CN205195657U - 一种嵌套电容加载线圈谐振器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种嵌套电容加载线圈谐振器，包括谐振单元和驱动单元，谐振单元包括平面内嵌套的多个相分离的电容加载导体线圈，电容加载导体线圈均由一个不少于两匝的导体线圈和与线圈两端相连的加载电容组成，驱动单元间隔围设于谐振单元外侧或者谐振单元间隔围设于驱动单元外侧，驱动单元包括端口和线圈，线圈至少设有一匝，端口与线圈相连；通过上述的技术方案，大大提高谐振器的空间利用率和品质因数，打破传统谐振器的结构对性能的制约。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子元器件技术领域，特别涉及一种应用在无线功率传输技术中的嵌套电容加载线圈谐振器。
背景技术
如今，笔记本电脑、手机、平板电脑和嵌入式设备等高便携性电子设备在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，这些电子设备及配件的供电高度依赖电池，尽管，亚微米级加工技术的进步已使低功耗电子设备获得了快速持续发展，但是，这些便携电子设备的功能也在日益增加，使得总体能源消耗难以下降，便携电子设备往往因为电池供电不够持久而很难发挥出全部潜能，其便利性也因频繁充电或更换电池而大打折扣。此外，对于那些不能接有线充电器的设备来说，比如生物医学领域的人体植入设备，其电池的更换需要通过外科手术来实现，而通过无线可充电电源，可以使病人尤其是老年人避免进行这种危险性较高的外科手术。同时，由于人体和日常生活中，广泛使用的各种材料与电场有较强的相互作用，而与磁场只有微弱的相互作用，这使得采用磁耦合技术的无线功率传输系统对人体的安全性较高，而对设备正常工作的环境要求比较低，因此，采用磁耦合技术的无线功率传输系统成为了近年的研究热点。
磁耦合技术的无线功率传输分为两类，非谐振的磁耦合无线功率传输技术和谐振的磁耦合无线功率传输技术。非谐振的磁耦合无线功率传输技术具有安全、低成本、中低功率和短距离(通常小于0.1倍的谐振器的直径)的特点，传输距离的限制使得非谐振的磁耦合无线功率传输技术的应用领域颇为受限。谐振的磁耦合无线功率传输技术通过使用高Q值的谐振器，使无线功率传输距离达到2到3倍谐振器的直径，大大超过了采用非谐振的磁耦合无线功率传输技术的设备的传输距离，从而实现了对多个移动目标进行大范围、多角度、高效率和较低成本的安全供电。
谐振器的性能在谐振的磁耦合无线功率传输技术中至关重要。非用于无线功率传输领域的谐振器多为封闭结构，谐振器之间的耦合需通过一些技术手段进行抑制，这类谐振器的品质因数，即Q值为最重要的技术指标。用于无线功率传输的谐振器位于开放空间，通过谐振器之间的耦合传递能量，因此谐振器间的耦合系数需要通过一些技术手段进行增强和优化。磁耦合谐振式无线功率传输设备的效率由谐振器间的耦合系数与谐振器的Q值的积及谐振器共振频率决定，因此耦合系数与Q值同为无线功率传输系统最重要的技术指标。
谐振的磁耦合无线功率传输技术是基于高Q值高耦合系数的谐振器实现的。被广泛用于磁耦合无线功率传输技术的三维螺旋线圈谐振器是高Q值谐振器的一个最典型的代表。其线圈依靠各匝导线之间的分布电容与分布电感的相互作用来实现共振，比如MIT相关科研人员在《Science》刊登的文章中的0.6m直径的等距离螺旋谐振器。三维线圈的耦合系数主要取决于线圈匝数和线圈直径；同时，其谐振频率主要取决于直径、匝数和线圈节距；线圈的导体损耗由导线的材料、长度和直径决定；而线圈的辐射损耗由直径决定。