專利名稱：基于自諧振電磁感應耦合的無線能量傳輸裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于無線通信技術領域，涉及無線能量傳輸，尤其涉及一種利用線圈自諧振提高電磁感應耦合無線能量傳輸裝置。該裝置可應用在各類電子產品的無線充電和無線供電系統中，當傳輸距離固定時，采用本裝置可提高能量傳輸效率，當傳輸效率要求一定時，可顯著提高能量傳輸的距離。
背景技術：
自1840年電磁感應定律被發現以來，人們便開始了對無線技術的研究，以網絡為主的通信技術已經完成了從有線到無線的飛躍，然而能量的無線傳輸發展的極為緩慢，以至于當前幾乎所有的充電或實際進行電力傳輸時都必須用有形介質，如使用金屬導線作為主要連接才能進行，比如計算機、電視、臺燈等，這在一定程度上增加了布線的煩瑣過程， 也占用了很大的空間，使得需要以電力作為動力的電器設備，其擺設位置受到影響，為了克服這一缺點，就對能量的傳輸技術提出了很高的要求。目前，無線能量傳輸技術有三個研究方向，分別為微波/激光方式無線能量傳輸、 感應耦合能量傳輸和磁共振耦合式無線能量傳輸。微波/激光方式無線能量傳輸技術就是利用微波源或激光器把直流電轉變為微波或激光，然后由天線發射出去。大功率的電磁射束通過自由空間后被接收天線收集，經微波或激光整流器后重新轉變為直流電。自20世紀80年代以來，美國、日本和歐洲等國都把這一技術作為解決本國能源短缺的一種重要手段，進行了大量的研究與試驗。該技術的缺點是高功率輻射對發射裝置的定向性要求極高，并且產生的電磁輻射/激光光束會對人和動物造成巨大危害。感應耦合能量傳輸技術是將兩個線圈放置于鄰近位置上，當電流在一個線圈中流動時，所產生的磁通量成為媒介，導致另一個線圈中也產生電動勢。國際上，日本、新西蘭、德國、英國和美國等國家相繼投入了一定的技術力量和經費從事該技術及系統的研究和實用化產品開發，并已有實物產品出現。該技術的缺點是難以克服距離的限制，能量傳輸距離只能在Icm以內，源與負載幾乎需要緊貼在一起。磁共振耦合無線能量傳輸技術是于2006年11月在美國物理學會工業物理論壇上首次提出的，理論性的分析了在非輻射場通過諧振耦合的方式實現中距離能量傳輸的可能性。2007年7月6日，美國麻省理工學院MIT的索爾賈希克教授領導的6人小組在〈〈Science〉〉雜志上發表了一篇文章〈〈Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances》。他們基于電磁諧振原理，成功地“隔空”點亮了離電源兩米多遠處的一個60瓦燈泡。在該實驗中，發射器發射的能量有40%到50%傳輸到負載，無線傳輸裝置的有效工作距離最遠達到2. 74米。它是根據兩個具有相同諧振頻率的物體能夠耦合，而與環境中的其他非諧振物體的相互作用很小，對人和其他生物體造成的影響較小。該技術的缺點是需要有兩個諧振線圈，體積龐大，設計復雜，難以應用于實際。
發明內容
本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提供一種基于自諧振電磁感應耦合的無線能量傳輸裝置，以大幅提高兩金屬環間單純的電磁感應耦合能量傳輸的效率，并減小設備體積和輻射能量，避免對人和動物的身體造成影響。實現本發明目的技術方案是，對電磁感應耦合與磁共振耦合進行折中，整個裝置包括激勵部件、諧振部件以及一個負載部件，激勵部件外接高頻振蕩電路，其產生高頻磁場穿過諧振部件激發諧振部件產生諧振，并將諧振能量傳輸給負載部件產生感應電動勢， 其特征在于諧振部件采用單個金屬線圈，且位于激勵部件與負載部件之間。該單個金屬線
圈自身具有分布電感L與分布電容C，在滿足工作頻率:/。= ^^時，構成一個自諧振結
