CN110649717A - 一种三维全向无线电能传输发射装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维全向无线电能传输发射装置,包括碗状线圈载具,线圈载具内安装有通电后能够产生三维全向磁场的线圈集,线圈集包括周向安装在线圈载具内壁的线圈a、线圈b、线圈c、线圈d,以及安装在线圈载具底部的线圈e,线圈a和线圈c串联,且对称设置;线圈b和线圈d串联,且对称设置;线圈a、线圈b和线圈e分别连接有能将直流电转化为高频交流电的发射级电路。本发明还公开了一种三维全向无线电能传输发射装置的制备方法,通过本发明方法制备的装置能在线圈载具内产生分布均匀的三维全向磁场,使线圈载具内的平面接收线圈实现接收级的自由定位和任意方向充电。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域,涉及一种三维全向无线电能传输发射装置及其制备方法。
背景技术
无线电能传输,也称为非接触式电能传输,是指电源通过非接触的方式给用电设备供电的技术。该技术可以摆脱金属导线的束缚,实现电子设备不受空间限制的电能供给,而且具有不需要接插环节、无导线裸露、无触电漏电等优势,从而被广大工程师和学者关注并大力倡导。
目前无线电能传输技术可以分为三种:第一种是辐射式无线电能传输,利用电磁波相关原理;第二种是感应式无线电能传输(IPT),利用电磁感应原理,这种非接触式无线电能传输技术目前已经比较成熟,但是传输距离很短,几乎是贴在一起;第三种是磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WPT),利用电磁耦合谐振原理,两个靠近的谐振线圈相互耦合,把电能从发射线圈传输至接收线圈。
随着无线电能传输技术的发展,人们也对无线电能传输技术提出更高的要求。目前用于无线电能传输的线圈大多数都是单一方向传输电能,单一方向传输电能要求发射线圈和接收线圈必须对准,否则效率就会急剧下降甚至为零,这一特点使得目前的无线电能传输技术在实际运用中受到很大限制。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种三维全向无线电能传输发射装置,能够实现磁耦合谐振无线电能多方向传输。
本发明的另一个目的是提供一种三维全向无线电能传输发射装置的制备方法。
本发明所采用的第一技术方案是,一种三维全向无线电能传输发射装置,包括碗状线圈载具,线圈载具内安装有通高频交流电后能够产生三维全向磁场的线圈集,线圈集包括周向安装在线圈载具内壁的线圈a、线圈b、线圈c、线圈d,以及安装在线圈载具底部的线圈e。
本发明的技术特征还在于,
线圈a和线圈c对称设置,线圈a和线圈c串联,线圈a连接有能将直流电转化为高频交流电的发射级电路a。
线圈b和线圈d对称设置,线圈b和线圈d串联,线圈b连接有能将直流电转化为高频交流电的发射级电路b。
线圈e连接有能将直流电转化为高频交流电的发射级电路c。
发射级电路a包括与线圈a一端连接的电容Cp,电容Cp分别连接有电容Cr和电感Lr,电容Cr自由端与线圈a连接,电感Lr自由端分别连接有氮化镓器件Q3和氮化镓器件Q4,氮化镓器件Q3自由端分别连接有电容Cn和电感Ln,电感Ln自由端依次与氮化镓器件Q4自由端和电容Cr自由端连接,电容Cn自由端分别连接有氮化镓器件Q1和氮化镓器件Q2,氮化镓器件Q1自由端连接有电源,电源另一端依次与氮化镓器件Q2自由端和电容Cn自由端连接。
发射级电路b和发射级电路c与发射级电路a的结构相同。
本发明所采用的第二技术方案是,一种三维全向无线电能传输发射装置的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:准备碗状线圈载具和三根利兹线;
