CN112383154A - 一种曲面磁耦合式无线电能传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种曲面磁耦合式无线电能传输装置，包括发射线圈，接收线圈，无线发射模块，无线接收模块，电压源，电阻箱R1，电阻箱R2，电压表V1，电压表V2，电压表V3，其中，所述的发射线圈与所述的无线发射模块连接，所述电压源的一端与所述的电阻箱R1一端连接，所述的电阻箱R1的另一端与所述的无线发射模块连接，所述电压源的另一端与所述的无线发射模块连接，所述电压源、所述的电阻箱R1及所述的无线发射模块共同构成串联回路，所述的电压表V1与所述的电阻箱R1并联；所述的发射线圈为曲面发射线圈。本发明中通过将发射线圈设为曲面发射线圈，相较于现有技术在节省所占空间的同时，显著提高了无线电能的传输效率。

Description

一种曲面磁耦合式无线电能传输装置
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种曲面磁耦合式无线电能传输装置。
背景技术
随着科技的进步，以及日渐增多的电子产品的使用，大家对电能的需求也越来越大。目前人们采用传输电能最广泛的方式是有线电能传输，有线电能传输有着简单、经济、损耗低、传输距离远等优势。有线电能传输到目前为止技术已十分成熟，并且在世界范围内得到普遍应用，有着其他传输方式不可替代的作用。然而，随着科技的不断发展和人类生存空间的不断压缩，传统的电能输送方式的缺点也逐渐暴露出来，有线电能传输已不能满足当今人们的生活需求，主要表现为以下几个方面:随着用电设备的增加，错综复杂的电源线占据了人们相当一部分的时间和空间；电源线绝缘皮的老化与损坏，插拔插头所产生的拉弧现象，连接部位接触不良所产生的局部过热现象，这些都给人们的生活带来了威胁。
而无线充电技术在不断地改良探索中产生了，无线充电技术以其不需直接接触、充电方便的优势，广泛应用于手机等小功率无线充电等场合，较传统输电方式更为安全灵活，抗干扰能力强。发射线圈和接收线圈是磁耦合式无线输电系统的核心部分，对发射和接收能量起着重要作用，目前螺线管式和平面螺旋式是无线输电系统常用的两种线圈结构。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型曲面磁耦合式无线电能传输装置，在节省所占空间的同时，提高无线电能的传输效率，解决现有技术中所存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种曲面磁耦合式无线电能传输装置，包括，发射线圈，接收线圈，无线发射模块，无线接收模块，电压源，电阻箱R1，电阻箱R2，电压表V1，电压表V2，电压表V3，
其中，所述的发射线圈与所述的无线发射模块连接，所述电压源的一端与所述的电阻箱R1一端连接，所述的电阻箱R1的另一端与所述的无线发射模块连接，所述电压源的另一端与所述的无线发射模块连接，所述电压源、所述的电阻箱R1及所述的无线发射模块共同构成串联回路，所述的电压表V1与所述的电阻箱R1并联，所述的电压表V2与所述的无线发射模块并联；
所述的接收线圈与所述的无线接收模块连接，所述的无线接收模块与所述的电阻箱R2连接共同构成串联回路，所述的电压表V3与所述的电阻箱R2并联；
所述的无线发射模块上设置有发射端芯片，所述的无线接收模块上设置有接收端芯片；
所述的发射线圈为曲面发射线圈。
本发明的发明人通过查阅文献，发现现有技术普遍采用螺线管式线圈和平面螺旋式线圈，然而发明人在长期的实验研究过程中发现，螺旋管式线圈能产生均匀的磁场，具有良好的方向性，而且传输效率高，但是其体积较大，存在所占空间较大，不适合狭小空间场合使用的问题；平面螺旋线圈比较薄、体积小，适用于小型设备，但是其方向性较差，存在远距离充电效率低的问题。本申请的发明人在现有技术的基础上进行改进创新，改变发射线圈的几何构型，将发射线圈改为曲面发射线圈，并进一步对其传输特性进行了研究、分析和总结。通过多次试验发现，一方面，曲面发射线圈的寄生电容有所增大，影响了线圈的谐振效果，优化了无线电能传输系统的工作频率，确保了系统的稳定性，提高无线电能传输系统的高效传输效率；另一方面，基于本申请中的曲面发射线圈的发射结构，发明人通过对空间无线电波进行测量，发现曲面发射线圈在其轴向焦点附近能够维持较高的磁场强度，同时相对于平面发射线圈在轴向方向上接收的电压有所升高，进而提升无线充电装置的充电效率。
为了进一步提高所述的曲面磁耦合式无线电能传输装置的传输效率，所述曲面发射线圈的曲面为y2+z2＝25x/3的抛物面，呈y2+z2＝25x/3抛物面的曲面发射线圈辐射的磁场能量向其中轴线汇聚，同时调节曲面发射线圈和接收线圈之间的距离来抑制频率分裂现象，加强了传输电能的效果。