構，即當激勵部件產生的交變磁場的頻率為fo時，線圈發生自諧振，其電流分布沿著導線的長度按正弦形式分布，且導線兩端電流為0。所述的激勵部件和負載部件采用銅質金屬圓環，這兩個環的半徑為Icm至10cm， 線徑為Imm至4mm。所述的單個金屬線圈，采用管狀螺旋線圈結構，該管狀螺旋線圈的匝數為5. 5，螺距為3. 6cm，線徑為Imm至4mm，截面半徑為30cm，其工作頻率為10. 0 士 0. 5MHz。所述的單個金屬線圈，進一步采用平面漸近線螺旋結構，其初始半徑為10cm，截止半徑為15cm，匝數為5，線徑為Imm至4mm，工作頻率為22. 5 士 0. 5MHz。本發明與現有技術相比具有以下優點1.結構簡單。本發明與磁共振耦合無線能量傳輸方式的傳輸裝置相比，由于只使用單個諧振線圈，所以在實際應用時可以將激勵環與單個諧振線圈嵌入到地面、墻壁或是桌面中，將負載部件嵌入到用電設備中，大大簡化了系統的復雜性。2.輻射小。本發明與微波/激光方式無線能量傳輸技術相比，由于采用磁諧振原理，利用的是磁場傳遞能量，所以產生的輻射極小，可避免對人和動物造成影響。3.效率高，傳輸距離遠。本發明與電磁感應無線能量傳輸方式的傳輸裝置相比，由于采用單線圈自諧振方式，所以系統的傳輸效率與距離都遠遠大于單純的電磁感應耦合方式。
圖1為本發明第一實施例系統圖。 圖2為本發明諧振部件采用的管狀螺旋線圈結構圖。 圖3為本發明第二實施例的系統圖。 圖4為本發明諧振部件采用的平面漸近線螺旋線圈結構圖。圖5為本發明諧振部件的等效模型圖；
圖6為本發明的理論等效電路圖；
圖7為本發明第一實施例在非諧振頻率時的效率曲線圖； 圖8為本發明第一實施例效率關于距離的變化曲線；
圖9為本發明第二實施例效率關于距離的變化曲線。
具體實施例方式以下參照附圖對本發明進行詳細描述技術原理本發明主要由激勵部件1、諧振部件2和負載部件3組成，激勵部件1外接高頻振蕩電路，負載部件3外接負載電路，諧振部件2位于激勵部件1與負載部件3之間。諧振部件2可等效看為如圖5所示的模型，其中圓環表示電感，兩圓板表示電容。構成本發明的三個部件其理論等效電路如圖6所示，其中圖6(a)為激勵部件1的等效電路，圖6(b)為諧振部件2的等效電路，圖6(c)為負載部件3等效電路。圖6(a)中的Vs表示激勵源的電壓， Rtl表示激勵源的內阻，&表示激勵部件1的電阻，La表示激勵部件1的電感，用、來表示激勵部件1上的電流；圖6(b)中&表示諧振部件2的分布電阻，Ls表示它的分布電感，Cs表示它的分布電容，用is表示諧振部分2上的電流分布；圖6(c)中負載部件3中各個參數所代表的物理意義激勵部件1中的相似，&表示負載電阻，即需要供能的負載電路。激勵部件 1外接高頻振蕩電路，其產生高頻磁場穿過諧振部件2激發其產生諧振，并將該諧振能量傳輸給負載部件3產生感應電動勢，負載部件3外接負載電路，為負載電路進行供電，以實現無線能量傳輸。諧振部件2的線圈發生自諧振時，其電流分布沿著導線的長度按正弦形式分布，且導線兩端電流為0。本發明根據諧振部件2的不同結構，給出如下兩種實施例。實施例1參照圖1，本發明第一實施例中激勵部件1、負載部件3均采用線徑為4mm的銅線做成兩個半徑均為r = IOcm的單匝環狀線圈，但不限于半徑相同的單匝環狀線圈，例如也可采用不同半徑的多匝環狀線圈或矩形線圈；諧振部件2采用如圖2所示的單個管狀螺旋線圈，該線圈的匝數為η = 5. 5，螺距為DH = 3. 6cm，線徑為4mm，截面半徑為R = 30cm，材質為銅或銀，該管狀螺旋線圈的工作頻率&由自身的分布電感Ls與分布電容Cs共同決定，
, 1
即0 = In^LsC，在本實施例中，工作頻率為f。= 10. 0 士 0. 5MHz。諧振部件2與激勵部件