通过研究可以发现这种谐振器的线圈节距对谐振频率的影响较强而对耦合系数的影响较弱，这意味着调整三维线圈的节距来控制谐振频率，同时几乎不影响无线功率传输中三维线圈的耦合系数和Q值两个关键参数。因此，三维螺旋线圈谐振器实现了高耦合系数和高Q值从而作为核心部件被广泛应用在中距离无线功率传输系统中。这种谐振器最大的问题是其所占空间较大，尤其在中远距离的无线功率传输系统中，过于庞大的三维螺旋线圈谐振器直接导致了无线功率传输设备难以商用。因此越来越多的研究人员把目光投向了二维平面谐振器的研制工作，目前的二维螺旋谐振器主要有平面螺旋谐振器和电容加载环谐振器两种。
平面螺旋谐振器是一种在二维平面中实现的较高Q值谐振器，其各匝线圈具有不同的半径。由于平面空间的局限性，导致平面线圈的节距对耦合系数影响很大，这一点与三维螺旋线圈有很大不同。由于在最佳频率条件下，不能使耦合系数和Q值同时达到最优，并且沿导线正弦分布的电流更靠近谐振器的中轴线，进一步降低了二维线圈的电感。这些原因造成了二维线圈能达到的耦合系数和Q值要比三维线圈要低很多。
平面电容加载环谐振器是另一种在二维平面中实现的较高Q值谐振器，其是由单金属环端接低损耗电容实现谐振，可以在给定谐振器直径的条件下，通过采用恰当电容达到最佳谐振频率，但由于单金属环并未充分利用二维平面空间，自感和互感都较低，从而使得耦合系数和Q值要比三维谐振器低很多。
以上两种平面谐振器的功率传输效率在传输距离等于两倍谐振器直径处远远低于相应的三维螺旋谐振器，形成了谐振的磁耦合无线功率传输技术的一个瓶颈。
因此，需要一种新的技术方案，可以解决三维谐振器体积过大和传统二维谐振器效率低下的技术难题，打破谐振器的关键参数对性能的制约，从而提高传输功率，优化谐振器的性能。
实用新型内容
为了解决三维谐振器体积过大和传统二维谐振器效率低下的问题，本实用新型提出了一种嵌套电容加载线圈谐振器，提高了无线功率传输效率，优化平面谐振器性能。
本实用新型的具体方案为：一种嵌套电容加载线圈谐振器，包括谐振单元和驱动单元，所述谐振单元包括平面内嵌套的多个相分离的电容加载导体线圈，所述多个相分离的电容加载导体线圈均包括单个电容加载导体线圈，所述单个电容加载导体线圈包括一个不少于两匝的导体线圈和加载电容，所述加载电容与线圈两端相连，所述驱动单元间隔围设于谐振单元外侧或者谐振单元间隔围设于驱动单元外侧，所述驱动单元包括端口和线圈，所述线圈至少设有一匝，所述端口与线圈相连。
在该技术方案中，所述一个不少于两匝的导体线圈的中间均未设置其他电容加载导体线圈的导线。
在该技术方案中，所述加载电容为低损耗电容，其包括单个电容或电容网络组。
在该技术方案中，导体线圈的导线包括截面为圆形的导线，薄金属带或不规则截面形成的导线。
本实用新型的有益成果：本实用新型的一种嵌套电容加载线圈谐振器，采用多线圈边缘嵌套及分离电容的加载结构，实现了多电容加载线圈共振工作，打破了谐振器的谐振频率与线圈几何参数的制约关系，从而使功率传输效率，谐振器的空间利用率和品质因数显著提高，优化了谐振器的性能。
附图说明
图1是嵌套电容加载线圈谐振器的实施例1的线圈结构示意图；
图2是嵌套电容加载线圈谐振器的实施例1的总体结构示意图；
图中：谐振单元1，电容10，导体线圈11，驱动单元2，线圈21，端口22。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
