變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了磁耦合共振無線電能傳輸【技術領域】中一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，主要解決了磁共振無線電能傳輸系統隨著傳輸距離的增加而傳輸效率急劇下降的問題，該系統通過同時調整源線圈和發射線圈、接收線圈和負載線圈的距離，使得磁共振無線電能傳輸系統滿足臨界耦合條件等式，工作在臨界耦合狀態。本實用新型準確地得出了系統處于臨界耦合狀態所需滿足的條件，從而使得磁共振無線電能傳輸系統始終工作在效率高的模式。
【專利說明】變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于磁耦合共振無線電能傳輸【技術領域】，涉及一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，尤其涉及一種通過改變磁耦合共振無線電能傳輸系統發射機和接收機的耦合系數來提高傳輸效率和距離的系統。
【背景技術】
[0002]自尼古拉.特斯拉在一個世紀以前提出無線電能傳輸理論之后，無線電能傳輸就一直是人們研究的熱點。多年來國內外專家一直在進行無線電能傳輸的研究，但一直以來科研進展緩慢，直到2007年6月，麻省理工學院(MIT)物理教授Marin Soljacic及其小組成員提出一種基于強磁耦合磁共振的全新方案，實驗中使用兩個直徑為60cm、由銅線繞制的線圈，并使線圈的固有諧振頻率處于9.9MHz，利用磁耦合共振原理成功點亮了一個離電源約2m的60W電燈泡,后來這項技術被稱為WiTricity,至此,開辟了無線電能傳輸技術的研究盛況。為了使無線電能傳輸技術盡快得到應用，2010年9月I日，全球首個推動無線充電技術的標準化組織一無線充電聯盟(Wireless Power Consortium, WPC)在北京宣布將Qi無線充電國際標準率先引入中國，信息產業部通信電磁兼容質量監督中心也加入該組織，其中深圳桑菲消費通信有限公司是Qi標準的支持者，也是該聯盟常務理事成員中唯——家中國企業。
[0003]目前國內外無線電能傳輸的實現有三種方式:
[0004]1.電磁感應式——類似于松耦合變壓器,通過初級和次級線圈的電磁感應產生電流，從而將能量從發射端輸送到接收端，適合效率較高的近距離傳輸。
[0005]2.電磁福射式-其基本原理類似于早期使用的礦石收音機，目前已有相對成熟
的理論，作用范圍廣、傳送功率大，但對生物環境影響較大且效率低下。
[0006]3.磁稱合共振式-麻省理工學院Marin Sol jacic及其小組成員提出的全新方
案，其原理是利用磁場的非輻射近場耦合來傳遞能量，在很大程度上減小了對人體的傷害，延長了無線電能傳輸的距離，此方式傳輸效率高、距離遠、功率大，是未來無線電能傳輸發展的主流方向。
[0007]磁耦合共振無線電能傳輸系統，是通過兩個結構對稱的線圈間磁耦合共振來傳遞能量的，耦合系數對系統的傳輸效率有著重要影響。依據耦合系數的大小，磁耦合共振無線電能傳輸系統可分為三種工作區域:強耦合、臨界耦合、弱耦合。
[0008]研究發現當無線電能傳輸系統處于強耦合區域時，系統的傳輸效率在諧振頻率兩側取得最大值，即出現頻率分裂，隨著傳輸距離的增加，耦合系數減小，頻率分裂現象逐漸消失，當耦合系數滿足臨界耦合條件時，系統的傳輸效率在諧振頻率處取得最大值，隨著耦合系數進一步減小達到弱耦合區域時，系統的傳輸效率隨耦合系數的減小而急劇下降，但系統最佳的傳輸狀態始終是在諧振頻率處。
[0009]因此無線電能傳輸系統的傳輸效率并非在諧振頻率下一直處于最大值，而是在臨界耦合狀態處具有最大的傳輸效率和最優的傳輸距離。[0010]綜上所述，磁耦合共振無線電能傳輸系統的最佳工作狀態是系統始終處于臨界耦合狀態，這樣系統就可以在諧振頻率處獲得最大的傳輸效率和最優的傳輸距離。但是臨界耦合狀態所對應的傳輸距離是確定的，這就使得系統不可能始終處于臨界耦合狀態，而傳輸距離對耦合系數有著很明顯的調節作用，隨著傳輸距離的增加，引起耦合系數的減小，最終導致的系統傳輸效率急劇下降，嚴重阻礙了無線電能傳輸系統的普及和應用，為此，我們必須找到一種技術方法來實現上述方案一讓系統始終處于臨界耦合狀態，以獲取最大的傳輸效率和最優的傳輸距離。
實用新型內容
[0011]技術問題:本實用新型的目的在于針對磁耦合共振無線電能傳輸系統隨著傳輸距離的增加，耦合系數的減小而導致系統傳輸效率急劇下降的問題，并考慮到系統在臨界耦合處取得最大的傳輸效率和最優的傳輸距離，提出的一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統。該系統是通過同時調節系統發射機和接收機的耦合系數，使得系統始終處于臨界耦合狀態，具有最大的傳輸效率和最優的傳輸距離，同時本實用新型可以顯著提高無線電能傳輸的距離和效率，可以很好地滿足設備對無線電能傳輸系統效率和距離的要求。
[0012]為實現上述目標，本實用新型的實現的技術方案如下:
[0013]本實用新型所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，包括一個發射機和一個接收機。
[0014]所述發射機包括高頻信號發生器、阻抗匹配網絡、源線圈和發射線圈，所述高頻信號發生器輸出額定功率的高頻信號。