1的距離為3. 6cm,并保持固定；激勵部件1與負載部件3的距離可在0cm-70cm范圍內自由移動。負載部件C3)位于管狀螺旋線圈的內部，不影響其高效傳輸能量。工作時，作為激勵部件1的單匝環狀線圈與外部輸出阻抗50Ω的高頻振蕩電路連接，作為激勵部件1的單匝環狀線圈與需要供能的負載電路連接。調整高頻振蕩電路使激勵部件1獲得一個指定頻率的交變電流iA，從而使其等效電感La產生一個指定頻率的高頻磁場，當且僅當指定頻率為f^時的高頻磁場穿過所述的諧振部件2時，其管狀螺旋線圈自身的分布電感Ls與分布電容Cs組成的諧振系統將發生自諧振，線圈自諧振時會產生強大的磁場，該磁場耦合到作為負載部件3的單匝環狀線圈的等效電感Lb上，使該線圈產生感應電流iB，并產生感應電動勢，為需要的負載電路進行供電，即向負載電路傳輸能量。實施例2參照圖3，本發明的中激勵部件1、負載部件3均采用線徑為4mm的銅線做成兩個半徑均為r = 6cm的單匝環狀線圈，但不限于單匝環狀線圈，但不限于半徑相同的單匝環狀線圈，例如也可采用不同半徑的多匝環狀線圈或矩形線圈；本發明的諧振部件2采用如圖4 所示的平面漸近線螺旋線圈，該線圈的匝數為η = 5，螺距為DH = 1cm，線徑為4mm，初始半徑Rs = 10cm，截止半徑Re = 15cm，材質為銅，其工作頻率為fQ = 22. 5士0. 5MHz。諧振部件2與激勵部件1的距離為1cm，并保持固定；負載部件3與激勵部件1的距離可在0cm-20cm范圍內自由移動，平面漸近線螺旋線圈與負載部件(3)之間的距離為0 時，即負載部件(3)位于平面漸近線螺旋線圈的中心，不影響其高效傳輸能量。工作時，作為激勵部件1的單匝環狀線圈與外部輸出阻抗50Ω的高頻振蕩電路連接，作為激勵部件1的單匝環狀線圈與需要供能的負載電路連接。調整高頻振蕩電路使激勵部件1獲得一個指定頻率的交變電流iA，從而使其等效電感La產生一個指定頻率的高頻磁場，當且僅當頻率為&的高頻磁場穿過所述的諧振部件2時，其平面漸近線螺旋線圈自身的分布電感Ls與分布電容Cs組成的諧振系統將發生自諧振，線圈自諧振時會產生強大的磁場，該磁場耦合到作為負載部件3的單匝環狀線圈的等效電感Lb上，使該線圈產生感應電流iB，并產生感應電動勢，為需要的負載電路進行供電，即向負載電路傳輸能量。上述兩種實施例在實際使用時，可將激勵部件1與諧振部件2嵌入到地面、墻壁、 桌面中或直接做成外部設備，負載部件3可作為外部設備或直接嵌入到用電設備中進行供能。本發明的實施效果可通過計算機數值仿真計算進一步說明仿真1，是對實施例1不在諧振頻率的具體仿真，計算其傳輸效率，其余參數設置均與實施例1所述的一致，諧振部件2與激勵部件1的距離為3. 6cm,并保持固定；激勵部件1與負載部件3的距離從Ocm到70cm逐漸增大。將裝置的激勵端與負載端都調整成阻抗匹配狀態，即阻抗為50 Ω，設置激勵部件1上的頻率為IGHz，因其不在工作頻率&，所以諧振部件2不發生自諧振，仿真其傳輸的效率如圖7所示，其中η表示能量傳輸的效率，其中實線表示單純電磁感應耦合的傳輸效率關于距離的曲線，實點表示加入線圈后傳輸效率關于距離的曲線，從圖7可以看到，本發明在非諧振頻率時與傳統感應耦合并無多大區別。仿真2，是對實施例1在諧振頻率時的具體仿真，計算其傳輸效率，所有參數設置均與實施例1所述的一致，諧振部件2與激勵部件1的距離為3. 6cm,并保持固定；激勵部件1與負載部件3的距離從Ocm到70cm逐漸增大。將裝置的激勵端與負載端都調整成阻抗匹配狀態，即阻抗為50 Ω，設置激勵部件1上的頻率為10. 065MHz,即為諧振部件2的工作頻率f(1，所以諧振部件2發生自諧振，仿真其傳輸的效率如圖8所示，其中η表示能量傳輸的效率，從圖8可以看到在20cm距離內都有大于70%的能量傳輸效率，在35cm距離內都有大于50%的傳輸效率。仿真3，是對實施例2的具體仿真，計算其傳輸效率，所有參數設置均與實施例2所述的一致，諧振部件2與激勵部件1的距離為1cm，并保持固定；激勵部件1與負載部件3 的距離從Ocm到20cm逐漸增大。將裝置的激勵端與負載端都調整成阻抗匹配狀態，即阻抗為50 Ω，設置激勵部件1上的頻率為22. 7MHz,因其為諧振部件2的工作頻率&，所以諧振部件2發生自諧振，仿真其傳輸的效率如圖9所示，其中η表示能量傳輸的效率，從圖9可以看出，本發明在IOcm距離內都有大于50%的能量傳輸效率。以上仿真結果表明，本發明與單純電磁感應耦合相比，其傳輸效率與距離均得到了大幅的提高。