如图1和图2所示，将图2所示的实施例1的总体结构示意图中的线圈结构单独在图1中示出，本实施例的一种嵌套电容加载线圈谐振器，所述谐振器包括谐振单元1，驱动单元2，所述谐振单元1由多个相分离的电容加载线圈嵌套而成，电容加载线圈由电容10和导体线圈11构成，其中，每个导体线圈都由相应的一个电容或电容网络组加载，位于不同线圈的加载电容或电容网络组相互分离。所述驱动单元2间隔围设于谐振单元1外侧或者谐振单元1间隔围设于驱动单元2外侧。所述驱动单元2包括线圈21和端口22，所述端口22连接线圈21，这样设置，端口通常为电子系统的功率发射或接收端口，所述驱动单元2位于谐振单元1内。这样设置，电容加载导体线圈中除去半径最大的电容加载线圈外，其他多个电容加载线圈嵌套设置在半径最大的电容加载线圈的毗邻区内，毗邻区为一环形区域，外边界为半径最大的电容加载线圈外侧，内边界到外边界的径向宽度为最大电容加载线圈半径的0.32倍，而谐振器内电容加载导体线圈是否位于最大电容嵌套线圈的毗邻区内决定了电容加载导体线圈能否有效提升谐振器的功率传输效率，该谐振器相对于只有其中一个电容加载导体线圈的单线圈谐振器，有更大的金属表面积从而能有效降低导体损耗，从而提高谐振器工作效率。然而，谐振器中的分离电容加载导体线圈按直径大小相互嵌套时，会使电流分布向谐振器中心靠近，从而降低了谐振器间的耦合系数。因此，谐振器的电容加载线圈有一个毗邻区，在该区域增加电容加载线圈的个数使谐振器的品质提高，而使耦合系数降低得较少，最终使得谐振器间的无线功率传输效率得到提升。
本实用新型的一种嵌套电容加载线圈谐振器，通过在毗邻区内在最大电容加载线圈边缘密集嵌套多个共振的电容加载导体线圈，导体线圈的圈数相对于传统平面螺旋谐振器少得多，导体线圈的频率通过导体线圈两端的加载电容调节，摆脱了传统平面螺旋线圈谐振器的电感和工作频率之间的制约关系，使得谐振器的电感和工作频率得到优化。此外，采用PCB印刷技术的平面螺旋谐振器，介质基板的介质损耗得到控制，否则谐振器的品质会受到比较大的影响。通过在螺旋两端串接低损耗电容，使得电储能主要储于低介质损耗的电容中，而在相邻导体间的寄生电容较低而对谐振器的品质影响很小，提高无线功率传输系统的无线功率传输效率，通过合理安排电容加载导体线圈的直径，使电容加载线圈及驱动单元相互嵌套在一个平面上，实现了谐振器的平面化。
另外，电容加载线圈共振工作，所有电容加载导体线圈全部工作，且电容加载导体线圈谐振在相同的频率，多个电容加载导体线圈共平面且共中心，同时几何参数各不相同，通过采用近距离平面嵌套的方式实现多重谐振，增大了线圈之间的非谐振耦合，从而大大降低了对加载的低损耗电容的电容值的精度要求。毗邻区边界通过仅有两个电容加载导体线圈的谐振器间的无线功率传输效率来确定，采用多个相分离的电容加载导体线圈嵌套于谐振器中最大电容加载线圈的毗邻区，有效降低谐振器导体损耗，从而提高谐振器的品质，同时谐振器间的耦合系数下降较少，提升了谐振器无线功率传输的效率，谐振器的品质因数的提高，除了可以通过增加嵌套线圈的个数降低导体损耗来实现，还需要对谐振频率进行优化，随着谐振频率的提高，线圈的辐射损耗会快速增大，从而使谐振器的品质下降。
进一步地，电容加载线圈是印刷电路板(PCB)上的电容加载导体线圈，对于PCB板上印刷的平面螺旋谐振器，当使用损耗较大的介质基板时，比如基板FR4，功率传输效率会大大降低，而对于具有电容加载的印刷线圈谐振器，通过采用嵌套结构和低损耗电容加载，绝大部分的电能存储在比使用的介质基板的介质损耗因数小很多的陶瓷电容器中，使功率传输效率不用受到介质基板类型的制约。另外，印刷电路具有稳定、廉价、体积小等许多优势，有利于减小谐振器占用的空间，节省成本并便于系统集成。
