CN110112833A - 一种无线能量传输系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种无线能量传输系统。该无线能量传输系统包括：第一线圈，所述第一线圈包括多匝线圈，所述多匝线圈具有第一内径和第一外径；一个或多个第二线圈，具有第二内径；其中，所述第二内径不大于所述第一内径；并且其中，所述一个或多个第二线圈的中心被设置在如下的空间内：所述空间是以约等于所述第一线圈的第一外径的圆为底面，以所述第一线圈的所述第一外径为高形成的圆柱体空间。
Description
技术领域
本发明涉及能量传输领域，具体涉及一种无线能量传输系统。
背景技术
无线充电技术(Wireless charging technology)由于在充电过程中供电端和受电端无需直接接触而越来越收到欢迎。当前无线充电主要有4种方式：电场耦合方式、电磁感应方式、无线电波方式、磁共振方式，而电磁感应方式在无线充电中占据主导地位。
然而，采取电磁感应方式的无线充电技术存在传输距离短、覆盖范围窄以及适用角度小的问题。具体地，现有的电磁感应方式的无线充电技术的传输距离最多在50mm左右，并且由于电磁耦合线圈的设计，发射端线圈和接收端线圈需要完全契合才可以高效工作，如果出现线圈横移或者是相对角度的变化，使得发射端线圈和接收端线圈无法垂直重合的情况下，传输效率会大幅下降。由此，接收端线圈不能进行大角度翻滚。
发明内容
根据本发明的无线能量传输系统是针对背景技术部分中所出现的问题而提出的。
根据本发明的一个方面，提供了一种无线能量传输系统。该系统在保持谐振频率一致的情况下通过非对称的电磁耦合谐振进行能量传输。该系统包括：第一线圈，所述第一线圈包括多匝线圈，所述多匝线圈具有第一内径和第一外径；一个或多个第二线圈，具有第二内径；其中，所述第二内径不大于所述第一内径；并且其中，所述一个或多个第二线圈的中心被设置在如下的空间内：所述空间是以约等于所述第一线圈的第一外径的圆为底面，以所述第一线圈的所述第一外径为高形成的圆柱体空间。
优选地，所述第一线圈和所述一个或多个第二线圈是漆包线构成的多匝线圈。
优选地，所述第一内径在10cm至50cm之间，并且所述第二内径在1cm至10cm之间。
优选地，所述一个或多个第二线圈被设置为其中心轴线与所述第一线圈的中心轴线重合。
优选地，所述一个或多个第二线圈被设置为与所述第一线圈相距所述第一内径的距离。
优选地，所述一个或多个第二线圈被设置为与所述第一线圈呈不同的夹角。
优选地，所述无线能量传输系统，还包括：相对角度调整装置，被配置为调整所述一个或多个第二线圈相对于所述第一线圈的角度。
优选地，所述相对角度调整装置在调整所述一个或多个第二线圈相对于所述第一线圈的角度的同时测量所述一个或多个第二线圈中的电流，并基于所述一个或多个第二线圈中电流的变化确定所述一个或多个第二线圈的位置。
优选地，所述相对角度调整装置测量所述一个或多个第二线圈中的电流的绝对值，并将绝对值的改变方向发生变化的位置确定为所述一个或多个第二线圈的位置。
根据本发明的另一个方面，提供了一种无线充电系统，包括：如上所述的无线能量传输系统；以及电源，被配置为向所述无线能量传输系统的第一线圈供给交流电。
根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它方面将变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明的无线充电系统的示意性结构图；
图2是根据本发明的第一线圈和第二线圈的位置关系图；
图3A-3C示出了当第一线圈和第二线圈处于不同位置关系时的传送效率曲线图；
图4示出了相对角度调整装置的结构示意图；
图5示出了相对角度调整装置的操作流程图。
具体实施方式
以下，参考附图描述本公开的示例性实施例，但是应当理解，以下的实施例仅仅是示例性的，并且不是要将本公开限制到这些实施例。此外，实施例中描述的构成要素的尺寸、材料、形状、它们的相对布置等可以根据应用本公开的装置的配置、各种条件等适当地改变。因此，实施例中描述的构成要素的尺寸、材料、形状、它们的相对布置等并不意图将本公开的范围限制到以下实施例。
首先，参考图1，描述根据本发明实施例的无线充电系统的整体配置。如图1所示，根据本发明的无线充电系统100包括电源101、无线能量传输系统102以及负载103。
