CN212627323U - 一种基于磁电回旋器的无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于磁电回旋器的无线电能传输系统，包括功率发射模块、磁电回旋器和整流模块。磁电回旋器包括圆片状磁电复合结构换能器和平面螺旋线圈，平面螺旋线圈放置在磁电复合结构换能器的一侧，磁电复合结构换能器为圆片状对称型结构，磁电复合结构换能器包括两层磁致伸缩材料和一层压电陶瓷材料，两层磁致伸缩材料对称分布在压电陶瓷材料上表面和下表面上。本实用新型与传统的基于线圈耦合式无线电能传输相比，制备工艺简单，体积小，机械损耗低，具有较高的功率转换率且移动灵活性强等优点，在小范围内电能的无线传输领域具有较高的潜在应用价值。

Description

一种基于磁电回旋器的无线电能传输系统

技术领域

本实用新型涉及无线电能传输的技术领域，尤其涉及一种基于磁电回旋器的无线电能传输系统。

背景技术

目前人们对电能的需求主要集中在工业生产、家庭用电以及交通运输等行业，利用传统及新型清洁能源的产生并借助大范围的有线电网输送来满足。然而，近年来自从手机、平板电脑、新能源电动汽车等个人可移动消费电子电气产品的日益普及，解决小范围内的用电需求显得格外重要。目前个人移动电子电气产品的供电主要以有线的方式并依靠蓄电池的反复充放电实现。然而对于许多不能够提供电源、电池不易更换的敏感位置以及易燃易爆的危险场合等方便的应用，有线的电能传输方式就不能满足或不能适应具体工作环境和要求。例如新能源电动汽车就存在着充电桩少、充电耗时长以及高速续航里程短等问题，若有无线充电的加持，均能在相当程度上得到解决。感应线圈式无线电能传输技术作为一种新的电能传输方式由美国麻省理工大学的Marin Soljacic教授于2007年最先提出，利用两个60厘米的线圈产生的磁共振原理实现了效率为40%的无线能量传输，并成功无线点亮了2米外60瓦的灯泡。作为一种中等距离无线电能传输技术，这种通过线圈的磁耦合谐振式无线电能传输方式仍然受到传输效率较低和稳定性差等不利因素的制约。

实用新型内容

针对传统线圈耦合式无线电能传输方式传输效率低、稳定性差、体积大、灵活性低的技术问题，本实用新型提出一种磁电回旋器及无线电能传输系统。

为了解决上述问题，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于磁电回旋器的无线电能传输系统，包括功率发射模块、磁电回旋器和整流模块；所述磁电回旋器包括圆片状磁电复合结构换能器和平面螺旋线圈，平面螺旋线圈放置在圆片状磁电复合结构换能器的一侧，平面螺旋线圈的输入端口与功率发射模块相连接，平面螺旋线圈与圆片状磁电复合结构换能器相配合，圆片状磁电复合结构换能器的输出端口与整流模块相连接。

优选地，所述磁电复合结构换能器为圆片状对称型结构，磁电复合结构换能器包括两层磁致伸缩材料和一层压电陶瓷材料，两层磁致伸缩材料对称分布在压电陶瓷材料上表面和下表面上，压电陶瓷材料上表面和下表面均引出两组导线作为输出端口，平面螺旋线圈两端作为输入端口，平面螺旋线圈、两层磁致伸缩材料、压电陶瓷材料和四组导线整体组成具有四线-双端口结构的磁电回旋器。

优选地，所述平面螺旋线圈由利兹线逐圈绕制而成。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1.本实用新型磁电回旋器中的磁电复合结构换能器为对称型的多层结构，磁电复合结构换能器中采用的磁致伸缩材料为钐掺杂的镍锌铁氧体，磁电回旋器利用铁磁材料的磁致伸缩效应以及压电材料的压电效应并通过层间应变传递实现强磁电耦合，实现了磁场强度-电压之间双向转换功能，并且在较低外加磁场下保持较高的功率转换效率，而且进一步减小了器件的体积，具有制备工艺简单，成本低，机械损耗低及较高的功率转换效率等优点，在紧凑型功率传输电子器件中有较高的潜在应用价值；

2.本实用新型电路结构简单，磁电回旋器是通过磁电复合材料中的磁致伸缩相将发射线圈产生的感应磁场捕获并通过磁电效应将其转化为电压通过压电相输出，从而实现无线电能的传输，本实用新型提供的无线电能传输系统其最大传输效率为88.5%，最大有效传输距离为110mm，稳定传输时间在20min以上；这种新型的无线电能传输方式与传统的线圈耦合式无线电能传输方式相比，不仅具有机械损耗低及较高的电能转换效率等优点，由于代替传统线圈的磁电回旋器具有较高的磁导率，所以磁电回旋器在完成对感应磁场捕获的同时大大节省了空间在紧凑型功率传输电子器件中有较高的潜在应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的工作原理示意图。

