CN208142011U - 一种基于磁谐振耦合无线电能传输系统的收发线圈结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于磁谐振耦合无线电能传输系统的收发线圈结构，包括用于无线电能发射的发射模块和用于无线电能接收的接收模块；发射模块为平板型结构，其正面设置有处于同一平面的第一发射谐振线圈和激励线圈，其背面设置有第二发射谐振线圈和用于连接激励线圈的微带线；接收模块为平板型结构，其正面为接收谐振线圈，背面为寄生谐振线圈。本实用新型采用平面化结构，通过印刷电路板的制板方式来进行加工，同时采用线圈共面设计，激励线圈采用多匝线圈设计，增加了磁耦合谐振线圈之间的耦合系数，增强了系统的传输效率，可以实现多个电子设备的无线充电和供电要求。

Description

一种基于磁谐振耦合无线电能传输系统的收发线圈结构

技术领域

本实用新型属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于磁谐振耦合无线电能传输系统的收发线圈结构的设计。

背景技术

随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的家电设备和消费电子产品、移动通信设备等已得到了广泛普及，然而传统的家用电器依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，采用内置电池的电子设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，因此我们随处能看到为这些电子设备提供电能供给的电线。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，而且产生了安全用电的隐患。所以，随着人们对可以完全无线使用的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点。

目前，该技术已逐渐被应用于人们日常生活中的低功耗电子产品中，替代原有的电源线来实现对设备的无线充电，给人们的生活带来额外的便利，例如基于磁感应耦合技术的无线充电牙刷和无线充电毯。然而无线能量传输技术的应用价值和市场潜力远远不止于此，例如无线能量传输技术在智能家居领域的应用将颠覆传统家电及移动通信设备、电子消费产品的使用模式，以住宅为平台，利用中距离无线能量传输技术、隐藏布线技术以及自动控制技术彻底移除家居生活区域内所有电源线，对设备进行无线充电或者持续电能供给，提升家居安全性、便利性、舒适性和艺术性，构建高效、环保、节能的居住环境。另外，对于生物医学领域中的可用于诊疗的可植入医疗设备来说，考虑到对其进行有线持续供电或充电的不方便性、不可行性甚至高危险性，无线能量传输技术的应用也显得极为重要和关键。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了给便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和LED照明设备提供一个稳定、高效的无线充电或无线电能供给方案，提出了一种基于磁谐振耦合无线电能传输系统的收发线圈结构。

本实用新型的技术方案为：一种基于磁谐振耦合无线电能传输系统的收发线圈结构，包括用于无线电能发射的发射模块和用于无线电能接收的接收模块；发射模块为平板型结构，其正面设置有处于同一平面的第一发射谐振线圈和激励线圈，其背面设置有第二发射谐振线圈和用于连接激励线圈的微带线；第一发射谐振线圈和第二发射谐振线圈相连构成发射谐振线圈；接收模块为平板型结构，其正面为接收谐振线圈，背面为寄生谐振线圈。

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于磁谐振耦合无线能量传输方案，采用了平面印刷电路板来加工收发模块的线圈结构，实现了系统的小型化和集成化，极大的降低了系统的生产、安装和维护的成本。由本实用新型提供的发射模块和接收模块组成的无线能量传输系统可以实现传输距离为20mm-60mm、传输效率大于50％的无线电能传输。

优选地，第一发射谐振线圈和激励线圈均为带缺口的矩形螺旋环形线圈；第一发射谐振线圈位于所在平面的外圈，激励线圈位于所在平面的内圈；激励线圈为多匝线圈；第一发射谐振线圈包括从外到内设置的第一匝线圈、第二匝线圈和第三匝线圈；第一匝线圈上分别设置有第一连接点和谐振电容连接端口，第三匝线圈上设置有第二连接点，激励线圈上设置有电磁能量输入端口和第三连接点；第二发射谐振线圈上设置有第四连接点和第五连接点，微带线上设置有第六连接点；第一连接点和第四连接点之间设置有通孔，第二连接点和第五连接点之间设置有通孔，第三连接点和第六连接点之间设置有通孔。

上述优选方案的有益效果是：本实用新型中发射模块正背面的线圈均采用矩形螺旋环形结构，能够在有效距离内，随着接收线圈横向引动，传输效率下降不明显。同时第一发射谐振线圈和激励线圈均采用多匝线圈设计，提高了激励线圈和发射谐振线圈之间的耦合强度以及发射谐振线圈本身的品质因子，增强了系统的传输效率。