步骤2:绕制线圈,将一根利兹线从线圈载具内部底面绕到侧面形成相对称的线圈a和线圈c,将另一根利兹线从线圈载具内部底面绕到侧面形成相对称的线圈b和线圈d,线圈a、线圈b、线圈c和线圈d依次周向排列,将最后一根利兹线绕在线圈载具底面上,形成线圈e;
步骤3:设置与线圈a、线圈b、线圈c、线圈d和线圈e配套的发射级电路,为每个线圈提供高频交流电源;
步骤4:调节线圈a、线圈b、线圈c和线圈d在碗状载具内放置的位置,用近场探头测量线圈载具内的磁场,待线圈载具内部产生均匀分布的三维全向磁场且磁场最强时,固定线圈a、线圈b、线圈c和线圈d,即完成三维全向无线电能传输发射装置的制作。
线圈a、线圈b、线圈c和线圈d均由四匝利兹线圈组成,每匝利兹线圈底部与线圈载具底部相贴,顶部与线圈载具侧壁相贴。
步骤4的具体过程为:
步骤4.1:以线圈载具顶面中心为原点建立三维坐标系,以线圈a和线圈c的底面中心线为y轴,以线圈b和线圈d的底面中心线为x轴,以线圈载具的中心轴线为z轴,用坐标表示线圈a的形状;
步骤4.2:用近场探头测量线圈载具内的磁场,待线圈载具内部产生均匀分布的三维全向磁场且磁场强度最高时,记录线圈a、线圈b、线圈c和线圈d中每匝利兹线圈底部中点和顶点坐标;
步骤4.3:根据记录的每匝利兹线圈底部中点和顶点坐标对线圈载具内壁进行切槽,将绕制好的利兹线卡在切槽内,即完成线圈a、线圈b、线圈c和线圈d的固定。
利兹线由450股AWG48线组成。
本发明的有益效果是,给本发明线圈集通过三种励磁电流后,可在碗状线圈载具内形成强度较高并且分布均匀的三维全向磁场,使线圈载具内的平面接收线圈实现了接收级的自由定位和任意方向充电。
附图说明
图1是本发明三维全向无线电能传输发射装置的三维结构示意图;
图2是本发明三维全向无线电能传输发射装置的平面结构示意图;
图3是本发明三维全向无线电能传输发射装置中发射级电路a的原理图;
图4是本发明三维全向无线电能传输发射装置中线圈b和线圈d产生的磁场方向示意图;
图5是本发明三维全向无线电能传输发射装置中线圈的位置示意图。
图中,1.线圈载具,21.线圈a,22.线圈b,23.线圈c,24.线圈d,25.线圈e。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种三维全向无线电能传输发射装置,参照图1和图2,包括碗状线圈载具1,线圈载具1内安装有通高频交流电后能够产生三维全向磁场的线圈集,线圈集包括周向安装在线圈载具1内壁的线圈a21、线圈b22、线圈c23、线圈d24,以及安装在线圈载具1底部的线圈e25。
本发明一种三维全向无线电能传输发射装置的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:准备碗状线圈载具1和三根利兹线,线圈载具1的高为80mm,顶面直径为200mm,底面直径为120mm,所用利兹线由450股AWG48线组成;
步骤2:绕制线圈,将一根利兹线从线圈载具1内部底面绕到侧面形成相对称的线圈a21和线圈c23,将另一根利兹线从线圈载具1内部底面绕到侧面形成相对称的线圈b22和线圈d24,线圈a21、线圈b22、线圈c23和线圈d24依次周向排列,将最后一根利兹线绕在线圈载具1底面上,形成线圈e25;
线圈a21、线圈b22、线圈c23和线圈d24均由四匝利兹线圈组成,每匝利兹线圈底部与线圈载具1底部相贴,顶部与线圈载具1侧壁相贴;
步骤3:设置与线圈a21、线圈b22、线圈c23、线圈d24和线圈e25配套的发射级电路,为每个线圈提供高频交流电源;