电源101被配置为向无线能量传输系统102供给电力。电源101例如可以是220v交流电源，并且还可以通过整流器、变压器等变换为适合数值的电压，例如±20v。
负载103可以是各种形式的负载，包括但不限于手机、白炽灯泡、充电电池等等。
无线能量传输系统102被配置为将电源101的电力以无线的形式传递给负载103。具体地，无线能量传输系统102包括第一线圈1021和第二线圈1022，其中第一线圈与电源101连接，电源101在第一线圈1021中所生成的交变电流在第一线圈1021中生成交变磁场，所生成的交变磁场使得第二线圈1022中的磁通量发生变化，进而在第二线圈1022中通过电磁感应生成感应电流，所生成的感应电流可用于向诸如电池之类的负载供给电力。
根据本示例性实施例，第一线圈1021和第二线圈1022中的每一个可以是漆包线构成的多匝线圈，并且线圈的匝数可以根据需要而适当地设置。此外，虽然在图1中将第一线圈1021和第二线圈1022示出为包括在单个结构中，但是应当理解，第一线圈1021和第二线圈1022可以被设置在不同的部分中。例如，第一线圈1021可以是被设置在无线充电系统的底座中的馈电线圈，而第二线圈1022可以是例如手机、电脑等设备中的受电线圈。
此外，虽然在图1中将第二线圈1022的数量示出为1，但是第二线圈1022的数量不限于此，并且第二线圈例如可以是两个或更多个。具体地，根据本示例性实施例的无线能量传输系统可以通过作为馈电线圈的第一线圈1021向作为受电线圈的多个第二线圈1022传输电力。在这种情况下，例如，可以通过第一线圈1021与多个手机中的第二线圈1022之间的电磁感应向手机供给电力。
另外，制造线圈的材料例如可以是铜、银或者它们的合金。
通常，第一线圈1021与第二线圈1022被同心地设置，即第一线圈1021的轴线与第二线圈1022的轴线重合，并且第一线圈1021和第二线圈1022的内径相等。
然而，如此配置的无线能量传输系统存在传输距离短、覆盖范围窄以及适用角度小的问题。在根据本发明的无线能量传输系统中，第一线圈1021为多匝线圈，其具有外径和内径，并且内径被设置为等于或大于第二线圈1022的内径。具体地，例如，第一线圈1021的内径可以被设置为10cm至50cm之间，并且第二线圈的内径被设置为1cm至10cm之间，更优选地，第二线圈的内径被设置为5cm至10cm之间。
如此设置的第一线圈1021和第二线圈1022通过控制两个线圈之间的谐振频率，以使得不同直径的线圈之间完成电磁传输，这使得至少可以获得以下益处:1)传输距离能够大幅提升至与发射端的外径基本保持一致；2)覆盖范围扩大，第二线圈1022只要在第一线圈1021上方范围内即可接收相应能量；以及3)第二线圈1022可以进行360度的翻滚，尽管传输效率会有所下降，但是与对称的电磁耦合线圈相比可用性大大提高，同时也可以实现垂直角度、尤其是边缘垂直角度的使用，效率值仍然可以保持在可用范围之内，经实验验证其效率值的峰值为45％左右，平均在20％-40％之间。
图2示出了在第二线圈1022被设置在以第一线圈1021的外径为底边、以第一线圈1021的外径为高的圆柱体空间内的视图，其中方形ABCD为圆柱体空间的投影图，方形ABCD的边长为第一线圈1021的外径长度。
如图2所示，在分别在位置P1、P2、P3和P4四个位置处测量第二线圈1022的布置方式与效率值之间的关系。其中效率值被定义为在第一线圈1021和第二线圈1022的线圈参数固定的情况下，电源的馈电功率与第二线圈受电功率之间的比率。具体地，在以下参考图3A-3C的描述中，第一线圈1021的内径被设置为11cm，并且第二线圈1022的内径被设置为5cm。
此外，P1被设置在与圆柱体空间的侧面相切的位置处，即，第二线圈1022垂直于第一线圈1021；P2和P3被设置在圆柱体空间的不同高度处，即第二线圈1022所在平面与第一线圈1021所在平面平行，但是距离不同；并且P4被设置为与第一线圈1021所在的平面成一定角度，即，第二线圈1022所在的平面与第一线圈1021所在的平面成角度θ。
