CN203193405U - 一种小尺寸无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种小尺寸无线能量传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括信号发生器和发射线圈，接收端包括接收线圈，发射线圈和接收线圈中设置有铁芯；发射线圈和接收线圈相距10cm，发射线圈和接收线圈的半径均为3cm；发射线圈和接收线圈均由导线均匀、紧密地缠绕而成，导线的截面为圆形；本实用新型通过分别在接收端和发射端加入不同数量的铁芯来观察在电源输入信号固定为正弦波信号情况下接收端信号有效值变化，分析得到本实用新型的能量传输效率。通过理论分析与实验数据表明，本实用新型可有效提高能量传输效率，具有良好的安全性和易操作性。

Description

一种小尺寸无线能量传输系统

技术领域

本实用新型属于无线电能量传输技术领域，尤其涉及一种小尺寸无线能量传输系统。

背景技术

非辐射电磁共振式无线能量传输技术是利用具有相同谐振频率的谐振体，在相隔一定距离时，以磁场或电场为媒介相互耦合，产生共振，实现能量的传递；其属于近场无线传输技术，根据传输媒介不同，可以分为磁共振无线能量传输技术和电场共振无线能量传输技术。

电磁共振式无线能量传输，最先于2006年由MIT物理学教授Marin Soljacic的研究团队提出。该团队在实验中，采用两个半径为30cm、品质因数Q=950螺旋线圈，工作频率约为9.9MHz时，作为传递能量谐振体的线圈成功点亮了距离2m的一个60w灯泡，能量传输效率为40-60%。MIT这个实验掀起了无线能量传输研究的浪潮。MIT实验和后来大多实验中，都是以空心线圈作为载体，通过磁耦合共振的方式实现无线能量传输，他们实验所用的线圈都是半径30cm的大型系统，对人和生物都有一定的辐射影响。

实用新型内容

针对背景技术存在的问题，本实用新型提供一种小尺寸无线能量传输系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种小尺寸无线能量传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括信号发生器和发射线圈，接收端包括接收线圈，所述发射线圈和接收线圈中设置有铁芯。

所述发射线圈和接收线圈均由导线均匀、紧密地缠绕而成，导线的截面为圆形。

所述发射线圈和接收线圈相距10cm，发射线圈和接收线圈的半径均为3cm。

所述导线为多股漆包线。

所述铁芯为铁氧体。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

本实用新型通过分别在接收端和发射端加入不同数量的铁芯来观察在电源输入信号固定为正弦波信号情况下接收端信号有效值变化，分析得到本实用新型的能量传输效率；通过理论分析与实验数据表明，在接收端和发射端加入的铁芯可有效提高能量传输效率；并且操作简便不需要对能量传输线路进行大规模改动，设计简洁合理，使用方便安全，采用的小型线圈对人和生物辐射作用小，具有良好的安全性、易操作性和实用性。

附图说明

图1为本实用新型的结构简图。

图2为本实用新型中铁芯在发射线圈和接收线圈中的位置示意图。

图3为本实用新型的测试电路示意图。

其中，1—线圈，2—铁芯。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型对进一步说明。

如附图所示，本实用新型包括发射端和接收端，发射端（主回路）包括串联连接的信号发生器、发射线圈、电容，接收端（副回路）包括串联连接的接收线圈、电容、负载；发射线圈和接收线圈中设置有铁芯；发射线圈和接收线圈均由导线均匀、紧密地缠绕而成，导线的截面为圆形；发射线圈和接收线圈相距10cm，发射线圈和接收线圈的半径均为3cm；导线为多股漆包线；铁芯为铁氧体。

下面对本实用新型的测试电路做详细说明：

信号发生器，其型号为RIGOL，为本实用新型提供电压源，通过电压源给主回路供电来为整个系统提供工作功率和能量，所以此信号发生器相当于输入信号，但在后面的计算中输入信号的功率为电压源功率减去信号发生器内阻消耗掉的功率；通过为整个系统提供一个电压源，经过滤器的测量和记录，计算好两个回路的功率，为测传输效率提供了一个很好的途径。

互感线圈（加铁芯的发射线圈和接收线圈），这是本实用新型关键部分。以前的实验和研究中都采用的是大型线圈，线圈辐射影响较大，本实用新型采用的是加入铁芯2后的小型线圈1，此互感线圈相距10cm,线圈半径为3cm，分别接到主回路和副回路上。通过依次改变两个线圈里铁芯的数量情况来观察示波器输入信号和输出信号的相对变化，通过两个线圈的共振耦合实现了主回路和副回路线圈能量的传输。

带电容的主回路以及带电容和负载的副回路部分，通过观察示波器输入信号和输出信号的变化，确定最大传输效率时输入信号和输出信号的关系，用以明确输出功率和输入功率的关系。主回路主要提供了发射功率，副回路主要提供了接收功率，都可以通过示波器的记录得到较为精确的结果。

