專利名稱：基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，屬于磁耦合諧振式無線能量傳輸技術領域。
背景技術：
無線能量傳輸技術由于具有安全性、便捷性和廣闊的應用前景而備受關注，目前已逐步開始替代了傳統的導線能量傳輸方式。利用電磁場進行的無線能量傳輸主要可以分為電磁感應式和磁耦合諧振式。電磁感應式無線能量傳輸一般采用傳統E型或者罐型等傳統磁芯，往往體積和重量比較大，并且傳輸距離較近，大大地限制了它的應用。而無磁芯結構的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，例如，公開號為CN101316053，
公開日為2008年12月3日的中國專利《磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置》，存在不能夠滿足用電設備對大功率的要求的缺陷。
發明內容
本發明是為了解決現有磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置的只能進行小功率能量傳輸的問題，提供一種基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置。本發明所述基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，它包括能量供給電路，它還包括諧振控制電路、線圈驅動電路、能量發射側電容器組、能量發射子系統、能量接收子系統、能量接收側電容器組、接收能量轉換電路，能量供給電路的輸出直流電壓作為線圈驅動電路的直流母線電壓Vd。，線圈驅動電路在諧振控制電路產生的脈沖驅動信號的控制下，輸出頻率為f，幅值為正負vd。的交流方波信號，該交流方波信號施加到由能量發射側電容器組和能量發射子系統的發射線圈組成的諧振回路上，所述交流方波信號頻率與該諧振回路的頻率一致，從而產生諧振，使該發射線圈產生磁場能量；能量接收側電容器組和能量接收子系統的接收線圈組成的諧振回路與能量發射子系統發射的磁場進行磁耦合諧振，在能量接收子系統的接收線圈上產生電能，該電能發送給接收能量轉換電路，由接收能量轉換電路將其輸入信號轉換成負載所需直流電源電壓信號。所述能量發射子系統和能量接收子系統的結構相同，能量發射子系統由屏蔽鋁板、絕緣板、平板磁芯、兩個卡板和傳輸線圈組成，屏蔽鋁板上居中設置絕緣板，絕緣板上居中設置平板磁芯，平板磁芯的兩端分別通過一個卡板固定在絕緣板上，傳輸線圈固定在平板磁芯上；能量發射子系統和能量接收子系統相對設置，且所述能量發射子系統和能量接收子系統之間留有均勻的氣隙。所述傳輸線圈固定在平板磁芯的氣隙側表面，所述傳輸線圈是螺旋環形纏繞的平板形線圈，并且所述平板形線圈的外形與平板磁芯的外形相同；或者所述傳輸線圈螺旋環繞纏繞在平板磁芯上；所述能量發射子系統和能量接收子系統的平板磁芯的氣隙側表面分別為正多邊形、圓形或橢圓形。所述平板磁芯的材料為鐵磁性的金屬氧化物；平板磁芯的厚度范圍為Imm至 IOOmm0所述平板磁芯的材料為鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體。所述平板磁芯的相對磁導率范圍為1000至10000。所述傳輸線圈采用絞制的相互絕緣的的奇數束極細漆包線或絲包線相互并聯制成，每束極細漆包線或絲包線包括兩股進線和兩股出線。所述線圈驅動電路為高頻全橋逆變電路；所述接收能量轉換電路為高頻整流及 DC/DC變換電路。所述能量發射子系統的平板磁芯的氣隙側表面的面積大于或等于能量接收子系統的平板磁芯的氣隙側表面的面積。