优选地，发射模块的几何参数和电气参数设置如下：

第一匝线圈的外部长度L_Tx为150mm-170mm；

第一匝线圈的外部宽度H_Tx为70mm-85mm；

第一匝线圈和第二匝线圈之间的距离S_{Res1_Tx}为0.5mm-2mm；

第二匝线圈和第三匝线圈之间的距离S_{Res_Tx}为5mm-10mm；

第一发射谐振线圈中微带线的宽度W_{Res_Tx}为1mm-3mm；

激励线圈的外部长度L_{Loop_Tx}为120mm-130mm；

激励线圈的外部宽度H_{loop_Tx}为40mm-50mm；

激励线圈中微带线的宽度W_{loop_Tx}为1mm-2mm；

激励线圈中相邻两匝线圈之间的距离S_{Loop_Tx}为1mm-2mm；

第二发射谐振线圈的外部长度L_Tx1为150mm-170mm；

第二发射谐振线圈的外部宽度H_Tx1为70mm-85mm；

第二发射谐振线圈中微带线的宽度W_{Res_Tx1}为1mm-3mm；

发射谐振线圈电容值为110pF-150pF。

上述优选方案的有益效果是：通过对发射模块中各个几何参数和电气参数的优化设置，在保证发射模块的小型化的同时，提高了激励线圈和发射谐振线圈之间的耦合强度以及发射谐振线圈本身的品质因子，以适用于电子消费产品、通讯设备和LED照明设备的无线充电能量信号的发射。

优选地，接收谐振线圈和寄生谐振线圈均为带缺口的四方螺旋环形线圈；接收谐振线圈上设置有第七连接点，寄生谐振线圈上设置有第八连接点，第七连接点和第八连接点通过通孔连接。

上述优选方案的有益效果是：本实用新型的接收模块正背面线圈采用均采用四方螺线环形设计，背面的寄生谐振线圈增加了收发磁谐振线圈之间的耦合强度，在有效的距离内可以提高系统的传输效率和传输距离。

优选地，接收模块的几何参数和电气参数设置如下：

接收谐振线圈的外部长度L_Rx为50mm-70mm；

接收谐振线圈的外部宽度H_Rx为50mm-70mm；

接收谐振线圈中微带线的宽度W_{Res_Rx}为1mm-2mm；

接收谐振线圈中微带线之间的距离S_{Res_Rx}为0.5mm-2mm；

寄生谐振线圈的外部长度L_Rx1为50mm-70mm；

寄生谐振线圈的外部宽度H_Rx1为50mm-70mm；

寄生谐振线圈中微带线的宽度W_{Res1_Rx}为1mm-2mm；

寄生谐振线圈中微带线之间的距离S_{Res1_Rx}为0.5mm-2mm；

接收谐振线圈电容值为68pF～100pF。

上述优选方案的有益效果是：通过对接收模块中各个几何参数和电气参数的优化设置，在保证接收模块的小型化的同时，提高收发磁谐振线圈之间的耦合强度以及接收谐振线圈本身的品质因子，以适用于电子消费产品、通讯设备和LED照明设备的无线充电能量信号的接收。

优选地，发射模块和接收模块的各个线圈的棱角处为光滑圆弧结构。

上述优选方案的有益效果是：本实用新型中的线圈结构的棱角都经过了平滑处理，降低了线圈的损耗电阻，提升了线圈的品质因子，提升了系统的无线能量传输效率。

附图说明

图1所示为本实用新型实施例提供的发射模块正面结构图。

图2所示为本实用新型实施例提供的发射模块背面结构图。

图3所示为本实用新型实施例提供的接收模块正面结构图。

图4所示为本实用新型实施例提供的接收模块背面结构图。

图5所示为本实用新型实施例提供的接收模块在发射模块上不同传输距离时无线能量传输的效率图。

图6所示为本实用新型实施例提供的接收模块在发射模块区域内横向不同位置的无线能量传输效率图。

图7所示为本实用新型实施例提供的加入铁氧体片贴在手机背面接收模块上不同传输距离时无线能量传输的效率图。

图8所示为本实用新型实施例提供的加入铁氧体片贴在手机背面接收模块在发射模块区域内横向不同位置的无线能量传输效率图。

附图标记说明：101-第一匝线圈、102-第二匝线圈、103-第三匝线圈、104-电磁能量输入端口、105-谐振电容连接端口、106-第三连接点、107-第一连接点、108-第二连接点、109-激励线圈；

201-第二发射谐振线圈、202-微带线、203-第四连接点、204-第六连接点、205-第五连接点；

301-接收谐振线圈、302-第七连接点；

401-寄生谐振线圈、402-第八连接点。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本实用新型的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本实用新型的原理和精神，而并非限制本实用新型的范围。