与线圈a21和线圈c23相连接的为发射级电路a,参照图3,发射级电路a包括与线圈a21一端连接的电容Cp,电容Cp分别连接有电容Cr和电感Lr,电容Cr自由端与线圈a21连接,电感Lr自由端分别连接有氮化镓器件Q3和氮化镓器件Q4,氮化镓器件Q3自由端分别连接有电容Cn和电感Ln,电感Ln自由端依次与氮化镓器件Q4自由端和电容Cr自由端连接,电容Cn自由端分别连接有氮化镓器件Q1和氮化镓器件Q2,氮化镓器件Q1自由端连接有电源Vin,电源另一端依次与氮化镓器件Q2自由端和电容Cn自由端连接。其中,Lr为560nH,Cr为0.98nF,CP为150Pf;给线圈a21和线圈c23通入高频交流电后,线圈a21和线圈c23之间产生同向磁场(参照图4)。
与线圈b22和线圈d24相连接的为发射级电路b,发射级电路b与发射级电路a的结构相同,给线圈b22和线圈d24通入高频交流电后,线圈b22和线圈d24之间产生同向磁场。
与线圈e25相连接的为发射级电路c,发射级电路c与发射级电路a的结构相同,给线圈e25通入高频交流电后,线圈e25周围形成与其垂直的磁场。励磁电流的载频为6.78MHz,调制频率为450Hz;
步骤4:调节线圈a21、线圈b22、线圈c23和线圈d24在碗状载具内放置的位置,用近场探头测量线圈载具1内的磁场,待线圈载具1内部产生均匀分布的三维全向磁场且磁场强度最高时,固定线圈a21、线圈b22、线圈c23和线圈d24,即完成三维全向无线电能传输发射装置的制作。
步骤4的具体过程为:
步骤4.1:以线圈载具1顶面中心为原点建立三维坐标系,参照图4,以线圈a21和线圈c23的底面中心线为y轴,以线圈b22和线圈d24的底面中心线为x轴,以线圈载具1的中心轴线为z轴,用坐标表示线圈a21的形状;
步骤4.2:用近场探头测量线圈载具1内的磁场,待线圈载具1内部产生均匀分布的三维全向磁场且磁场强度最高时,记录线圈a21、线圈b22、线圈c23和线圈d24中每匝利兹线圈底部中点和顶点坐标;
组成线圈a21的四匝线圈底部中点,由内向外分别为y1、y2、y3、y4,顶点分别为A1、B1、C1、D1,通过测试,当A1-D1的坐标分别为A1(0,-99.9,-2mm)、B1(0,-99.7,-7mm)、C1(0,-99.3,-12mm)和D1(0,-98.5,-17mm),y1(0,-4.5,80)、y2(0,-15.5,80)、y3(0,-27.4,80)和y4(0,-44.3,80),且线圈c23与线圈a21完全对称,组成线圈b22的四匝线圈底部中点坐标分别是x1(-4.5,0,80)、x2(-15.5,0,80)、x3(-27.4,0,80)、x4(-44.3,0,80),顶点坐标分别为A2(-99.9,0,-2mm)、B2(-99.7,0,-7mm)、C2(-99.3,0,-12mm)和D2(-98.5,0,-17mm),线圈d24与线圈b22完全对称,此时,线圈载具1内部的磁场分布均匀(参照图5)。
步骤4.3:根据记录的每匝利兹线圈底部中点和顶点坐标对线圈载具1内壁进行切槽,将绕制好的利兹线卡在切槽内,即完成线圈a21、线圈b22、线圈c23和线圈d24的固定。
Claims (10)
1.一种三维全向无线电能传输发射装置,其特征在于,包括碗状线圈载具(1),线圈载具(1)内安装有通高频交流电后能够产生三维全向磁场的线圈集,所述线圈集包括周向安装在线圈载具(1)内壁的线圈a(21)、线圈b(22)、线圈c(23)、线圈d(24),以及安装在线圈载具(1)底部的线圈e(25)。
2.根据权利要求1所述的一种三维全向无线电能传输发射装置,其特征在于,所述线圈a(21)和线圈c(23)对称设置,线圈a(21)和线圈c(23)串联,线圈a(21)连接有能将直流电转化为高频交流电的发射级电路a。