權利要求
1.一種基于自諧振電磁感應耦合的無線能量傳輸裝置，包括激勵部件(1)、諧振部件 (2)以及負載部件(3)，激勵部件(1)外接高頻振蕩電路，其產生高頻磁場穿過諧振部件 (2)激發其產生諧振，并將諧振能量傳輸給負載部件C3)產生感應電動勢，其特征在于諧振部件(2)采用單個管狀螺旋線圈，它與激勵部件(1)和負載部件(3)之間的距離分別是 0cm-4cm和0cm-70cm ；該單個管狀螺旋線圈自身具有分布電感L與分布電容C，在滿足工作頻率/。=^IP時，構成一個自諧振結構，即當激勵部件(1)產生的交變磁場的頻率為f0時，管狀螺旋線圈發生自諧振所產生的磁場耦合到負載部件C3)上，產生感應電動勢。
2.根據權利要求1所述的無線能量傳輸裝置，其特征在于激勵部件(1)和負載部件 ⑶均采用銅質金屬圓環，這兩個環的半徑為Icm至10cm，線徑為Imm至4mm。
3.根據權利要求1所述的無線能量傳輸裝置，其特征在于管狀螺旋線圈以線徑為 Imm至4mm的銅質導線繞制，其匝數為5. 5，螺距為3. 6cm，截面半徑為30cm，其工作頻率為 10. 0 士 0. 5MHz。
4.根據權利要求1所述的無線能量傳輸裝置，其特征在于負載部件(3)位于管狀螺旋線圈的內部，工作狀態不發生改變。
5.一種基于自諧振電磁感應耦合的無線能量傳輸裝置，包括激勵部件(1)、諧振部件 ⑵以及負載部件(3)，激勵部件⑴外接高頻振蕩電路，其產生高頻磁場穿過諧振部件(2) 激發其產生諧振，并將諧振能量傳輸給負載部件C3)產生感應電動勢，其特征在于諧振部件(2)采用單個平面漸近線螺旋線圈，它與激勵部件(1)和負載部件(3)之間的距離分別是0cm-2cm和0cm-20cm ；該單個平面漸近線螺旋線圈自身具有分布電感L與分布電容C，在滿足工作頻率/o =構成一個自諧振結構，即當激勵部件(1)產生的交變磁場的頻率為fo時，平面漸近線螺旋線圈發生自諧振所產生的磁場耦合到作為負載部件(3)上， 產生感應電動勢。
6.根據權利要求5所述的無線能量傳輸裝置，其特征在于激勵部件(1)和負載部件 ⑶均采用銅質金屬圓環，這兩個環的半徑為Icm至10cm，線徑為Imm至4mm。
7.根據權利要求5所述的無線能量傳輸裝置，其特征在于平面漸近線螺旋線圈以線徑為Imm至4mm的銅質導線繞制，其匝數為5，初始半徑為10cm，截止半徑為15cm，其工作頻率為 22. 5 士 0. 5MHz。
8.根據權利要求5所述的無線能量傳輸裝置，其特征在于平面漸近線螺旋線圈與負載部件(3)之間的距離為0時，即負載部件(3)位于平面漸近線螺旋線圈的中心，工作狀態不發生改變。
全文摘要
本發明公開了一種基于自諧振電磁感應耦合的無線能量傳輸裝置，主要解決現有電磁感應耦合式無線能量傳輸裝置在較遠距離時能量傳輸效率低的問題。它包括激勵部件(1)、諧振部件(2)以及一個負載部件(3)，激勵部件(1)外接高頻振蕩電路，負載部件(3)外接負載電路，諧振部件(2)采用單個管狀螺旋線圈或單個平面漸近線螺旋線圈，且位于激勵部件(1)與負載部件(3)之間，激勵部件(1)產生高頻磁場穿過諧振部件(2)激發其產生諧振，并將諧振能量傳輸給負載部件(3)產生感應電動勢，為外接負載電路輸送電能。本發明具有效率高、結構簡單和輻射小的優點，可用于對各種電子設備的無線充電與供電。
文檔編號H02J17/00GK102255399SQ20111019374
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月12日 優先權日2011年7月12日
發明者余世星, 李龍, 范迎春 申請人:西安電子科技大學