本实用新型实施例提供了一种基于磁谐振耦合无线电能传输系统的收发线圈结构，包括用于无线电能发射的发射模块和用于无线电能接收的接收模块；发射模块为平板型结构，其正面设置有处于同一平面的第一发射谐振线圈和激励线圈109，其背面设置有第二发射谐振线圈201和用于连接激励线圈109的微带线202；第一发射谐振线圈和第二发射谐振线圈201相连构成发射谐振线圈；接收模块为平板型结构，其正面为接收谐振线圈301，背面为寄生谐振线圈401。

本实用新型实施例中的所有结构均为平面化结构，发射谐振线圈，激励线圈和接收谐振线圈均采用印刷电路板工艺加工而成，为附着在介质板材的金属片上。本实用新型实施例通过采用共面设计，将第一发射谐振线圈和激励线圈放置在同一平面。本实用新型实施例中，发射模块和接收模块的各个线圈的棱角处为光滑圆弧结构。

如图1所示，第一发射谐振线圈和激励线圈109均为带缺口的矩形螺旋环形线圈；第一发射谐振线圈位于所在平面的外圈，激励线圈109位于所在平面的内圈；激励线圈109为多匝线圈；第一发射谐振线圈包括从外到内设置的第一匝线圈101、第二匝线圈102和第三匝线圈103；第一匝线圈101上分别设置有第一连接点107和谐振电容连接端口105，第三匝线圈103上设置有第二连接点108，激励线圈109上设置有电磁能量输入端口104和第三连接点106。

如图2所示，第二发射谐振线圈201上设置有第四连接点203和第五连接点205，微带线202上设置有第六连接点204；第一连接点107和第四连接点203之间设置有通孔，第二连接点108和第五连接点205之间设置有通孔，第三连接点106和第六连接点204之间设置有通孔。

如图3和图4所示，接收谐振线圈301和寄生谐振线圈401均为带缺口的四方螺旋环形线圈；接收谐振线圈301上设置有第七连接点302，寄生谐振线圈401上设置有第八连接点402，第七连接点302和第八连接点402通过通孔连接。

下面以两个具体实施例对本实用新型提供的基于磁谐振耦合无线电能传输系统的收发线圈结构作详细说明：

实施例一：

采用多匝激励线圈结构的平板型磁谐振耦合无线电能传输系统。

发射模块和接收模块的正面结构分别如图1和图3所示，背面结构分别如图2和图4所示，且背面无任何金属片附着。

根据图1～图4所示结构图中的符号标识，发射模块和接收模块的几何参数和电气参数设置如下：

在发射模块添加激励，激励信号在激励线圈109上产生电磁振荡。电磁能量先通过磁感应耦合传输到第一发射谐振线圈的第一匝线圈101、第二匝线圈102和第三匝线圈103，再通过磁谐振耦合方式将能量传输到接收谐振线圈301，电磁能量从接收谐振线圈301输出，经过整流稳压后供给给电子消费产品、通讯设备和LED照明设备。

本实用新型实施例中，接收模块在发射模块上不同的距离下，收发线圈传输效率的实测结果如图5所示，根据图5可知本实用新型提供的收发线圈结构可以实现传输距离为20mm-60mm、传输效率大于50％的无线电能传输。

当接收模块位于发射模块40mm的距离，在发射模块横向不同位置A、B、C、D、E处的收发线圈传输效率实测结果如图6所示，根据图6可知本实用新型提供的收发线圈结构在有效距离内，随着接收线圈横向引动，传输效率下降不明显。

实施例二：

接收模块加入铁氧体片后贴于手机背面的平板型磁谐振耦合无线电能传输系统。

发射模块和接收模块的正面结构分别如图1和图3所示，背面结构分别如图2和图4所示，且背面加入了铁氧体片附着在手机背面。

根据图1～图4所示结构图中的符号标识，发射模块和接收模块的几何参数和电气参数设置如下：

在发射模块添加激励，激励信号在激励线圈109上产生电磁振荡。电磁能量先通过磁感应耦合传输到第一发射谐振线圈的第一匝线圈101、第二匝线圈102和第三匝线圈103，再通过磁谐振耦合方式将能量传输到接收谐振线圈301，电磁能量从接收谐振线圈301输出，经过整流稳压后供给给电子消费产品、通讯设备和LED照明设备。

本实用新型实施例中，接收模块加入铁氧体片后贴于手机背面，在发射模块不同距离下，收发线圈传输效率的实测结果如图7所示，根据图7可知本实用新型提供的收发线圈结构可以实现传输距离为10mm-40mm，传输效率大于50％的无线电能传输。