线圈系数的选择和设计的好坏对无线传输装置的传输效率和功率有着直接的影响，发射线圈和接收线圈自身的电感及电容影响谐振频率影响，而线圈自身的电感及电容又受线圈尺寸、线圈缠绕的形状、线圈导线线径、线圈匝数等因素的影响，本申请的发明人在多次试验过程中，选择发射线圈系数为：所述曲面发射线圈由单股外径0.1mm的紫铜线，200股并行组成1路线圈，然后由内向外缠绕而成，线圈匝数20圈，电感值29.6μh，电容值0.59mF，曲面线圈内径4.57cm，曲面线圈外径9.72cm；
优选条件下，选择发射线圈系数为：所述接收线圈由单股外径0.1mm的紫铜线，200股并行组成1路线圈，然后由内向外缠绕而成，线圈匝数22圈，电感值30.6μh，电容值1.80μF，平面线圈内径30mm，平面线圈外径105mm；
选择以上参数的线圈，使得系统的传输效率和输出功率都较大，可以有效减少线材的使用，降低经济成本，重要的是，使系统处在最佳的工作状态，确保了系统的稳定性，提高无线电能传输系统的高效传输效率。
优选条件下，所述发射线圈与所述接收线圈同轴放置，轴向距离2.4-4.4cm。
优选条件下，在所述接收线圈远离所述发射线圈的一侧设置有隔磁片，增加隔磁片能显著提高装置的传输效率。
优选条件下，为了更有助于对空间传输能量的利用，将接收线圈设置有两个。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本申请中通过将发射线圈改为曲面发射线圈，使得曲面发射线圈将更多的无线能量压缩在凹面区域，辐射的磁场能量向该曲面的中轴线汇聚，产生了无线电磁的能量聚集效应，具有较好的传输方向性，提高了无线电能传输装置的传输效率；本发明中的曲面式发射线圈所占空间相比较现有技术中的空心螺旋管式线圈节省了很大空间，相较于平板式线圈则实现了远距离无线电能传输效率高的效果，可应用于大功率电器在一定距离上无线充电的优化设计。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。
附图说明
图1为本发明中曲面磁耦合式无线电能传输装置的具体结构示意图；
图2为本发明中通过磁通门传感器测量曲面发射线圈在不同点位下的磁场分布图；
图3为本发明中通过磁通门传感器测量平面发射线圈在不同点位下的磁场分布图；
图4为本发明中发射端芯片的具体电路结构图；
图5为本发明中接收端芯片的具体电路结构图；
图6为本发明中呈y2+z2＝25x/3的抛物面的曲面发射线圈实物图的主视图；
图7为本发明中呈y2+z2＝25x/3的抛物面的曲面发射线圈实物图的侧视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
本发明中的曲面磁耦合式无线电能传输装置，包括，发射线圈，接收线圈，无线发射模块，无线接收模块，电压源，电阻箱，电阻箱R2，电压表V1，电压表V2，电压表V3，
其中，如图1所示，所述的发射线圈与所述的无线发射模块连接，所述电压源的一端与所述的电阻箱R1一端连接，所述的电阻箱R1的另一端与所述的无线发射模块连接，所述电压源的另一端与所述的无线发射模块连接，所述电压源、所述的电阻箱R1及所述的无线发射模块共同构成串联回路，所述的电压表V1与所述的电阻箱R1并联，所述的电压表V2与所述的无线发射模块并联；
所述的接收线圈与所述的无线接收模块连接，所述的无线接收模块与所述的电阻箱R2连接共同构成串联回路，所述的电压表V3与所述的电阻箱R2并联；
所述的无线发射模块上设置有发射端芯片，所述发射端芯片的具体电路结构图如图4所示，所述的无线接收模块上设置有接收端芯片，所述接收端芯片的具体电路结构图如图5所示；
所述的发射线圈为曲面发射线圈，所述曲面发射线圈的曲面设为y2+z2＝25x/3的抛物面；
所述接收线圈为平面接收线圈；
所述发射线圈与所述接收线圈同轴放置，轴向距离4.4cm。
本发明中，选择发射线圈系数为：所述曲面发射线圈由单股外径0.1mm的紫铜线，200股并行组成1路线圈，然后由内向外缠绕而成，线圈匝数20圈，电感值29.6μh，电容值0.59mF，曲面线圈内径4.57cm，曲面线圈外径9.72cm；
本发明中，选择接收线圈系数为：所述接收线圈由单股外径0.1mm的紫铜线，200股并行组成1路线圈，然后由内向外缠绕而成，线圈匝数22圈，电感值30.6μh，电容值1.80μF，平面线圈内径30mm，平面线圈外径105mm；
本发明中的曲面磁耦合式无线电能传输装置中的无线发送模块规格为XKT801-60、100W24V4A，无线接收模块规格为XKT-3170，电压源购自深圳ATTEN公司32V可变电压源，电阻箱购自杭州精科公司ZX21A型直流电阻箱，电压表购自杭州精科公司C31V型直流数显电压表。
