一种基于磁共振的无线能量发射装置
技术领域
本实用新型涉及无线能量传输领域,具体涉及一种基于磁共振的无线能量发射装置。
背景技术
无线信号传输和无线能量传输,其发展正如火如荼,并且日益深入到我们生活的方方面面,不断影响和改变我们的日常生活。随着云计算和物联网的兴起,计算和环境感知智能设备将遍布世界,我们居住的地球将成为“智慧地球”,为了实现这一设想,需要一系列关键技术,无线能量及信号协同传输就是其中一种关键技术。无线能量及信号协同传输技术将使终端摆脱电源线和信号线的束缚,具有极大的灵活性、广泛的适应性,这项技术将可以应用到智能通讯、智能电网、智能交通、智能家居和健康医疗等领域,实现物流监控、生产制造加工控制、门禁控制、宠物管理、商品防伪、电子档案(生物技术护照)、健康监护、实时位置服务、军事监视与跟踪、环境监测等多种用途。
基于磁共振的超窄带无线能量及信号协同传输是一种中距离无线能量/信号传输的新型技术,具有很多突出优点,因而具有极大的应用前景,它是今后物联网的发展趋势,也是关键技术之一,但是现有技术中无线能量产生模块和发射模块不能达到很好的匹配,传输效率较低,同时无线信号的频率不方便调整。
实用新型内容
本实用新型提供一种产生无线能量及把无线能量变为磁能的装置,以解决现有技术中存在的问题。
本实用新型的技术方案如下:
一种基于磁共振的无线能量发射装置,包括能量产生模块、匹配电路模块和磁共振发射模块,所述能量产生模块与所述匹配电路模块连接,所述匹配电路模块与所述磁共振发射模块连接;所述能量产生模块包括编码信号输入电路、正反馈电路、振荡偏压输入电路、振荡输出电路和电源电路,所述振荡偏压输入电路包括振荡偏压第一输入电路和振荡偏压第二输入电路,所述编码信号输入电路与所述正反馈电路连接,所述振荡偏压第一输入电路一端与所述正反馈电路连接,另一端连接所述振荡输出电路,所述振荡偏压第二输入电路一端与所述正反馈电路连接,另一端连接所述振荡输出电路,另外,所述电源电路为整个能量产生模块进行供电。
进一步地,所述振荡偏压输入电路包括与振荡管U1连接的振荡偏压第一输入电路和与振荡管U2连接的振荡偏压第二输入电路,所述振荡偏压第一输入电路包括电位器R1、电位器R2、二极管D1、二极管D2、电容C6、电容C7、电阻R5、电阻R6、电容C8、电容C9、电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16;所述电位器R1一端连接所述二极管D1的阳极,另一端连接所述电位器R2,所述二极管D1的阴极连接所述电阻R5,所述电阻R5的另一端连接所述电阻R14,所述电阻R14的另一端连接所述振荡管U1的第一电压输入端,所述电容C7一端接地,另一端连接所述二极管D1的阴极,所述电容C8一端连接所述电容C9,另一端连接所述电阻R14的一端,所述电阻R15一端连接所述振荡管U1的第一电压输入端,另一端接地,所述电位器R2一端连接所述电位器R1,另一端连接所述二极管D2的阳极,所述二极管D2的阴极连接所述电容C6,所述电容C6的另一端连接所述电容C7的一端,所述电阻R6一端连接所述电容C6的一端,另一端连接所述电容C9,所述电容C9的另一端连接所述电容C8,所述电阻R6、电容C9及所述电阻R13呈星状连接,所述电阻R13的一端连接所述电容C9的一端,另一端连接所述振荡管U1的第二电压输入端,所述电阻R16一端连接电阻R15的一端,另一端连接所述振荡管U1的第二电压输入端。
所述振荡偏压第二输入电路由电位器R3、电位器R4、二极管D3、二极管D4、电容C4、电容C5、电阻R7、电阻R8、电容C10、电容C11、电阻R9、电阻R10、电阻R19和电阻R20组成;所述电位器R3一端连接电位器R2,另一端连接所述二极管D3的阳极,所述二极管D3的阳极连接电位器R3,阴极连接电阻R7,电阻R7一端连接二极管D3的阴极,另一端连接电阻R10,电阻R10一端连接电阻R7,另一端连接振荡管U2的第一电压输入端,电阻R19一端连接电阻R10,另一端接地,电容C5一端连接二极管D3的阴极,另一端接地,电容C10一端连接电阻R7,另一端连接电容C11,所述电位器R4一端连接电位器R2,另一端连接二极管D4的阳极,所述二极管D4的阳极连接电阻R14,阴极连接电阻R8,所述电阻R8一端连接二极管D4的阴极,另一端连接电阻R9,电阻R9一端电阻R8,另一端连接振荡管U2的第二电压输入端,所述电阻R20一端连接电阻R9,另一端接地,所述电容C4一端连接二极管D4的阴极,另一端接地,所述电容C11一端连接电阻R8,另一端连接电容C10。
