209)均为带缺口的长方形线圈，所述第一发射谐振线圈(206)和第二发射谐振线圈(209)呈镜像对称设置，且两者的缺口相对设置，所述第一发射谐振线圈(206)的缺口处设置有第五连接点(205)，所述第二发射谐振线圈(209)的缺口处设置有第六连接点(204)；
每个所述底层发射谐振线圈的结构相同，均包括第三发射谐振线圈(304)、第四发射谐振线圈(305)以及用于连接第三发射谐振线圈(304)和第四发射谐振线圈(305)的谐振电容(303)；所述第三发射谐振线圈(304)和第四发射谐振线圈(305)均为带缺口的长方螺旋环形线圈，所述第三发射谐振线圈(304)和第四发射谐振线圈(305)呈镜像对称设置，且两者的外部缺口相对设置，所述第三发射谐振线圈(304)的内部缺口处设置有第七连接点(302)，所述第四发射谐振线圈(305)的内部缺口处设置有第八连接点(301)；所述第五连接点(205)和第七连接点(302)之间设置有通孔，所述第六连接点(204)和第八连接点(301)之间设置有通孔；
所述第一连接微带线(208)的两端分别设置有第三连接点(201)和第四连接点(202)，所述第一连接点(101)和第三连接点(201)之间设置有通孔，所述第二连接点(102)和第四连接点(202)之间设置有通孔。
2.根据权利要求1所述的双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述发射模块的几何参数和电气参数设置如下：
所述激励线圈(103)的外部长度LLOOP_TX为50mm-150mm；
所述激励线圈(103)的外部宽度HLOOP_TX为50mm-150mm；
所述激励线圈(103)中微带线的宽度WLOOP_TX为2.5mm-8mm；
所述激励线圈(103)中相邻微带线之间的距离SLOOP_TX为0.5mm-3mm；
所述第一发射谐振线圈(206)的外部长度LRes1_TX为60mm-160mm；
所述第一发射谐振线圈(206)的外部宽度HRes1_TX为30mm-80mm；
所述第一发射谐振线圈(206)中微带线的宽度WRes1_TX为1mm-5mm；
所述第二发射谐振线圈(209)的外部长度LRes2_TX为60mm-160mm；
所述第二发射谐振线圈(209)的外部宽度HRes2_TX为30mm-80mm；
所述第二发射谐振线圈(209)中微带线的宽度WRes2_TX为1mm-5mm；
所述第三发射谐振线圈(304)的外部长度LRes3_TX为70mm-200mm；
所述第三发射谐振线圈(304)的外部宽度HRes3_TX为30mm-80mm；
所述第三发射谐振线圈(304)中微带线的宽度WRes3_TX为1mm-5mm；
所述第三发射谐振线圈(304)中相邻微带线之间的距离S1Res3_TX和S2Res3_TX为0.5mm-3mm；
所述第四发射谐振线圈(305)的外部长度LRes4_TX为70mm-200mm；
所述第四发射谐振线圈(305)的外部宽度HRes4_TX为30mm-80mm；
所述第四发射谐振线圈(305)中微带线的宽度WRes4_TX为1mm-5mm；
所述第四发射谐振线圈(305)中相邻微带线之间的距离S1Res4_TX和S2Res4_TX为0.5mm-3mm；
所述发射模块的发射谐振电容值为100pF-520pF。
3.根据权利要求1所述的双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述接收谐振线圈(401)和寄生谐振线圈(501)均为带缺口的四方螺旋环形线圈；所述接收谐振线圈(401)上设置有第九连接点(402)，所述寄生谐振线圈(501)上设置有第十连接点(502)，所述第九连接点(402)和第十连接点(502)之间设置有通孔。
4.根据权利要求3所述的双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述接收模块的几何参数和电气参数设置如下：
所述接收谐振线圈(401)的外部长度LRx为50mm-70mm；
所述接收谐振线圈(401)的外部宽度HRx为50mm-70mm；
所述接收谐振线圈(401)中微带线的宽度WRes_Rx为1mm-5mm；
所述接收谐振线圈(401)中微带线之间的距离SRes_Rx为0.5mm-3mm；
所述寄生谐振线圈(501)的外部长度LRx1为50mm-70mm；
所述寄生谐振线圈(501)的外部宽度HRx1为50mm-70mm；
所述寄生谐振线圈(501)中微带线的宽度WRes1_Rx为1mm-5mm；
所述寄生谐振线圈(501)中微带线之间的距离SRes1_Rx为0.5mm-3mm；
所述接收模块的接收谐振电容值为68pF-200pF。
5.根据权利要求1-4任一所述的双交叉线圈阵列式磁谐振耦合无线电能传输线圈结构，其特征在于，所述发射模块和接收模块的各个线圈的棱角处为光滑圆弧结构。
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