[0015]所述源線圈一側通過阻抗匹配網絡連接到高頻信號發生器，另一側與所述發射線圈利用電磁感應組成一個升壓變壓器網絡。
[0016]所述阻抗匹配網絡是無源匹配網絡，由電容和電感組成；或是有源匹配網絡，由有源、無源器件組成的源極跟隨器、射極跟隨器和緩沖器構成。
[0017]所述接收機包括接收線圈和負載線圈，所述接收線圈與負載線圈利用電磁感應組成一個降壓變壓器網絡。
[0018]所述負載線圈串聯一個與阻抗匹配網絡中大小相等的匹配電容，并直接連接交流負載設備，或是通過一個整流電路供給直流負載設備或電路；所述整流電路包括半波整流、全波整流和橋式整流。
[0019]所述發射線圈和接收線圈利用其自身在高頻下的等效電阻、寄生電容和自身電感組成諧振電路，發射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率。
[0020]所述源線圈和發射線圈的間距與接收線圈和負載線圈的間距始終是保持相等的，源線圈和負載線圈的電參數相同，發射線圈和接收線圈也具有相同的電參數，即線圈的電感、聞頻寄生電容、等效電阻和空載品質因數都是相同的。
[0021]所述發射線圈通過電磁感應從源線圈處得到高頻信號發生器所發出的高頻振蕩信號，再以非輻射近場電磁波的形式發送出去，所述接收線圈通過線圈間的磁耦合共振收到發射線圈傳送的高頻振蕩信號，再經過電磁感應將能量供給負載線圈。
[0022]所有線圈均由銅線繞制，對齊在同軸方向，源線圈和發射線圈的間距、發射線圈和接收線圈間距、接收線圈和負載線圈的間距是可調的，隨著發射線圈和接收線圈間距，即傳輸距離的變化，當所述系統偏離臨界耦合狀態時，同時調節發射機和接收機的耦合系數，即是同時調節源線圈和發射線圈的間距、接收線圈和負載線圈的間距，并保持兩個間距相等，從而改變它們的耦合系數，系統滿足臨界耦合條件，工作在臨界耦合狀態。
[0023]本實用新型所述變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統中，不相鄰線圈之間沒有磁耦合，所述系統中源線圈和負載線圈都是單匝線圈，發射線圈和接收線圈是有相同匝數的多匝線圈。
[0024]所述變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統包括外加激勵源高頻信號發生器、阻抗匹配網絡、源線圈、發射線圈以及接收線圈、負載線圈和負載設備組成。
[0025]本實用新型的有益效果是:
[0026]1.本實用新型可以使磁耦合共振無線電能傳輸系統始終工作在臨界耦合狀態，確保所述系統的傳輸效率始終取得最大值、傳輸距離達到最優。
[0027]2.與現有技術相比，所述系統始終工作在臨界耦合狀態，使得傳輸效率和傳輸距離都有明顯的提高，進一步解決了系統傳輸效率受傳輸距離制約的問題，提高了電能的利用效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本實用新型的變耦合系數磁共振無線電能傳輸的系統示意圖；
[0029]圖2是本實用新型的變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統的等效電路模型圖；
[0030]圖3是本實用新型的變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統示例實物圖；
[0031]圖4是本實用新型的變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統與現有技術的傳輸效率對比圖；
【具體實施方式】
[0032]為了使本實用新型技術方案的內容和優勢更加清楚明了，以下結合附圖，對本實用新型的變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統進行進一步的詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實用新型的范圍及其應用。
[0033]下面結合附圖，詳細說明本實用新型的變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統的實現過程。
[0034]圖1是本實用新型的變耦合系數磁共振無線電能傳輸的系統示意圖。
[0035]如圖1所示，本發明的變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統包括高頻信號發生器、阻抗匹配網絡、源線圈、發射線圈、接收線圈、負載線圈以及負載設備。
[0036]高頻信號發生器發出高頻信號脈沖，經過阻抗匹配網絡將能量信號傳給源線圈，所述系統的能量發射線圈利用電磁感應從源線圈處得到高頻信號發生器所發出的高頻振蕩信號，再以非輻射近場電磁波的形式傳送出去。所述系統的能量接收線圈通過線圈間的磁耦合共振收到發射線圈傳送的高頻振蕩信號，再通過電磁感應將能量供給負載線圈以及負載設備，源線圈和負載線圈都是單匝線圈，發射線圈和接收線圈是有相同匝數的多匝線圈，發射線圈和接收線圈的距離為所述系統的傳輸距離。
[0037]所有線圈均由銅線繞制，對齊在同軸方向，隨著傳輸距離由小到大逐漸增加，系統傳輸功率的最大值點由2個逐漸合并為I個，即是系統工作狀態由強耦合到臨界耦合，再到弱耦合的變化過程。