进一步地,所述正反馈电路由线圈N1、线圈N2、线圈N3、电容C1、电容C2、电容C14、电阻R11、电阻R12、电阻R17和电阻R18组成;其中线圈N2、电容C1和电容C2组成并联谐振电路;所述线圈N1和线圈N2耦合,所述电阻R12和电阻R17串联与所述电阻R11和电阻R18组成的串联电路并联,所述电容C14一端连接所述电阻R17,另一端连接所述电阻R18的一端,所述线圈N3与所述电容C14并联。
进一步地,所述振荡输出电路由振荡管U1、振荡管U2、耦合线圈T2、变压器T3及其附属电路组成,所述耦合线圈T2由线圈N4和线圈N5组成,所述附属电路包括电容C15、电容C16、电容C17、电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电感L2和电感L4;所述振荡管U1的电压输出端与所述电容C23的一端连接,所述电容C23的另一端接地,所述振荡管U2的电压输出端与线圈N5连接,所述线圈N5另一端连接电容C22,所述电容C22另一端接地,所述电容C15的一端连接所述线圈N4,另一端接地,所述电容C16的一端连接所述线圈N4,另一端接地,所述电容C17的一端连接振荡管U2的电压输出端,另一端接地,所述电感L2的一端连接所述线圈N4,另一端连接所述电容C19,所述电容C19另一端接地,所述电感L4的一端连接线圈N5,另一端连接电容C20,所述电容C20另一端接地,所述电容C21的一端连接线圈N5,另一端接地,所述变压器T3的初级线圈N6与振荡管U1、U2的电压输出端连接,所述变压器T3的次级线圈N7连接所述匹配电路,所述电容C24一端连接所述电感L4的一端,另一端接地,所述电容C25一端连接所述电感L2的一端,另一端接地。
进一步地,所述电源电路包括电容C3、电容C12、电容C13、电容C18、电感L3、温控开关K1和芯片U3;所述芯片U3为三端稳压集成电路芯片7805,管脚1为电压输入端,管脚2为电压输出端,管脚3为接地端;所述电容C3一端连接芯片U3的电压输出端,另一端接地,所述电容C12一端连接芯片U3的电压输入端,另一端接地,所述电容C13一端连接所述电容C12,另一端接地,所述电感L3一端通过温控开关K1与电容C13串联,另一端连接所述电感L3,所述电容C18一端连接所述电感L3,另一端接地。
进一步地,所述匹配电路模块由电容C26、电容C27、电感L7和电感L8组成,所述电感L7和电感L8耦合,所述电容C27一端连接所述能量产生模块的输出端,另一端参考接地,所述电容C26一端连接所述所述能量产生模块的输出端,另一端连接所述电感L8,所述电感L8另一端参考接地。
进一步地,所述磁共振发射模块包括串联谐振电路,所述串联谐振电路包括电感L5、电感L6和电容C28,所述电感L5一端连接匹配电路模块的第一输出端,另一端连接所述电容C28,所述电容C28一端连接所述电感L5,另一端连接所述电感L6,所述电感L6一端连接所述电容C28,另一端连接所述匹配电路模块的第二输出端。
本实用新型的有益效果是:所述装置的无线信号的频率可以根据需要进行调整,且增加匹配电路可以使电路方便地达到最佳匹配,同时,所述电路采用磁共振方式,提高了无线能量的发射效率。
附图说明
图1为本实用新型无线能量发射装置结构图;
图2为本实用新型匹配电路模块和磁共振发射模块电路图;
图3为本实用新型无磁共振发射模块机构示意图;
图4为本实用新型能量产生模块电路图A部分;
图5为本实用新型能量产生模块电路图B部分。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解,下面结合实施例与附图对本实用新型技术方案做进一步的说明,实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。