所述能量發射側電容器組和能量接收側電容器組采用的電容均為小體積高頻高壓金屬化薄膜電容，能量發射側電容器組和能量接收側電容器組均采用電容陣列的方式構成。本發明的優點是本發明的核心部分為由能量發射子系統和能量接收子系統兩部分組成能量傳輸系統，其中能量發射部分在線圈驅動電路的驅動下達到設定頻率，向外界發出同一頻率的交變磁場，能量接收部分由于振動頻率相同從而產生諧振接收磁場能量， 實現了能量無線傳遞。本發明與電磁感應式無線能量傳輸技術相比，減小了裝置體積，大大提升了傳輸距離和效率；與無磁芯結構的磁耦合諧振式無線能量傳輸技術相比，降低了工作頻率，減少了磁場的輻射，大大提升了傳輸功率，實現了較遠的距離上的大功率高效率傳輸。本發明的傳輸距離范圍為50mm-500mm，諧振頻率范圍為ΙΟΚΗζ-ΙΜΗζ，傳輸功率為
O.5KW-50KW。本發明裝置體積小，便于安裝，并且能量發射子系統與能量接收子系統之間可以承受大范圍的錯位，能夠實現效率達90%以上的高效數千瓦級大功率無線能量傳輸。
圖I為本發明的結構示意圖；圖2為實施方式三所述的傳輸線圈固定在磁芯的氣隙側表面的結構示意圖；圖3為圖2的仰視圖；圖4為實施方式三所述的傳輸線圈螺旋環繞纏繞在磁芯上的結構示意圖；圖5為圖4的仰視圖；圖6為線圈驅動電路的電路結構圖；圖7為接收能量轉換電路的電路結構示意圖；圖8為能量發射側電容器組或能量接收側電容器組的結構示意圖；圖9為能量發射側電容器組或能量接收側電容器組的電路原理圖；圖10為能量源傳遞到磁芯上傳輸線圈的傳輸線示意圖；圖11為傳輸線圈的傳輸線的橫向剖面圖；符號“ · ”和“ X ”表不電流方向；
圖12為傳輸線圈的傳輸線上的電流分布每一不意圖；圖13為傳輸線圈的傳輸線上的電流分布每二示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖I說明本實施方式，本實施方式所述基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，它包括能量供給電路1，它還包括諧振控制電路2、線圈驅動電路3、能量發射側電容器組4、能量發射子系統5、能量接收子系統6、能量接收側電容器組7、接收能量轉換電路8，能量供給電路I的輸出直流電壓作為線圈驅動電路3的直流母線電壓Vd。，線圈驅動電路3在諧振控制電路2產生的脈沖驅動信號的控制下，輸出頻率為f，幅值為正負Vd。的交流方波信號，該交流方波信號施加到由能量發射側電容器組4和能量發射子系統5的發射線圈組成的諧振回路上，所述交流方波信號頻率與該諧振回路的頻率一致，從而產生諧振，使該發射線圈產生磁場能量；能量接收側電容器組7和能量接收子系統6的接收線圈組成的諧振回路與能量發射子系統5發射的磁場進行磁耦合諧振，在能量接收子系統6的接收線圈上產生電能，該電能發送給接收能量轉換電路8，由接收能量轉換電路8將其輸入信號轉換成負載所需直流電源電壓信號。所述接收能量轉換電路8輸出的直流電源電壓信號直接用于給負載9供電。本實施方式中，能量發射子系統5、能量接收子系統6在進行能量傳輸時，允許相互之間有大范圍的非對齊錯位。諧振控制電路2能夠從整體上控制無線能量傳輸裝置的運行、停止及能夠穩定功率的傳輸。本發明裝置工作在磁耦合諧振狀態，能量發射子系統5 與能量接收子系統6之間具有高品質因數，由強耦合諧振的磁場傳遞能量。能量發射子系統5的傳輸線圈與能量接收子系統6的傳輸線圈間具有高耦合系數，隨著二者之間距離的增加，耦合系數會逐漸減小。當能量發射側電容器組4、能量發射子系統5、能量接收子系統 6和能量接收側電容器組7工作在磁耦合諧振狀態，其電壓電流均為標準正弦波，電壓電流相位差為零，即，對外表現為純阻性，并且負載上功率達到最大。所述負載9為移動設備、裝置或可充電電池。諧振控制電路2，首先產生脈寬調制(PWM)驅動信號，其次經過一級推挽互補電路增大信號的驅動電流，最后經過二級專用隔離驅動模塊接至MOSFET控制端，PWM驅動信號占空比可調,調節范圍5% -95%，頻率可調，調節范圍0-ΙΜΗζ。能量發射部分，在線圈驅動電路3的驅動下達到設定頻率，向外界發出該頻率的交變磁場，其能量由能量供給電路I提供，同時諧振控制電路2控制整個設備的運行停止以及功率的穩定傳輸；能量接收部分，接收磁場能量并進行能量轉換，最終在負載9上獲得所需要的電壓電流功率值。圖I中的虛線箭頭示意了傳輸過程中的磁力線分布。
