CN114094720B - 一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，包括依次连接的发射端电路、发射端共振线圈、接收端共振线圈、接收端电路和负载设备，所述发射端共振线圈包括结构完全相同的第一发射端共振线圈和第二发射端共振线圈，所述第一发射端共振线圈的一端连接发射端电路，所述第一发射端共振线圈的另一端分别与所述第二发射端共振线圈和所述接收端共振线圈耦合。与现有技术相比，该发明传输距离较远，且系统稳定性强，耦合强度稳定。

Description

一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统
技术领域
本发明涉及无线能量传输技术领域，尤其是涉及一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统。
背景技术
随着科技的进步，人们对物质生活的要求日渐提高。对于弱耦合共轴转动的设备传感器，包括滚筒洗衣机和机械转动轴设备中的传感器来说，传统的有线充电方式明显已不适用，而传统触片技术要求传感器设备具有较高的对位精度，并且对于潮湿、腐蚀环境和危险气体环境难以兼容，此外随着传感器设备需求充电功率不断增大，充电电流不断上升，接触打火也将导致巨大的安全隐患。
目前，无线充电技术方式现今已趋于发展成熟，且在越来越多的场合下得到应用，正在不断改变人们的生活和生产方式。对于弱耦合共轴传感器设备充电场景，无线充电技术可以提供较大的自由度、全密封的充电过程以及安全可控的磁场环境，较好的解决了上述问题。
然而，现有的无线能量传输技术亦存在诸多不足，目前无线充电存在的问题包括传输距离近、效率低、稳定性弱和方向性差。比如麻省理工学院的Marin教授首次提出的共振式无线电能传输技术就只存在一个最佳的工作距离；斯坦福大学的Fan Shanhui教授提出的利用非线性电路自动追踪劈裂模式的电路稳定性较低，空载压力大等。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提出一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，该发明传输距离较远，且系统稳定性强，耦合强度稳定。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，包括依次连接的发射端电路、发射端共振线圈、接收端共振线圈、接收端电路和负载设备，所述发射端共振线圈包括结构完全相同的第一发射端共振线圈和第二发射端共振线圈，所述第一发射端共振线圈的一端连接发射端电路，所述第一发射端共振线圈的另一端分别与所述第二发射端共振线圈和所述接收端共振线圈耦合。
优选地，所述第二发射端共振线圈的一端与所述第一发射端共振线圈耦合，所述第二发射端共振线圈的另一端与所述接收端共振线圈耦合。
优选地，所述发射端共振线圈设有一个或多个。
优选地，当所述发射端共振线圈设有多个时，各所述发射端共振线圈并联连接。
优选地，所述第一发射端共振线圈和所述第二发射端共振线圈分别设于同一块弧形PCB电路板的顶部与底部。
优选地，所述第一发射端共振线圈包括第一输出端子、第一输入端子以及连接于所述第一输出端子和所述第一输入端子之间的第一绕线部，所述第一绕线部以疏绕的方式绕制并形成弧形。
优选地，所述第一发射端共振线圈的绕线部以间隔2～3mm绕制8匝。
优选地，所述弧形PCB电路板的内半径为230mm，外半径为280mm，弧度为36°。
优选地，所述接收端共振线圈包括第二输出端子、第二输入端子以及连接于所述第二输出端子和所述第二输入端子之间的第二绕线部，所述第二绕线部以疏绕的方式绕制并形成矩形。
优选地，所述无线充电系统的传输距离为10～50mm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过设计一个或多个发射端共振线圈与接收端共振线圈耦合，且每个发射端共振线圈包括一个连接电路的第一发射端共振线圈和一个独立的第二发射端共振线圈与接收端共振线圈耦合，即采用多共振结构，该结构可以有效提高传输距离，使得系统耦合强度均匀稳定，保证一定距离范围内的能量传输效率。
2、本发明基于正交模式的物理原理，工作频率为85kHz±10％中某个单一频率，可以有效解决共振式无线电能传输方案因模式耦合导致频率劈裂和传输效率降低的问题和追踪频率方案的系统稳定性差和需要严格的对称系统的问题。
3、本发明设计的发射端尺寸较大，采用弧形PCB板，接收端尺寸较小，采用矩形PCB板，使得接收端所在负载原件在共轴转动时，可以保障接收端在做圆形转动时，可以持续的进行无线能量的传输，有效保障能量传输效率，实现对共轴传感器边运动边充电。
附图说明
图1为本实施例一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统的结构示意图；
图2为图1所示实施例的发射端共振线圈数量为3时的发射端共振线圈和接收端谐振线圈的耦合示意图；
图3为图1所示实施例的发射端共振线圈与接收端谐振线圈的耦合示意图；
图4为图1所示实施例的发射端共振线圈的结构示意图；
图5为图1所示实施例的接收端共振线圈的结构示意图；
图中标记为：L1、第一发射端共振线圈，L2、第二发射端共振线圈，L3、接收端共振线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参考图1所示，本实施例提供一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，包括依次连接的发射端电路、发射端共振线圈、接收端共振线圈、接收端电路和负载设备，发射端共振线圈包括第一发射端共振线圈L1和第二发射端共振线圈L2，其中，第一发射端共振线圈L1的一端连接发射端电路，第一发射端共振线圈L1的另一端通过磁场耦合接收端共振线圈L3，第二发射端共振线圈L2的一端与接收端共振线圈L3耦合，第二发射端共振线圈L2不连接电路。