参照图1,一种基于磁共振的无线能量发射装置,包括能量产生模块1、匹配电路模块2和磁共振发射模块3,所述能量产生模块1通过所述匹配电路模块2同所述磁共振发射模块3连接,所述能量产生模块1包括第一输入端(A端)、第二输入端(C端)、第三输入端(D端)和输出端(B端),所述第一输入端(A端)同外界系统连接,所述第二输入端(C端)和第三输入端(D端)分别同电源连接,所述能量产生模块1输出端与所述匹配电路模块2的输入端连接;所述匹配电路模块2还包括第一输出端和第二输出端,所述匹配电路模块2的第一输出端和匹配电路模块的第二输出端分别与所述磁共振发射模块3的第一输入端(G端)和磁共振发射模块3的第二输入端(H端)连接,匹配电路模块2的作用是使无线能量产生模块1和磁共振发射模块3能达到最佳的匹配,使之无线能量能达到最大的传输;所述磁共振发射模块3还包括一个输出端,它主要是将无线能量以磁能的方式辐射出去。
参照图4图5,图4的PA1与图5的PA1连接,图4的PA2与图5的PA2连接,具体地,所述能量产生模块包括编码信号输入电路、正反馈电路、振荡偏压输入电路、振荡输出电路和电源电路,所述振荡偏压输入电路包括振荡偏压第一输入电路和振荡偏压第二输入电路,所述编码信号输入电路与所述正反馈电路连接,即所述编码信号从无线能量产生模块的第一输入端(A端)经耦合线圈输入,耦合线圈耦合和反馈的信号混合后进入无线能量产生的正反馈电路,所述振荡偏压第一输入电路一端与所述正反馈电路连接,另一端连接所述振荡输出电路,所述振荡偏压第二输入电路一端与所述正反馈电路连接,另一端连接所述振荡输出电路,另外,所述电源电路为整个能量产生模块进行供电。
具体地,所述振荡偏压输入电路包括与振荡管U1连接的振荡偏压第一输入电路和与振荡管U2连接的振荡偏压第二输入电路,所述振荡偏压第一输入电路包括电位器R1、电位器R2、二极管D1、二极管D2、电容C6、电容C7、电阻R5、电阻R6、电容C8、电容C9、电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16;所述电位器R1一端连接所述二极管D1的阳极,另一端连接所述电位器R2,所述二极管D1的阴极连接所述电阻R5,所述电阻R5的另一端连接所述电阻R14,所述电阻R14的另一端连接所述振荡管U1的第一电压输入端,所述电容C7一端接地,另一端连接所述二极管D1的阴极,所述电容C8一端连接所述电容C9,另一端连接所述电阻R14的一端,所述电阻R15一端连接所述振荡管U1的第一电压输入端,另一端接地,所述电位器R2一端连接所述电位器R1,另一端连接所述二极管D2的阳极,所述二极管D2的阴极连接所述电容C6,所述电容C6的另一端连接所述电容C7的一端,所述电阻R6一端连接所述电容C6的一端,另一端连接所述电容C9,所述电容C9的另一端连接所述电容C8,所述电阻R6、电容C9及所述电阻R13呈星状连接,所述电阻R13的一端连接所述电容C9的一端,另一端连接所述振荡管U1的第二电压输入端,所述电阻R16一端连接电阻R15的一端,另一端连接所述振荡管U1的第二电压输入端。其中,电位器R1和电位器R2的主要作用是调节直流电压的大小,二极管D1和二极管D2的作用是隔离电路中的交流和直流,电容C6和电容C7是滤波电容,可以滤去直流电压里的交流成分,R5、R6是隔离电阻,使交流和直流能在混合电路里达到很好的混合。C8、C9是耦合电容,它将混合后的编码和正反馈信号耦合到偏压电路,R13、R14、R15、R16是交流和直流混合电路,并将混合后的偏压加到振荡管U1的输入端。
具体地,所述振荡偏压第二输入电路由电位器R3、电位器R4、二极管D3、二极管D4、电容C4、电容C5、电阻R7、电阻R8、电容C10、电容C11、电阻R9、电阻R10、电阻R19和电阻R20组成;所述电位器R3一端连接电位器R2,另一端连接所述二极管D3的阳极,所述二极管D3的阳极连接电位器R3,阴极连接电阻R7,电阻R7一端连接二极管D3的阴极,另一端连接电阻R10,电阻R10一端连接电阻R7,另一端连接振荡管U2的第一电压输入端,电阻R19一端连接电阻R10,另一端接地,电容C5一端连接二极管D3的阴极,另一端接地,电容C10一端连接电阻R7,另一端连接电容C11,所述电位器R4一端连接电位器R2,另一端连接二极管D4的阳极,所述二极管D4的阳极连接电阻R14,阴极连接电阻R8,所述电阻R8一端连接二极管D4的阴极,另一端连接电阻R9,电阻R9一端电阻R8,另一端连接振荡管U2的第二电压输入端,所述电阻R20一端连接电阻R9,另一端接地,所述电容C4一端连接二极管D4的阴极,另一端接地,所述电容C11一端连接电阻R8,另一端连接电容C10。