图2为本实用新型中磁电复合结构换能器的结构示意图。

图3为本实用新型中磁电回旋器的功传输效率随传输距离的关系曲线图。

图4为本实用新型中磁电回旋器的功传输效率随传输时间的响应曲线图。

附图标号具体表示为，1为信号发生器，2为平面螺旋线圈，3为磁电复合结构换能器，31为磁致伸缩材料，32为压电陶瓷材料，4为整流模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：如图1和图2所示，一种基于磁电回旋器的无线电能传输系统，包括功率发射模块、磁电回旋器和整流模块，包括功率发射模块、磁电回旋器和整流模块，功率发射模块可选用函数信号发生器1；所述磁电回旋器包括圆片状磁电复合结构换能器和平面螺旋线圈，平面螺旋线圈放置在圆片状磁电复合结构换能器的一侧，平面螺旋线圈的输入端口与功率发射模块相连接，平面螺旋线圈与圆片状磁电复合结构换能器相配合，圆片状磁电复合结构换能器的输出端口与整流模块相连接，平面螺旋线圈2提供纵向的发射磁场，借助磁电回旋器的高效磁-电能量互逆转换特性，该磁场被圆形磁电回旋器的铁氧体磁致伸缩材料捕获并转化为动态应变传递至压电层，历经磁场-机械振动-电压的高效能量转换，最后经整流电路模块完成电能无线传输。

平面螺旋线圈由利兹线逐圈绕制而成，平面螺旋线圈由利兹线在保持每圈严格共面的条件下逐圈绕制而成，其两端作为无线电能传输系统的能量输入端口，其外径和内径分别为40mm和5mm，线圈材质为利兹线。

所述磁电复合结构换能器3的圆心与平面螺旋线圈2的圆心处于同一直线上，保证最大限度收集感应磁场并激发高效的磁电能量转换；磁电回旋器中磁电复合结构换能器的两侧设置有两块永磁体，两块永磁体为磁电复合结构换能器提供静态偏置磁场。

所述磁电复合结构换能器为圆片状对称型结构，磁电复合结构换能器包括两层磁致伸缩材料31和一层压电陶瓷材料32，两层磁致伸缩材料31对称分布在压电陶瓷材料32上表面和下表面上；所述压电陶瓷材料上表面和下表面均引出两组导线作为输出端口，平面螺旋线圈两端作为输入端口，平面螺旋线圈、两层磁致伸缩材料、压电陶瓷材料和四组导线整体组成具有四线-双端口结构的磁电回旋器。

所述磁致伸缩材料为稀土钐掺杂的镍锌铁氧体块体材料Ni_0.8Zn_0.2Sm_0.02Fe_1.98O₄，压电陶瓷材料为大功率压电圆形陶瓷片PbaS-4，磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的层厚相同，压电陶瓷材料的上下表面均覆盖有银电极。

磁电回旋器的具体制备方法包括以下步骤：（1）将切割好的磁致伸缩材料薄片经600#细砂纸打磨，并用丙酮清洗去表面杂质及氧化层后待用；（2）利用超真空磁控溅射机将PZT-8压电陶瓷薄层表面均匀溅射30μm的银电极。（3）将PZT-8压电陶瓷薄片的银电极引出，用导电胶将铜质漆包线与银电极面涂抹均匀后放入80°C的恒温箱内4小时，取出后自然冷却至室温待用；（4）将引出银电极的压电陶瓷与磁致伸缩材料薄片用环氧树脂胶层合黏结后放入120°C的恒温箱内烘烤2h，即制成磁电复合结构换能器；（5）在磁电复合换能器上用铜质漆包线均匀密绕260匝，即制成磁电回旋器。

本实用新型通过圆片形磁电层复合结构换能器作为核心换能单元并与平面螺旋线圈构成四线-双端口的磁电回旋器件，利用了回旋器的高效且稳定的I-V转换特性实现功率的高效传输。具体来讲，当交变电流施加于平面螺旋线圈，线圈会产生一个近似垂直于线圈平面方向的磁场，圆形的磁致伸缩层感应到磁场后会产生一个径向的应变，从而带动压电层完成应变的传递并输出电压，这一过程历经磁-机-电的转换并导致了I-V的直接回旋效应。需要强调的是，利兹线平面载流线圈和磁电复合换能器两者是相互独立的，并且可以通过调节载流线圈的有效磁场来提高磁电回旋器与载流线圈之间的有限传输距离。与相比传统的线圈耦合式无线电能传输方式相比，在核心换能单元中具有高磁导率的铁氧体材料将更加利于有效磁场的捕获，而且无线电能传输的传输效率和传输稳定性也被大幅提升。不仅如此，平面螺旋线圈与核心换能器件的分离式结构增加了电能传输可移动的灵活性。