具體實施方式
二 下面結合圖2至圖5說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一的進一步說明，所述能量發射子系統5和能量接收子系統6的結構相同，能量發射子系統5由屏蔽鋁板5-1、絕緣板5-2、平板磁芯5_3、兩個卡板5_4和傳輸線圈5-5組成，屏蔽招板5_1上居中設置絕緣板5-2,絕緣板5_2上居中設置平板磁芯5_3，平板磁芯5-3的兩端分別通過一個卡板5-4固定在絕緣板5-2上，傳輸線圈5-5固定在平板磁芯5-3上；能量發射子系統5和能量接收子系統6相對設置，且所述能量發射子系統5和能量接收子系統6之間留有均勻的氣隙。本實施方式中所述平板磁芯5-3的外型為薄型平板狀，其兩個底面中至少有一面為平整面，由一塊完整磁芯或多個小型磁芯部件粘合構成。屏蔽鋁板5-1具有屏蔽磁場的作用，防止外界設備的干擾。屏蔽鋁板5-1的厚度為O. 5_-5_。所述平板磁芯5-3背面附有材料為絕緣電木板的絕緣板。絕緣板5-2起到支撐和絕緣的作用；平板磁芯5-3兩側用非金屬卡板5-4加以固定，防止應用中產生的振蕩；整個能量發射子系統5最后通過非磁性材料的固定螺栓進行安裝固定。
具體實施方式
三下面結合圖2至圖5說明本實施方式，本實施方式為對實施方式二的進一步說明，所述傳輸線圈5-5固定在平板磁芯5-3的氣隙側表面，所述傳輸線圈5-5 是螺旋環形纏繞的平板形線圈，并且所述平板形線圈的外形與平板磁芯5-3的外形相同； 或者所述傳輸線圈5-5螺旋環繞纏繞在平板磁芯5-3上；所述能量發射子系統5和能量接收子系統6的平板磁芯5-3的氣隙側表面分別為正多邊形、圓形或橢圓形。所述的平板磁芯5-3上傳輸線圈5-5分為平面螺旋和纏繞螺旋兩種方式。平板磁芯5-3可選擇為對稱形狀。
具體實施方式
四本實施方式為對實施方式二或三的進一步說明，所述平板磁芯 5-3的材料為鐵磁性的金屬氧化物；平板磁芯5-3的厚度范圍為Imm至100mm。平板磁芯5-3為鐵磁性的金屬氧化物指平板磁芯5-3為軟磁鐵氧體。
具體實施方式
五本實施方式為對實施方式二或三的進一步說明，所述平板磁芯 5-3的材料為鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體。
具體實施方式
六本實施方式為對實施方式二、三、四或五的進一步說明，所述平板磁芯5-3的相對磁導率范圍為1000至10000。
具體實施方式
七下面結合圖10至圖13說明本實施方式，本實施方式為對實施方式二、三、四、五或六的進一步說明，所述傳輸線圈5-5采用絞制的相互絕緣的的奇數束極細漆包線或絲包線相互并聯制成，每束極細漆包線或絲包線包括兩股進線和兩股出線。所述單根漆包線的線徑小于或者等于O. 5mm。漆包線束最外層用絕緣管或阻燃絲纏繞。所述的傳輸線圈5-5結構，在最大程度上減小了相鄰導線間的不均勻分布電流。
具體實施方式
八下面結合圖6和圖7說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一、二、三、四、五、六或七的進一步說明，所述線圈驅動電路3為高頻全橋逆變電路；所述接收能量轉換電路8為高頻整流及DC/DC變換電路。所述接收能量轉換電路8將高頻交流電變為直流，其次對直流電進行脈寬調制信號控制的DC/DC變換，將電壓升壓或降壓至所需值，從而達到用電設備的要求。接收能量轉換電路8的高頻整流橋，采用高頻薄膜電容作為整流濾波電容。