电位器R3和电位器R4它们的作用可以调节直流电压的大小,二极管D3和二极管D4的作用是隔离电路中的交流和直流,电容器C4和电容器C5是滤波电容,滤去直流电压里的交流成分,R7、R8是隔离电阻,使交流和直流能在混合电路里达到很好的混合。C10和C11是耦合电容,它将混合后的编码和正反馈信号耦合到偏压电路,电阻R9、电阻R10、电阻R19和电阻R20是交流和直流混合电路,并将混合后的偏压信号加到振荡管U2的电压输入端。
具体地,所述正反馈电路由线圈N2、线圈N3、电容C1、电容C2、电容C14、电阻R11、电阻R12、电阻R17和电阻R18组成,所述电阻R12和电阻R17串联与所述电阻R11和电阻R18组成的串联电路并联,所述电容C14一端连接所述电阻R17,另一端连接所述电阻R18的一端,所述线圈N3与所述电容C14并联。所述正反馈电路主要作用是把输出的能量以相同的相位反馈一部分到输入端口,以维持振荡的稳定;其中线圈N2、电容C1和电容C2组成并联谐振电路,它可以改变振荡器的频率;电阻R11、电阻R12、电阻R17和电阻R18可用来调节反馈量的大小,电容C14及线圈N3用于维持匹配和相位的平衡,信号混合后,分别从E、F两点进入本模块的偏压振荡输入电路。
具体地,所述振荡输出电路由振荡管U1、振荡管U2、耦合线圈T2、变压器T3及其附属电路组成,所述耦合线圈T2由线圈N4和线圈N5组成,所述附属电路包括电容C15、电容C16、电容C17、电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电感L2和电感L4;所述振荡管U1的输出端与所述电容C23的一端连接,所述电容C23的另一端接地,所述振荡管U2的电压输出端与线圈N5连接,所述线圈N5另一端连接电容C22,所述电容C22另一端接地,所述电容C15的一端连接所述线圈N4,另一端接地,所述电容C16的一端连接所述线圈N4,另一端接地,所述电容C17的一端连接振荡管U2的电压输出端,另一端接地,所述电感L2的一端连接所述线圈N4,另一端连接所述电容C19,所述电容C19另一端接地,所述电感L4的一端连接线圈N5,另一端连接电容C20,所述电容C20另一端接地,所述电容C21的一端连接线圈N5,另一端接地,所述变压器T3的初级线圈N6与振荡管U1、U2的输出端连接,所述变压器T3的次级线圈N7连接所述匹配电路,所述电容C24一端连接所述电感L4的一端,另一端接地,所述电容C25一端连接所述电感L2的一端,另一端接地。具体工作过程为:当48V的电源加电时的瞬间,通过耦合线圈T2的N4、N5两个线圈,并经过线圈N3耦合到输入的选频电路,由于反馈的信号是同相的,振荡电路就会起振。振荡管U1、振荡管U2、耦合线圈T2和耦合线圈T3是振荡的主电路,C15、C16、C21、C22、C19、C20、C24、C25为滤波电容,L2和L4是滤波电感,它们的组合可以滤去来自电源的干扰,C17和C23是振荡补偿电容,它可以使电路振荡更加稳定。
具体地,所述电源电路包括电容C3、电容C12、电容C13、电容C18、电感L3、温控开关K1和芯片U3;所述电容C3一端连接芯片U3的电压输出端,另一端接地,所述电容C12一端连接芯片U3的电压输入端,另一端接地,所述电容C13一端连接所述电容C12,另一端接地,所述电感L3一端通过温控开关K1与电容C13串联,另一端连接所述电感L3,所述电容C18一端连接所述电感L3,另一端接地;当机内温度超过一定的时候,所述温控开关K1将电路切断,振荡停止,芯片U3是一个稳压模块,C3是一个滤波电容。
参照图2图3,具体地,所述匹配电路模块2由电容C26、电容C27、电感L7和电感L8组成,所述电感L7和电感L8耦合,所述电容C27一端连接所述能量产生模块的输出端,另一端参考接地,所述电容C26一端连接所述所述能量产生模块的输出端(B端),另一端连接所述电感L8,所述电感L8另一端参考接地;匹配电路的作用是使无线能量的输出能够以尽可能高的效率传送出去,C26是一个可调电容,它用来调整阻抗匹配,L7、L8也可以通过调整它们的圈数比来调整阻抗匹配,因此,恰当地调整好它们的参数对于提高能量的传输效率是至关重要的。