P1-P4四个位置代表了第二线圈1022以不同的状态处于圆柱体空间中。如图3A所示，其示出了当第二线圈1022的轴线与第一线圈1021的轴线重合的情况下，第二线圈1022与第一线圈1021之间的距离与传输效率之间的关系图。如图3A可见，随着第二线圈1022与第一线圈1021之间的距离从0增大到第二线圈1022的内径，传输效率不断增大到约37％，并且随着距离进一步增大到等于第一线圈1021的内径时，传输效率最大，此时最大值约为43％。可见，当第二线圈1022与第一线圈1021之间的距离被设置为等于第一线圈1021的内径时，传输效率最高。
虽然在图3A中示出了第二线圈1022的轴线与第一线圈1021的轴线重合的情况，但是在第二线圈1022处于圆柱体空间范围内的情况下，传输效率观察到类似的现象，即，当第二线圈1022与第一线圈1021之间的距离被设置为等于第一线圈1021的内径时，传输效率最高。
图3B示出了当第二线圈1022处于圆柱体空间范围内，并且第二线圈1022的轴线与第一线圈1021的轴线成角度θ情况下，传输效率随θ的变化情况。可见，随着θ的增大，传输效率不断降低。这主要是由于当第二线圈1022的轴线与第一线圈1021的轴线成角度时，第二线圈1022在第一线圈1021所在的平面内的投影面积变小，使得磁通量变化量减小，从而所生成的感应电动势也减小。
图3C示出了当第二线圈1022处于圆柱体空间的边缘位置时，传输效率随第二线圈1022的轴线与第一线圈1021的轴线之间的角度θ的变化情况。在这种情况下，将边缘位置定义为当第二线圈1022垂直于第一线圈1021所在平面时，第二线圈1022的至少一部分处于圆柱体空间之外的位置，此时，第二线圈1022的中心处于圆柱体空间内部，而线圈的一部分处于圆柱体空间之外。
如图3C所示，在这种情况下，传输效率随着角度θ的减小而减小，这是因为在θ＝90°的情况下，第一线圈1021中处于边缘位置的磁感线穿过圆柱体空间的侧面，进而穿过处于90°的第二线圈1022，使得第二线圈1022中的磁通量改变量大，从而提高传输效率。
总而言之，如图3A-图3C所示，当第二线圈1022的中心处于圆柱体空间的情况下，传输效率的平均值能够保持在20％-40％的可接受范围内，传输范围能够延伸到等于第一线圈1021的外径的范围，且第二线圈1022可以以任意角度翻转。
虽然在以上的描述中，以圆柱体空间的底面直径等于第一线圈1021的外径的情况进行了描述，但是圆柱体空间的底面直径可以约等于第一线圈1021的外径，即，圆柱体空间的底面直径可以略大于或者可以略小于第一线圈1021的外径。
此外，虽然在以上示例中以单个第二线圈1022为例进行了描述，但是第二线圈1022的数量可以是两个或者更多个。此外，当第二线圈1022处于不同的位置时，为了进一步提高其整个能量传输系统的传输效率，在本示例性实施例中，还可以设置相对角度调整装置，该相对角度调整装置被配置为调整一个或多个第二线圈1022相对于第一线圈1021的角度θ。
具体地，当第二线圈1021例如为手机中的受电线圈的情况下，相对角度调整装置可以调整整个手机相对于第一线圈1021所在平面的夹角，此时，相对角度调整装置可以是承载手机的支撑架，该支撑架可以使手机在各个方向上旋转。可替代地，支撑架还可以调解手机相对于第一线圈1021的距离。
相对角度调整装置优选地使用塑料、树脂等透磁性材料制成，以避免对感应磁场产生影响。此外，以上虽然以承载手机的支撑架为例描述了相对角度调整装置，但是其它装置也是可以的，只要该装置能够调整第二线圈1022相对于第一线圈1021的角度。
如图4所示，其示出了根据本发明的相对角度调整装置400的示意性框图。如图4所示，根据本发明的相对角度调整装置400包括直流电源401、制动器402以及电流计403。此外，根据本发明的相对角度调整装置400还包括控制器200，控制器200包括作为控制单元的中央处理单元(CPU)201。
此外，控制器200包括只读存储器(ROM)202、随机存取存储器(RAM)203和硬盘驱动器(HDD)204。此外，控制器200包括接口205。ROM 202、RAM 203、HDD 204和接口205经由总线连接到CPU 201。用于使CPU 201运行的基本程序被存储在ROM 202中。RAM 203是在其中临时存储诸如CPU 201的计算处理的结果之类的各种数据的存储设备。HDD 204是在其中存储CPU 201的计算处理的结果、从外部获取的设置数据等的存储设备，并且还用于在其中记录用于使CPU 201执行各种控制的程序。