線圈驅動電路3為高頻全橋逆變電路，為全橋工作模式，所用功率器件為N溝道 MOSFET, MOSFET器件采用RCD吸收回路與直流母線電容雙吸收的方式，有效的提高了裝置的傳輸功率和效率。
具體實施方式
九本實施方式為對實施方式二、三、四、五、六、七或八的進一步說明，所述能量發射子系統5的平板磁芯5-3的氣隙側表面的面積大于或等于能量接收子系統6的平板磁芯5-3的氣隙側表面的面積。
具體實施方式
十下面結合圖8和圖9說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九的進一步說明，所述能量發射側電容器組4和能量接收側電容器組7采用的電容均為小體積高頻高壓金屬化薄膜電容，能量發射側電容器組4和能量接收側電容器組7均采用電容陣列的方式構成。所述多個電容串并聯至所需的諧振電容值，能量發射側電容器組4與能量接收側電容器組7采用串聯或并聯結構。本發明利用了磁耦合振式無線能量傳輸技術，采用一定距離上的兩個具有相同的特定諧振頻率的電磁系統，其由于振動頻率相同而產生諧振，進行能量傳遞。保持了磁耦合振式無線能量傳輸技術傳輸效率高、品質因數高的重要優點。本發明的能量發射側電容器組4與能量發射子系統5的傳輸線圈5-5構成一個LC 振蕩電路，其固有頻率為f，同樣，能量接收側電容器組7與能量接收子系統6的傳輸線圈 5-5也構成了一個LC振蕩電路，其線圈、電容器上的電壓電流均為正弦波，其固有頻率可通
過公式/ —配直成f。通過線圈驅動電路3的作用，一個帶有能量的高頻方波信號施加到能量發射子系統5的傳輸線圈上，其頻率為f。在這一激勵下，線圈將向空間內發射頻率為f的交變磁場， 電能轉換為磁場能量。并且由于高磁導率磁芯的加入，磁場被約束在圖I中所示，虛線表示的范圍內。能量接收子系統6的傳輸線圈的振蕩頻率與空間中磁場頻率一致，從而產生磁耦合諧振，在該傳輸線圈與能量接收側電容器組7組成的回路中獲得電能，磁場能量重新轉換為電能，空間進行能量交換的媒介是諧振的交變磁場。這就是本發明裝置的能量傳輸過程，不同于傳統的電磁感應無線能量傳輸方式。由于能量傳輸是通過與空間中的磁場發生特定頻率下的諧振，并且應用了大傳輸面積的平板磁芯，傳輸系統能夠允許較大范圍內的錯位和面積體積上的不一致，具有很大的實際應用意義。本發明采用了大傳輸面積的平板磁芯，相對于無磁芯結構的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，磁場被約束在了磁芯面積范圍之內，減少了磁場的泄漏，提高了磁場密度，降低了同等場強系統所需達到的頻率，在很大的程度上降低了能量供給部分、諧振電路部分的難度以及成本。圖6所示，首先，線圈驅動電路3中，工頻交流電(100V 380V)經過不控整流橋、 高頻濾波電容濾掉高頻諧波分量、大容量濾波電容濾波穩壓后變為直流。圖6中RCD吸收回路、母線電容的作用是消除開關管開關過程中產生的尖峰，減小對電路的沖擊，提高逆變效率與功率。圖7所示，接收能量轉換電路8收到能量之后，首先經過由高頻整流二極管組成的高頻整流橋，之后經過電容行進濾波穩壓，由于較高的頻率更容易實現濾波穩壓，所以該電容可以選取體積更小的高頻薄膜電容，進一步減小了裝置的體積。整流濾波輸出的直流再經過DC/DC變換電路，將電壓升壓或降壓至用電設備所需要的值，從而完成能量的接收與轉化。圖8和圖9表明了本發明中能量發射側電容器組4和能量接收側電容器組7的優選方式。與傳統等容值電容相比，該結構大大增加了電容的壽命以及系統的穩定性，并且由于采用PCB安裝的方式，電容的更換與調試更加便捷。圖10至圖13表明了本發明發射接收以及傳輸線的原理與結構。根據麥克斯韋理論，導線中通過電流I時，產生如圖13中a-b-c和d_e-f方向的磁場，平面M和N產生感應電動勢，這個感應電動勢在導體長度方向上產生渦流(圖13中虛線所示，主電流和渦流之和在導線表面加強，趨向導線中心減弱，電流出現不均勻分布， 稱為集膚效應，頻率越高這一現象越嚴重，通常經驗計算公式為導線溫度25°C時集膚深