3.根据权利要求2所述的一种三维全向无线电能传输发射装置,其特征在于,所述线圈b(22)和线圈d(24)对称设置,线圈b(22)和线圈d(24)串联,线圈b(22)连接有能将直流电转化为高频交流电的发射级电路b。
4.根据权利要求3所述的一种三维全向无线电能传输发射装置,其特征在于,所述线圈e(25)连接有能将直流电转化为高频交流电的发射级电路c。
5.根据权利要求4所述的一种三维全向无线电能传输发射装置,其特征在于,所述发射级电路a包括与线圈a(21)一端连接的电容Cp,电容Cp分别连接有电容Cr和电感Lr,电容Cr自由端与线圈a(21)连接,电感Lr自由端分别连接有氮化镓器件Q3和氮化镓器件Q4,氮化镓器件Q3自由端分别连接有电容Cn和电感Ln,电感Ln自由端依次与氮化镓器件Q4自由端和电容Cr自由端连接,电容Cn自由端分别连接有氮化镓器件Q1和氮化镓器件Q2,氮化镓器件Q1自由端连接有电源Vin,电源Vin另一端依次与氮化镓器件Q2自由端和电容Cn自由端连接。
6.根据权利要求5所述的一种三维全向无线电能传输发射装置,其特征在于,所述发射级电路b和发射级电路c与发射级电路a的结构相同。
7.一种三维全向无线电能传输发射装置的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:准备碗状线圈载具(1)和三根利兹线;
步骤2:绕制线圈,将一根利兹线从线圈载具(1)内部底面绕到侧面形成相对称的线圈a(21)和线圈c(23),将另一根利兹线从线圈载具(1)内部底面绕到侧面形成相对称的线圈b(22)和线圈d(24),线圈a(21)、线圈b(22)、线圈c(23)和线圈d(24)依次周向排列,将最后一根利兹线绕在线圈载具(1)底面上,形成线圈e(25);
步骤3:设置与线圈a(21)、线圈b(22)、线圈c(23)、线圈d(24)和线圈e(25)配套的发射级电路,为每个线圈提供高频交流电源;
步骤4:调节线圈a(21)、线圈b(22)、线圈c(23)和线圈d(24)在碗状载具内放置的位置,用近场探头测量线圈载具(1)内的磁场,待线圈载具(1)内部产生均匀分布的三维全向磁场且磁场强度最高时,固定线圈a(21)、线圈b(22)、线圈c(23)和线圈d(24),即完成三维全向无线电能传输发射装置的制作。
8.根据权利要求7所述的一种三维全向无线电能传输发射装置的制备方法,其特征在于,所述线圈a(21)、线圈b(22)、线圈c(23)和线圈d(24)均由四匝利兹线圈组成,每匝利兹线圈底部与线圈载具(1)底部相贴,顶部与线圈载具(1)侧壁相贴。
9.根据权利要求8所述的一种三维全向无线电能传输发射装置的制备方法,其特征在于,所述步骤4的具体过程为:
步骤4.1:以线圈载具(1)顶面中心为原点建立三维坐标系,以线圈a(21)和线圈c(23)的底面中心线为y轴,以线圈b(22)和线圈d(24)的底面中心线为x轴,以线圈载具(1)的中心轴线为z轴,用坐标表示线圈a(21)的形状;
步骤4.2:用近场探头测量线圈载具(1)内的磁场,待线圈载具(1)内部产生均匀分布的三维全向磁场且磁场强度最高时,记录线圈a(21)、线圈b(22)、线圈c(23)和线圈d(24)中每匝利兹线圈底部中点和顶点坐标;
步骤4.3:根据记录的每匝利兹线圈底部中点和顶点坐标对线圈载具(1)内壁进行切槽,将绕制好的利兹线卡在切槽内,即完成线圈a(21)、线圈b(22)、线圈c(23)和线圈d(24)的固定。
10.根据权利要求7所述的一种三维全向无线电能传输发射装置的制备方法,其特征在于,所述利兹线由450股AWG48线组成。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200103 |