实施例2：基于磁电回旋器的无线电能传输系统的工作方法，包括以下步骤：

S1、首先通过信号发生器施加高频电流到平面螺旋线圈上，平面螺旋线圈产生高频交变磁场，信号发生器施加的高频电流频率与磁电复合结构换能器的固有谐振频率一致；

S2、磁电复合结构换能器中的磁致伸缩材料层在高频交变磁场作用下产生沿磁致伸缩材料层径向的应变力，应变力通过磁致伸缩材料层界面耦合作用在压电陶瓷材料层产生交变电压；

S3、交变电压穿过压电陶瓷材料层上的银电极和压电陶瓷材料表面引出的四组导线导出高频交变电流，高频交变电流通过桥式整流电路模块整流处理输出直流电流，这种直接的回旋效应使得了磁电回转器的实现了电流-电压之间的转换，重要的是，在转换过程中，磁电回旋器中的铜载流线圈和磁电复合换能器是非接触并且相互独立的，这最终使得磁电回旋器实现了无线电能的传输。

基于磁电回旋器的无线电能传输传输系统表征过程中主要表征的2个关系图：

（1）当保持平面螺旋线圈自身的电感、自身等效电阻及激励电流谐振频率保持不变时，通过距离调节旋钮调整调节架上磁电复合结构换能器的高度，减少磁电符合结构换能器与平面螺旋线圈间距时，无线电能传输系统中磁能损耗降低，电能传输效率提高；

即在保持线圈自身的自感、自身等效电阻及激励电流谐振频率不变时，此时具有高磁导率的磁电回旋器所捕获的感应磁场的大小主要受传输距离的影响，因此为了探究系统轴向传输距离特性，实验通过改变线圈与磁电回旋器之间的传输距离并对其参数进行扫描测试，在输入功率为0.1W，激励线圈与磁电回旋器的初始距离为0.1cm的条件下，沿轴向每增大间距0.1cm即测量一次负载侧的电压以计算功率，直至两者之间轴向距离为6cm为止。

实验结果如图2所示，可以判断在相同的条件下，改变激励线圈与磁电回旋器之间的轴向传输距离将会影响无线电能传输系统的传输效率。这是由于相对于低磁导率的空气作为非接触式磁路而言，磁电回旋器由具有高磁导率的磁电复合材料构成，当其靠近正在工作的激励线圈时可以汇聚更多的感应磁场，增强磁致伸缩层与压电层之间的磁机电耦合并降低磁能损耗，这样使得系统的传输效率大大提高。

（2）实验通过固定输入功率，分别测试了在20min内磁电回旋器输入功率为0.1W、0.2W、0.5W及1W时的其输出侧的输出功率。

实验结果如图3所示，显示在0-20min之内，尽管输入功率的增加会小幅降低输出功率的稳定性，通过研究分析发现，许多电能传输系统在启动时可能是不稳定的，需要经过一段预热期后可能稳定下来。因此相比而言，磁电回旋器在20min之内其输出功率趋近平稳，总体呈现一个稳定工作的状态，这种高稳定性的性能将使磁电回旋器在微小型器件中的电能传输得到广泛的应用。

综上，在与磁电复合结构换能器固有谐振频率相同的交变磁场激励下，实验对系统轴向传输距离的特性进行了测试，实验结果证实了在0.1-6cm内系统的传输效率可维持在50%以上；且稳定的传输工作时间可达到20min。根据实验数据直接证明了本文所设计的基于磁电回旋器的无线电能传输系统方案的合理性。这种新型的无线电能传输方式与传统的线圈耦合式无线电能传输方式相比，不仅具有机械损耗低及较高的电能转换效率等优点，由于代替传统线圈的磁电回旋器具有较高的磁导率，所以磁电回旋器在完成对感应磁场捕获的同时大大节省了空间在紧凑型功率传输电子器件中有较高的潜在应用价值。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于磁电回旋器的无线电能传输系统，其特征在于，包括功率发射模块、磁电回旋器和整流模块；所述磁电回旋器包括圆片状磁电复合结构换能器和平面螺旋线圈，平面螺旋线圈放置在圆片状磁电复合结构换能器的一侧，平面螺旋线圈的输入端口与功率发射模块相连接，平面螺旋线圈与圆片状磁电复合结构换能器相配合，圆片状磁电复合结构换能器的输出端口与整流模块相连接。

2.根据权利要求1所述的基于磁电回旋器的无线电能传输系统，其特征在于，所述磁电复合结构换能器为圆片状对称型结构，磁电复合结构换能器包括两层磁致伸缩材料和一层压电陶瓷材料，两层磁致伸缩材料对称分布在压电陶瓷材料上表面和下表面上，压电陶瓷材料上表面和下表面均引出两组导线作为输出端口，平面螺旋线圈两端作为输入端口，平面螺旋线圈、两层磁致伸缩材料、压电陶瓷材料和四组导线整体组成具有四线-双端口结构的磁电回旋器。

3.根据权利要求1或2所述的基于磁电回旋器的无线电能传输系统，其特征在于，所述平面螺旋线圈由利兹线逐圈绕制而成。

Images