&A =//(Hz) {mm);導線溫度100 V時集膚深度Δ = H (mm)。傳輸線線徑的選取應小
于等于2Λ。本發明中采用絞制的多股極細漆包線或絲包線，又稱為利茲線，將這種不均勻電流分布在每根互相絕緣的導線上，最大程度的減小了這一現象引起的交流阻抗值，降低了導線交直流阻抗比RAyRrc，減小了高頻狀態下線圈上的損耗，降低了線圈溫度，提高了能量傳輸部分的安全性與穩定性。再者，導線通過相同方向或相反方向電流時由于相鄰導線間的磁場作用，電流呈現相互吸引或者排斥的現象，如圖12中陰影所示。本發明將傳統連接至線圈的兩根傳輸線分為多跟，并按照圖11所示的方式進行重新排列，實現了磁場間的相互抵消，減小了上述的不均勻電流。與現有傳統裝置或技術相比，本發明具有以下幾個優點1、采用平板磁芯，可實現小體積下的大功率傳輸，便于安裝和實際應用；2、采用磁耦合諧振原理，可以實現較遠距離聞效的傳輸；3、應用多種減小損耗的技術，實現了聞效率傳輸；4、可承受大范圍錯位,有效地提高傳輸便捷性。4、降低了工作頻率，減小了諧振磁場引起的輻射。
權利要求
1.一種基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，它包括能量供給電路(1)， 其特征在于它還包括諧振控制電路(2)、線圈驅動電路(3)、能量發射側電容器組(4)、能量發射子系統(5)、能量接收子系統(6)、能量接收側電容器組(7)、接收能量轉換電路(8)，能量供給電路⑴的輸出直流電壓作為線圈驅動電路⑶的直流母線電壓Vd。，線圈驅動電路(3)在諧振控制電路(2)產生的脈沖驅動信號的控制下，輸出頻率為f，幅值為正負 Vdc的交流方波信號，該交流方波信號施加到由能量發射側電容器組(4)和能量發射子系統(5)的發射線圈組成的諧振回路上，所述交流方波信號頻率與該諧振回路的頻率一致， 從而產生諧振，使該發射線圈產生磁場能量；能量接收側電容器組(7)和能量接收子系統(6)的接收線圈組成的諧振回路與能量發射子系統(5)發射的磁場進行磁耦合諧振，在能量接收子系統(6)的接收線圈上產生電能， 該電能發送給接收能量轉換電路(8)，由接收能量轉換電路(8)將其輸入信號轉換成負載所需直流電源電壓信號。
2.根據權利要求I所述的基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，其特征在于所述能量發射子系統(5)和能量接收子系統(6)的結構相同，能量發射子系統(5)由屏蔽鋁板(5-1)、絕緣板(5-2)、平板磁芯(5-3)、兩個卡板 (5-4)和傳輸線圈(5-5)組成，屏蔽鋁板(5-1)上居中設置絕緣板(5-2)，絕緣板(5-2)上居中設置平板磁芯(5-3)， 平板磁芯(5-3)的兩端分別通過一個卡板(5-4)固定在絕緣板(5-2)上，傳輸線圈(5-5) 固定在平板磁芯(5-3)上；能量發射子系統(5)和能量接收子系統(6)相對設置，且所述能量發射子系統(5)和能量接收子系統(6)之間留有均勻的氣隙。