以下对各部分提供详细说明以便参考实施：

①互感线圈（加铁芯的发射线圈和接收线圈）

发射线圈所属主回路，接收线圈所属副回路。根据阻尼比公式或品质因数公式：

$\mathrm{\ξ}=\frac{R\sqrt{C}}{2\sqrt{L}}Q=\frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(1\right)$

（其中R、C、L依次为发射线圈谐振电阻、谐振电容和谐振电感，）。由于高品质因数Q有利于传输效率的提高，故在谐振电阻和谐振电容为定值保持不变的情况下，只有提高线圈电感L，才能减小阻尼比ξ或增大品质因数Q，才能使能量输送效率η越强。

螺旋线圈的电感L可用下列公式表达：

$L=N^{2}r{\mathrm{\μ}}_0[\ln \left(\frac{8r}{a}\right)-1.75]---\left(2\right)$

其中，μ₀为空心线圈磁导率（相当于真空磁导率），r为螺旋线圈的半径，N为螺旋线圈的匝数，a为线圈导线的半径。如果在螺旋线圈中加入某些高磁导率的铁芯材料，磁导率几乎呈线性增加，这样磁导率会增大上万倍，谐振电感也会增大上万倍，经过品质因数公式计算后Q也会增大上百倍,这样就比较有效地提高了系统传输效率。故加入铁芯对无线能量传输效率有非常可观的影响。

由公式

$R=\mathrm{\ρ}\frac{l}{S}---\left(3\right)$

（其中R为螺旋线圈的电阻，ρ为线圈导线的电阻率（此实验选用电阻率较高的黄铜作为导线材料），l为线圈的总长度，S为导线的横截面积）。

由于涡流的存在，使得硅钢在高频方面的应用受到限制，现在得到迅速发展的是一种非金属磁性材料—铁氧体。它由三氧化二铁（Fe2O3）和其他二价的金属氧化物（如NiO，ZnO，MnO等）的粉末混合烧结而成,属于小磁损、低矫顽力、高磁导率、高电阻率和高饱和磁感应强度的氧化物磁性材料。它的一个重要特征就是在较高的频率时也能有高的磁导率。

采用可获得高磁导率、小矫顽力、小剩磁，又能在频率较高时正常工作的铁氧体作为铁芯材料。

在空心线圈中加入的铁氧体磁芯材料为棒型，直径为1CM，长度为18CM。

②电信号发生器

信号发生器为整个系统提供电压源，通过电压源给主回路供电来为整个系统提供工作功率和能量，所以此信号发生器相当于输入信号。

③带电容的主回路以及带电容和负载的副回路部分，用以明确输出功率和输入功率的关系；

在本实验中选用多股的漆包线进行线圈的制作，多股7芯，线径1.6MM，自制的两个线圈之间的垂直距离为10cm，其中电容选用的陶瓷电容容量较小，在本研究内容中信号发生器其阻值是固定的,由于信号平均功率P=U²/R，那么功率的度量就可以由信号的电压U来决定，在此选取信号的电压有效值进行分析来代替对发生信号的能量分析。此实用新型可以根据需求得到所需谐振点

首先对附图中的电路进行分析，在接收端可以得到:

$\mathrm{Pi}=\frac{\mathrm{Vs}-\mathrm{Vi}}{\mathrm{Rs}}\×\mathrm{Vi},\mathrm{Po}=\frac{{\mathrm{Vo}}^2}{\mathrm{Ro}},\mathrm{Po}=\frac{{\mathrm{Vo}}^2}{R_0}$

其中Vs表示不连接发送线圈时信号发生器两端的输出电压，Vi表示连接发送线圈和接收线圈时信号发生器两端的输出电压，Vo表示副回路负载两端输出电压，Rs和Ro分别表示发生器自身内阻和副回路负载灯泡的电阻；Pi和Po分别表示发送线圈和接收线圈（负载）两端的输出功率。

可以求出传输效率:

$\mathrm{\η}=\left(\frac{\mathrm{Po}}{\mathrm{Pi}}\right)*100\%$

整个系统的运行过程现说明如下：

首先系统上信号发生器提供电源给主回路，通过铁芯线圈的耦合作用，能量传递到副回路，使副回路的负载正常工作，明显提高了空心线圈的能量传输效率。

Claims (5)

1.一种小尺寸无线能量传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括信号发生器和发射线圈，接收端包括接收线圈，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈中设置有铁芯。

2.根据权利要求1所述的小尺寸无线能量传输系统，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈相距10cm，发射线圈和接收线圈的半径均为3cm。

3.根据权利要求2所述的小尺寸无线能量传输系统，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈均由导线均匀、紧密地缠绕而成，导线的截面为圆形。

4.根据权利要求3所述的小尺寸无线能量传输系统，其特征在于：所述导线为多股漆包线。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的小尺寸无线能量传输系统，其特征在于：所述铁芯为铁氧体。

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