具体地，发射端共振线圈可以设有一个或多个，设有多个发射端共振线圈时，各发射端共振线圈并联连接。参考图2所示为三个发射端共振线圈和接收端共振线圈的工作情况。
参考图4所示，第一发射端共振线圈L1和第二发射端共振线圈L2结构完全相同，且分别位于同一块弧形PCB电路板的顶部和底部，第一发射端共振线圈L1包括第一输出端子、第一输入端子以及连接于所述第一输出端子和所述第一输入端子之间的第一绕线部，所述第一绕线部以疏绕的方式以间隔2～3mm绕制8匝，并形成弧形，进而获取均匀的磁场。发射端共振线圈所在的弧形PCB电路板的内半径为230mm，外半径为280mm，直径为460mm，宽为50mm，弧度为36°。接收端共振线圈L3与发射端共振线圈二者本征频率ω0相同，本征频率ω0由线圈本身的材料和结构确定，与线圈空间位置及耦合状态无关，也称为线圈的固有频率。参考图5所示为接收端共振线圈L3的结构示意图，接收端共振线圈L3在矩形PCB电路板上成型为矩形线圈，包括第二输出端子、第二输入端子以及连接于所述第二输出端子和所述第二输入端子之间的第二绕线部，所述第二绕线部以疏绕的方式绕制为9匝并形成矩形。矩形PCB电路板的尺寸为30mm×50mm。
具体地，输入发射端共振线圈的信号为高频交流信号，工作频率的范围为85kHz±10％。输出信号为高频交流信号，通过接收端电路后可以供传感器设备的电池使用；
本实施例提供的一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统的工作原理如下所示：
参考图1和图3所示，首先，输入的交流电通过发射端电路变为高频交流信号进入第一发射端共振线圈L1，由第一发射端共振线圈L1接收电能，再通过磁场耦合分别进入第二发射端共振线圈L2和接收端发射线圈L3，第一发射端共振线圈L1与第二发射端共振线圈L2之间的耦合强度为K12，第一发射端共振线圈L1和接收端共振线圈L3之间的耦合强度为K13；同时，第二发射端共振线圈L2和接收端共振线圈L3耦合，耦合强度为K23。第一发射端共振线圈L1和第二发射端共振线圈L2分别单独耦合接收端共振线圈L3。最后，接收端共振线圈L3再将电能输送给接收端电路，通过接收端电路后供传感器设备的电池使用。
具体地，本实施例提供的一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统的无线能量的传输距离为10～50mm，无线能量的传输距离为接收端共振线圈L3与发射端共振线圈的距离。
具体地，系统的最大功率为5W。
本发明设计的一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，通过一个或多个发射端共振线圈与接收端共振线圈耦合，且每个发射端共振线圈包括一个连接电路的第一发射端共振线圈和一个独立的第二发射端共振线圈与接收端共振线圈耦合，即采用多共振结构，该结构可以有效提高传输距离，使得系统耦合强度均匀稳定，保证一定距离范围内的能量传输效率。且发射端尺寸较大，采用弧形PCB板，接收端尺寸较小，采用矩形PCB板，使得接收端所在负载原件在共轴转动时，可以保障接收端在做圆形转动时，可以持续的进行无线能量的传输，有效保障能量传输效率，实现对共轴传感器边运动边充电。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，其特征在于，包括依次连接的发射端电路、发射端共振线圈、接收端共振线圈(L3)、接收端电路和负载设备，所述发射端共振线圈包括结构完全相同的第一发射端共振线圈(L1)和第二发射端共振线圈(L2)，所述第一发射端共振线圈(L1)连接发射端电路，所述第一发射端共振线圈(L1)分别与所述第二发射端共振线圈(L2)和所述接收端共振线圈(L3)耦合，所述第二发射端共振线圈(L2)和所述接收端共振线圈(L3)耦合；所述第一发射端共振线圈(L1)和所述第二发射端共振线圈(L2)分别设于同一块扇形PCB电路板的顶部与底部。
2.根据权利要求1所述的一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，其特征在于，所述发射端共振线圈设有一个或多个。
3.根据权利要求2所述的一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，其特征在于，当所述发射端共振线圈设有多个时，各所述发射端共振线圈并联连接。
4.根据权利要求1所述的一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，其特征在于，所述第一发射端共振线圈(L1)包括第一输出端子、第一输入端子以及连接于所述第一输出端子和所述第一输入端子之间的第一绕线部，所述第一绕线部以疏绕的方式绕制并形成扇形。
5.根据权利要求4所述的一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，其特征在于，所述第一发射端共振线圈(L1)的绕线部以间隔2～3mm绕制8匝。
6.根据权利要求1所述的一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，其特征在于，所述扇形PCB电路板的内半径为230mm，外半径为280mm，弧度为36°。
7.根据权利要求1所述的一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，其特征在于，所述接收端共振线圈(L3)包括第二输出端子、第二输入端子以及连接于所述第二输出端子和所述第二输入端子之间的第二绕线部，所述第二绕线部以疏绕的方式绕制并形成矩形。
8.根据权利要求1所述的一种共轴转动的设备传感器的无线充电系统，其特征在于，所述无线充电系统的传输距离为10～50mm。
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