CPU 201通过根据记录在HDD 204中的程序来控制直流电源401、制动器402以及电流计403的操作。
在本示例性实施例中，直流电源401与第一线圈1021连接，以在第一线圈1021中产生恒定磁场。直流电源401可以是单独的直流电源，其电压例如为±5v，直流电源401也可以是电源101经过整流后获得的直流电源。
制动器402例如可以是马达，其向第二线圈1022或者包含第二线圈1022的载体(例如手机)施加力，以使得第二线圈1022相对于第一线圈1021旋转。
电流计403是电流传感器，其感测在第二线圈1022旋转过程中，在第二线圈1022中生成的电流。
下面，结合图5描述根据本发明的相对角度调整装置400的操作流程图。应当注意的是，相对角度调整装置400的操作可以在能量传输前、能量传输过程中进行操作。并且当在传输过程中进行操作的情况下，可以不设置直流电源401。
如图5所示，当在能量传输时，制动器402按照一定方向(例如顺时针方向)旋转第二线圈1022，并且此时，电流计403测量第二线圈1022中的电流的绝对值。随着第二线圈1022的转动，电流计403测量得到的电流值的绝对值增大或者减小，当电流值的绝对值的增加或者减小量为零，即电流值的绝对值的改变方向发生变化时，制动器402停止旋转第二线圈1022，并且相对角度调整装置400将此时的位置设置为第二线圈1022的位置。如此，可以进一步针对第二线圈1022所处的位置来优化能量传输效率。
尽管已经参考示例性实施例描述了本公开，但是应该理解，本公开不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包含所有这些修改以及等同的结构和功能。
Claims (10)
1.一种无线能量传输系统，其特征在于，包括：
第一线圈，所述第一线圈包括多匝线圈，所述多匝线圈具有第一内径和第一外径；
一个或多个第二线圈，具有第二内径；
其中，所述第二内径不大于所述第一内径；并且
其中，所述一个或多个第二线圈的中心被设置在如下的空间内：所述空间是以约等于所述第一线圈的第一外径的圆为底面，以所述第一线圈的所述第一外径为高形成的圆柱体空间。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，
所述第一线圈和所述一个或多个第二线圈是漆包线构成的多匝线圈。
3.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，
所述第一内径在10cm至50cm之间，并且所述第二内径在1cm至10cm之间。
4.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述一个或多个第二线圈被设置为其中心轴线与所述第一线圈的中心轴线重合。
5.根据权利要求4所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述一个或多个第二线圈被设置为与所述第一线圈相距所述第一内径的距离。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述一个或多个第二线圈被设置为与所述第一线圈呈不同的夹角。
7.根据权利要求6所述的无线能量传输系统，其特征在于，还包括：相对角度调整装置，被配置为调整所述一个或多个第二线圈相对于所述第一线圈的角度。
8.根据权利要求7所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述相对角度调整装置在调整所述一个或多个第二线圈相对于所述第一线圈的角度的同时测量所述一个或多个第二线圈中的电流，并基于所述一个或多个第二线圈中电流的变化确定来所述一个或多个第二线圈的位置。
9.根据权利要求8所述的无线能量传输系统，其特征在于，所述相对角度调整装置测量所述一个或多个第二线圈中的电流的绝对值，并将绝对值的改变方向发生变化的位置确定为所述一个或多个第二线圈的位置。
10.一种无线充电器，其特征在于，包括：
根据权利要求1所述的无线能量传输系统；以及
电源，被配置为向所述无线能量传输系统的第一线圈供给交流电。
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