接收模块加入铁氧体片后贴于手机背面，在距离发射模块30mm处，在发射模块横向不同位置A、B、C、D、E处的收发线圈传输效率实测结果如图8所示，根据图8可知本实用新型提供的收发线圈结构在有效距离内，随着接收线圈横向引动，传输效率下降不明显。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于磁谐振耦合无线电能传输系统的收发线圈结构，其特征在于，包括用于无线电能发射的发射模块和用于无线电能接收的接收模块；

所述发射模块为平板型结构，其正面设置有处于同一平面的第一发射谐振线圈和激励线圈(109)，其背面设置有第二发射谐振线圈(201)和用于连接激励线圈(109)的微带线(202)；所述第一发射谐振线圈和第二发射谐振线圈(201)相连构成发射谐振线圈；

所述接收模块为平板型结构，其正面为接收谐振线圈(301)，背面为寄生谐振线圈(401)。

2.根据权利要求1所述的收发线圈结构，其特征在于，所述第一发射谐振线圈和激励线圈(109)均为带缺口的矩形螺旋环形线圈；所述第一发射谐振线圈位于所在平面的外圈，所述激励线圈(109)位于所在平面的内圈；所述激励线圈(109)为多匝线圈；

所述第一发射谐振线圈包括从外到内设置的第一匝线圈(101)、第二匝线圈(102)和第三匝线圈(103)；所述第一匝线圈(101)上分别设置有第一连接点(107)和谐振电容连接端口(105)，所述第三匝线圈(103)上设置有第二连接点(108)，所述激励线圈(109)上设置有电磁能量输入端口(104)和第三连接点(106)；

所述第二发射谐振线圈(201)上设置有第四连接点(203)和第五连接点(205)，所述微带线(202)上设置有第六连接点(204)；

所述第一连接点(107)和第四连接点(203)之间设置有通孔，所述第二连接点(108)和第五连接点(205)之间设置有通孔，所述第三连接点(106)和第六连接点(204)之间设置有通孔。

3.根据权利要求2所述的收发线圈结构，其特征在于，所述发射模块的几何参数和电气参数设置如下：

所述第一匝线圈(101)的外部长度L_Tx为150mm-170mm；

所述第一匝线圈(101)的外部宽度H_Tx为70mm-85mm；

所述第一匝线圈(101)和第二匝线圈(102)之间的距离S_{Res1_Tx}为0.5mm-2mm；

所述第二匝线圈(102)和第三匝线圈(103)之间的距离S_{Res_Tx}为5mm-10mm；

所述第一发射谐振线圈中微带线的宽度W_{Res_Tx}为1mm-3mm；

所述激励线圈(109)的外部长度L_{Loop_Tx}为120mm-130mm；

所述激励线圈(109)的外部宽度H_{loop_Tx}为40mm-50mm；

所述激励线圈(109)中微带线的宽度W_{loop_Tx}为1mm-2mm；

所述激励线圈(109)中相邻两匝线圈之间的距离S_{Loop_Tx}为1mm-2mm；

所述第二发射谐振线圈(201)的外部长度L_Tx1为150mm-170mm；

所述第二发射谐振线圈(201)的外部宽度H_Tx1为70mm-85mm；

所述第二发射谐振线圈(201)中微带线的宽度W_{Res_Tx1}为1mm-3mm；

所述发射谐振线圈电容值为110pF-150pF。

4.根据权利要求1所述的收发线圈结构，其特征在于，所述接收谐振线圈(301)和寄生谐振线圈(401)均为带缺口的四方螺旋环形线圈；所述接收谐振线圈(301)上设置有第七连接点(302)，所述寄生谐振线圈(401)上设置有第八连接点(402)，所述第七连接点(302)和第八连接点(402)通过通孔连接。

5.根据权利要求4所述的收发线圈结构，其特征在于，所述接收模块的几何参数和电气参数设置如下：

所述接收谐振线圈(301)的外部长度L_Rx为50mm-70mm；

所述接收谐振线圈(301)的外部宽度H_Rx为50mm-70mm；

所述接收谐振线圈(301)中微带线的宽度W_{Res_Rx}为1mm-2mm；

所述接收谐振线圈(301)中微带线之间的距离S_{Res_Rx}为0.5mm-2mm；

所述寄生谐振线圈(401)的外部长度L_Rx1为50mm-70mm；

所述寄生谐振线圈(401)的外部宽度H_Rx1为50mm-70mm；

所述寄生谐振线圈(401)中微带线的宽度W_{Res1_Rx}为1mm-2mm；

所述寄生谐振线圈(401)中微带线之间的距离S_{Res1_Rx}为0.5mm-2mm；

所述接收谐振线圈电容值为68pF～100pF。

6.根据权利要求1-5任一所述的收发线圈结构，其特征在于，所述发射模块和接收模块的各个线圈的棱角处为光滑圆弧结构。