综上所述，本实用新型的一种嵌套电容加载线圈谐振器，1、电容加载线圈谐振器采用在最大电容加载线圈的毗邻区内嵌套有多个电容加载线圈的新型结构，利用集总电容来调节谐振频率，不用改变互感系数就能将谐振频率调整至最优值，使谐振器的性能大幅度提高，增加了功率传输效率；2、设定在中心的驱动单元与多个电容加载线圈同一平面且共中心，最大限度地利用了谐振器所占据的二维空间，通过共同的磁链将各自独立的电容加载线圈联系起来，相对于传统的平面螺旋谐振器而言显著提升了品质，从而做到更远距离的能量传输。通过采用在最大直径的电容加载线圈的特殊毗邻区内平面嵌套多个电容加载线圈的方法来实现多谐振单元共振，提高谐振器功率传输的效率，并增大了嵌套线圈之间的非谐振耦合，并大大降低了对加载的低损耗电容的电容值的精度要求；3、为使整个谐振器有唯一的谐振频率，每个线圈需要有相同的自谐振频率，而自谐振频率需要通过加载不同大小的电容来实现，因此每个线圈必须加载不同大小的电容，实现多重谐振，通过增大嵌套线圈之间的非谐振耦合，大大降低了对加载的低损耗电容的电容值精度的要求，当各谐振单元的谐振频率接近时，谐振器的谐振将达到最高水平，无线功率传输也达到最高效率。
本实用新型的一种嵌套电容加载线圈谐振器，采用多线圈边缘嵌套及分离电容的加载结构，打破了谐振器中的谐振频率对性能的制约，从而使功率传输效率，谐振器的空间利用率和品质提高，优化了谐振器的性能。需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种嵌套电容加载线圈谐振器，其特征在于：包括谐振单元和驱动单元，所述谐振单元包括平面内嵌套的多个相分离的电容加载导体线圈，所述多个相分离的电容加载导体线圈均包括单个电容加载导体线圈，所述单个电容加载导体线圈包括一个不少于两匝的导体线圈和加载电容，所述加载电容与线圈两端相连，所述驱动单元间隔围设于谐振单元外侧或者谐振单元间隔围设于驱动单元外侧，所述驱动单元包括端口和线圈，所述线圈至少设有一匝，所述端口与线圈相连。
2.根据权利要求1所述的嵌套电容加载线圈谐振器，其特征在于：所述一个不少于两匝的导体线圈的中间均未设置其他电容加载导体线圈的导线。
3.根据权利要求1所述的嵌套电容加载线圈谐振器，其特征在于：所述加载电容为低损耗电容，其包括单个电容或电容网络组。
4.根据权利要求1所述的一种嵌套电容加载线圈谐振器，其特征在于：所述导体线圈包括导线，所述导线包括截面为圆形的导线，薄金属带或不规则截面形成的导线。
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| CN201520747584.9U CN205195657U (zh) | 2015-09-24 | 2015-09-24 | 一种嵌套电容加载线圈谐振器 |
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Cited By (1)
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| CN107204667A (zh) * | 2017-06-16 | 2017-09-26 | 宁夏宏海智能科技有限公司 | 智能控制磁场全覆盖式无线充电桌及其供电方法 |
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2015
- 2015-09-24 CN CN201520747584.9U patent/CN205195657U/zh active Active
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