3.根據權利要求2所述的基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，其特征在于所述傳輸線圈(5-5)固定在平板磁芯(5-3)的氣隙側表面，所述傳輸線圈(5-5)是螺旋環形纏繞的平板形線圈，并且所述平板形線圈的外形與平板磁芯(5-3)的外形相同；或者所述傳輸線圈(5-5)螺旋環繞纏繞在平板磁芯(5-3)上；所述能量發射子系統(5)和能量接收子系統(6)的平板磁芯(5-3)的氣隙側表面分別為正多邊形、圓形或橢圓形。
4.根據權利要求2或3所述的基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，其特征在于所述平板磁芯(5-3)的材料為鐵磁性的金屬氧化物；平板磁芯(5-3)的厚度范圍為 1_ 至 10Omnin
5.根據權利要求2或3所述的基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，其特征在于所述平板磁芯(5-3)的材料為鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體。
6.根據權利要求2或3所述的基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，其特征在于所述平板磁芯(5-3)的相對磁導率范圍為1000至10000。
7.根據權利要求2或3所述的基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，其特征在于所述傳輸線圈(5-5)采用絞制的相互絕緣的的奇數束極細漆包線或絲包線相互并聯制成，每束極細漆包線或絲包線包括兩股進線和兩股出線。
8.根據權利要求I所述的基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，其特征在于所述線圈驅動電路(3)為聞頻全橋逆變電路；所述接收能量轉換電路(8)為聞頻整流及DC/DC變換電路。
9.根據權利要求2或3所述的基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，其特征在于所述能量發射子系統(5)的平板磁芯(5-3)的氣隙側表面的面積大于或等于能量接收子系統(6)的平板磁芯(5-3)的氣隙側表面的面積。
10.根據權利要求I所述的基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，其特征在于所述能量發射側電容器組⑷和能量接收側電容器組(7)采用的電容均為小體積高頻高壓金屬化薄膜電容，能量發射側電容器組(4)和能量接收側電容器組(7)均采用電容陣列的方式構成。
全文摘要
基于平板磁芯的磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置，屬于磁耦合諧振式無線能量傳輸技術領域。它解決了現有磁耦合諧振式無線能量傳輸裝置的只能進行小功率能量傳輸的問題。它的能量供給電路的輸出直流電壓作為線圈驅動電路的直流母線電壓Vdc，線圈驅動電路輸出交流方波信號，并施加到由能量發射側電容器組和能量發射子系統的發射線圈組成的諧振回路上，使發射線圈產生磁場能量；能量接收側電容器組和能量接收子系統的接收線圈組成的諧振回路與能量發射子系統發射的磁場進行磁耦合諧振，在能量接收子系統的接收線圈上產生電能，發送給接收能量轉換電路，由接收能量轉換電路將其輸入信號轉換成負載所需直流電源電壓信號。本發明用于無線能量傳輸。
文檔編號H02J17/00GK102611209SQ20121007609
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者張劍韜, 朱春波, 李坤, 毛世通, 程志遠, 蘇琮皓, 逯仁貴 申請人:哈爾濱工業大學