实施例2
如实施例1提供的曲面磁耦合式无线电能传输装置，在所述接收线圈远离所述发射线圈的一侧设置有隔磁片，其余不变。
实施例3
如实施例1提供的曲面磁耦合式无线电能传输装置，将接收线圈设置有两个，其余不变。
实施例4
如实施例1提供的曲面磁耦合式无线电能传输装置，所述发射线圈与所述接收线圈同轴放置，轴向距离2.4cm，其余不变。
对照例1
和实施例1不同的是，将本发明中所述的曲面发射线圈改为平面发射线圈，其余不变。
对照例2
和实施例2不同的是，将本发明中所述的曲面发射线圈改为平面发射线圈，其余不变。
对照例3
和实施例3不同的是，将本发明中所述的曲面发射线圈改为平面发射线圈，其余不变。
对照例4
和实施例4不同的是，将本发明中所述的曲面发射线圈改为平面发射线圈，其余不变。
测量原理：采用电源产生一个电压，电阻箱R1连接同直流电源连接，再同无线发射模块XKT801-60连接共同构成一个串联回路，无线发射模块XKT801-60分别驱动凹形曲面线圈和平面线圈发射电磁波。电压表V1并联在电阻箱R1两端，测量电阻箱R1的端电压，进而计算出电路中电流。电压表V2并联在发射模块XKT801-60两端，测量发射模块端电压。由此计算出发射电路功率。平面接收线圈与接收模块XKT-3170连接，再与电阻箱R2连接，共同构成串联电路；电压表V3与电阻箱R2并联，测量R2上得到的电压，进而计算接收到无线电能的功率。
通过磁通门传感器分别测量实施例1中曲面发射线圈及对照例1中平面发射线圈的磁场分布，进一步通过改变磁通门传感器的位置，测量实施例1中曲面发射线圈及对照例1中平面发射线圈不同点位下的磁场分布，得如图2和图3所示的磁场分布图。由图2和图3比对可知，曲面发射线圈辐射的磁场能量向竖直方向中轴线汇聚，曲面发射线圈下侧将W总/2分布在2π(1-cosθ)立体角内；平面发射线圈下侧将W总/2分布在2π立体角内。
分别控制实施例中曲面发射线圈与对照例中平面发射线圈的电压均为30V，通过测量发射端电阻箱R1电压及接收端电压，计算传输效率，实验结果如表1所示：
Figure BDA0002777818570000061
Figure BDA0002777818570000071
结合上述测试数据可以看出，在相同的发射电压下，曲面发射线圈的传输效率明显高于普通的平面发射线圈；在相同的传输距离上，曲面发射线圈的传输效率高于普通的平面发射线圈；在接收端增加隔磁片之后，对传输效率的提高具有显著的提高作用；增加侧面接收端提高了对空间传输能量的有效利用。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种曲面磁耦合式无线电能传输装置，其特征在于，包括，发射线圈，接收线圈，无线发射模块，无线接收模块，电压源，电阻箱R1，电阻箱R2，电压表V1，电压表V2，电压表V3，
其中，所述的发射线圈与所述的无线发射模块连接，所述电压源的一端与所述的电阻箱R1一端连接，所述的电阻箱R1的另一端与所述的无线发射模块连接，所述电压源的另一端与所述的无线发射模块连接，所述电压源、所述的电阻箱R1及所述的无线发射模块共同构成串联回路，所述的电压表V1与所述的电阻箱R1并联，所述的电压表V2与所述的无线发射模块并联；
所述的接收线圈与所述的无线接收模块连接，所述的无线接收模块与所述的电阻箱R2连接共同构成串联回路，所述的电压表V3与所述的电阻箱R2并联；
所述的无线发射模块上设置有发射端芯片，所述的无线接收模块上设置有接收端芯片；
所述的发射线圈为曲面发射线圈。
2.根据权利要求1所述的曲面磁耦合式无线电能传输装置，其特征在于，所述曲面发射线圈的曲面为y2+z2＝25x/3的抛物面。
3.根据权利要求1所述的曲面磁耦合式无线电能传输装置，其特征在于，所述曲面发射线圈由单股外径0.1mm的紫铜线，200股并行组成1路线圈，然后由内向外缠绕而成，线圈匝数20圈，电感值29.6μh，电容值0.59mF，曲面线圈内径4.57cm，曲面线圈外径9.72cm。
4.根据权利要求1所述的曲面磁耦合式无线电能传输装置，其特征在于，所述接收线圈由单股外径0.1mm的紫铜线，200股并行组成1路线圈，然后由内向外缠绕而成，线圈匝数22圈，电感值30.6μh，电容值1.80μF，平面线圈内径30mm，平面线圈外径105mm。
5.根据权利要求1所述的曲面磁耦合式无线电能传输装置，其特征在于，所述发射线圈与所述接收线圈同轴放置，轴向距离2.4-4.4cm。
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