[0038]圖2是本實用新型的變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統的等效電路模型圖。
[0039]如圖2所示，本實用新型的磁耦合共振無線電能傳輸系統的等效電路模型共有四個線圈回路:源線圈回路、發射線圈回路、接收線圈回路、負載線圈回路，ι^α2α3α4分別為源線圈、發射線圈、接收線圈和負載線圈的電感，Rel、Re2、Re3、Re4分別為源線圈、發射線圈、接收線圈和負載線圈在高頻下的等效電阻，Cpl是源線圈在高頻下的寄生電容和阻抗匹配網絡中的匹配電容之和，cp2, Cp3分別是發射線圈和接收線圈在高頻下的寄生電容，Cp4是負載線圈在高頻下的寄生電容和與其串聯的匹配電容之和，Vs是高頻信號發生器的輸出電壓，Vl是負載電壓，Rs、&分別是高頻信號發生器的內阻和負載電阻；k12是源線圈和發射線圈之間的耦合系數，k23是發射線圈和接收線圈之間的耦合系數，k34是接收線圈和負載線圈之間的耦合系數。
[0040]對本實用新型的磁耦合共振無線電能傳輸的等效電路模型分析步驟如下:
[0041]1.對所述系統的等效電路進行分析，得到如下所述等式:
【權利要求】
1.一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，其特征在于，包括一個發射機和一個接收機； 所述發射機包括高頻信號發生器、阻抗匹配網絡、源線圈和發射線圈，所述高頻信號發生器輸出額定功率的高頻信號； 所述源線圈一側通過阻抗匹配網絡連接到高頻信號發生器，另一側與所述發射線圈利用電磁感應組成一個升壓變壓器網絡； 所述接收機包括接收線圈和負載線圈，所述接收線圈與負載線圈利用電磁感應組成一個降壓變壓器網絡。
2.根據權利要求1所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，其特征在于，所述阻抗匹配網絡是無源匹配網絡，由電容和電感組成。
3.根據權利要求1所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，其特征在于，所述阻抗匹配網絡是有源匹配網絡，由有源、無源器件組成的源極跟隨器、射極跟隨器和緩沖器構成。
4.根據權利要求1所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，其特征在于，所述負載線圈串聯一個與阻抗匹配網絡中大小相等的匹配電容，并直接連接交流負載設備。
5.根據權利要求1所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，所述負載線圈通過一個整流電路供給直流負載設備或電路；所述整流電路包括半波整流、全波整流和橋式整流。
6.根據權利要求1所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，其特征在于，所述發射線圈和接收線圈利用其自身在高頻下的等效電阻、寄生電容和自身電感組成諧振電路，發射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率；` 所述源線圈和發射線圈的間距與接收線圈和負載線圈的間距始終是保持相等的，源線圈和負載線圈的電參數相同，發射線圈和接收線圈也具有相同的電參數。
7.根據權利要求6所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，其特征在于，所述電參數包括線圈的電感、高頻寄生電容、等效電阻和空載品質因數。
8.根據權利要求6所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，其特征在于，所有線圈均由銅線繞制，對齊在同軸方向，源線圈和發射線圈的間距、發射線圈和接收線圈間距、接收線圈和負載線圈的間距是可調的； 所述發射線圈通過電磁感應從源線圈處得到高頻信號發生器所發出的高頻振蕩信號，再以非輻射近場電磁波的形式發送出去，所述接收線圈通過線圈間的磁耦合共振收到發射線圈傳送的高頻振蕩信號，再經過電磁感應將能量供給負載線圈。
9.根據權利要求8所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，其特征在于，隨著發射線圈和接收線圈間距，即傳輸距離的變化，當所述系統偏離臨界耦合狀態時，同時調節發射機和接收機的耦合系數，從而改變它們的耦合系數，系統滿足臨界耦合條件，工作在臨界奉禹合狀態。
10.根據權利要求9所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，其特征在于，所述耦合系數的調節是通過同時調節源線圈和發射線圈的間距d12、接收線圈和負載線圈的間距d34來實現的，并保持兩個間距相等，即d12 = d34。
11.根據權利要求9所述一種變耦合系數磁共振無線電能傳輸系統，其特征在于，所述系統中不相鄰線圈之間沒有磁耦合，所述系統中源線圈和負載線圈都是單匝線圈，發射線圈和接 收線圈是有相同匝數的多匝線圈。
【文檔編號】H02J17/00GK203537076SQ201320552307
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月6日 優先權日:2013年9月6日
【發明者】田子建, 林越 申請人:中國礦業大學(北京)