具体地,所述磁共振发射模块3包括串联谐振电路,所述串联谐振电路包括电感L5、电感L6和电容C28,所述电感L5一端连接匹配电路模块的第一输出端,另一端连接所述电容C28,所述电容C28另一端连接所述电感L6,所述电感L6另一端连接所述匹配电路模块的第二输出端;电感L5、电感L6和电容C28产生串联谐振,调整电容C28可以改变它的谐振频率,谐振在无线信号能量的频率上,它的结构比较特别,如图3所示,它的两根线在铁氧体磁棒上交叉绕制,铁氧体磁棒的直径是50mm,这样做可以使磁场能量加强,而使电场能量减弱,达到磁场共振的目的。
本无线能量发射装置的工作原理为:编码信号从A口经耦合线圈T1网络的线圈N1输入,信号经T1耦合到N2和反馈的信号混合后进入无线能量产生电路的正反馈电路,正反馈电路的作用是把输出的能量以相同的相位反馈一部分到输入端口,以维持振荡的稳定,其中线圈N2、电容C1和电容C2组成谐振电路,它可以改变振荡器的频率,电阻R11、电阻R12、电阻R17和电阻R18可用来调节反馈量的大小,电容C14和线圈N3维持匹配和相位的平衡,信号混合后,分别从E、F两点进入本模块的偏压形成电路,本模块的偏压由2部分组成,一部分是直流部分,它有电源部分提供,一部分是交流部分,它由上述的混合电路提供,由E点输入为振荡器U1提供的偏压电路,直流部分由电位器R1和电位器R2输入,它们的作用可以调节直流电压的大小,二极管D1和二极管D2的作用是隔离电路中的交流和直流,电容C6和电容C7是滤波电容,滤去直流电压里的交流成分,电阻R5和电阻R6是隔离电阻,使交流和直流能在混合电路里达到很好的混合。电容C8和电容C9是耦合电容,它将混合后的编码和正反馈信号耦合到偏压电路,电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16是交流和直流混合电路,并将混合后的偏压加到振荡管U1的电压输入端,由F点输入为振荡管U2提供的偏压电路,直流部分由R3和R4输入,R3和电R4也是2个电位器,它们的作用可以调节直流电压的大小,二极管D3和二极管D4的作用是隔离电路中的交流和直流,电容C4和电容C5是滤波电容,滤去直流电压里的交流成分,电阻R7和电阻R8是隔离电阻,使交流和直流能在混合电路里达到很好的混合,电容C10和电容C11是耦合电容,它将混合后的编码和正反馈信号耦合到偏压电路,电阻R9、电阻R10、电阻R19和电阻R20是交流和直流混合电路,并将混合后的偏压信号加到振荡管U2的电压输入端;U1、U2和T2、T3组成推挽振荡电路,当48V的电源加电时的瞬间,通过T2的N4、N5两个线圈,并经过线圈N3耦合到输入的选频电路,由于反馈的信号是同相的,振荡电路就会起振,振荡管U1、振荡管U2、耦合线圈T2和变压器T3是振荡的主电路,C15、C16、C21、C22、C19、C20、C24、C25为滤波电容,L2和L4是滤波电感,它们的组合可以滤去来自电源的干扰,C17和C23是振荡补偿电容,它可以使电路振荡更加稳定;在电源电路中,C18、L3、C13和C12组成输入电路的滤波电路,K1是一个温控开关,当机内温度超过一定的时候,电路就被切断,振荡停止;无线能量产生电路的输出经B端口连接到匹配电路的B端口,匹配电路的作用是使无线能量的输出能够以尽可能高的效率传送出去,C26是一个可调电容,它用来调整阻抗匹配,L7、L8也可以通过调整它们的圈数比来调整阻抗匹配,因此,恰当地调整好它们的参数可提高能量的传输效率;匹配电路从G、H端口输出,并通过G、H端口和发射电路3相连接,磁共振发射模块是一个串联谐振电路,L5、L6、C28产生串联谐振,调整C28可以改变它的谐振频率,它谐振在无线信号能量的频率上,它的特殊结构可以使磁场能量加强,而使电场能量减弱,达到磁场共振的目的。
以上为本实用新型的较佳实施方式,但实施方式并不是用来限定本实用新型。在不脱离本实用新型之精神和范围内,所做的任何等效变化或润饰,同样属于本实用新型之保护范围。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。