一種無線電能傳輸裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種無線電能傳輸裝置，包括發射端和接收端，所述發射端包括位于三維坐標系XOY、XOZ、YOZ平面內的至少三個同圓心發射線圈、用于驅動發射線圈橫向轉動的轉動機構。所述發射端還包括設置在轉動機構上的電源輸入模塊、用于控制發射端旋轉和處理信號的總控制模塊、信號接收模塊；電源輸入模塊的輸出端與發射線圈的輸入端相連；總控制模塊與電源輸入模塊交互式連接；信號接收模塊的輸出端與總控制模塊的輸入端相連通過本發明發射端結構的發送線圈可在三維空間內任意方向上進行無線電能傳輸，而且還可以同時對多個放置在該區域內不同方向的負載進行無線電能傳輸。
【專利說明】
一種無線電能傳輸裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及無線電能傳輸領域，具體涉及一種無線電能傳輸裝置。
【背景技術】
[0002] 無線電能傳輸技術(Wireless Power Transfer，WPT)就是借助電磁場、電磁波、激 光和超聲波等進行能量傳遞的一種技術。迄今為止能實現能量無線傳輸的方式主要有微 波、激光、磁耦合諧振、電場耦合、電磁感應方式等，可實現小功率到大功率，遠距離到近距 離的不同場合、不同功率需求的能量傳輸。
[0003] 無線電能傳輸技術在各種可移動機電設備、醫療器械、電子產品充電器等領域都 有很廣闊的應用前景。例如城市輕軌、電力機車、工礦用車等，其一般的供電方式為滑動摩 擦式，還會帶來大氣高頻電磁污染，存在很多的安全隱患。而應用無線電能傳輸技術，在設 備移動范圍內安裝發射源，移動設備本身自帶接收線圈，這樣在危險、惡劣環境下，移動設 備的供電隱患這一問題將能得到解決，給人生帶來安全的保證。同時，如心臟起搏器的充電 系統、手機無線充電器、家用電器無線供電系統等等這些無線電能傳輸技術的應用都為我 們生活增添了色彩。這些都與我們現代所倡導的綠色能源、節能減排等環保理念相悖。
[0004] 至今為止無線電能傳輸在應用上還面臨著以下問題:遠距離、區域性、傳輸效率、 低輻射等，現有技術中都是單發射端、單接收端、一多一、點對點、近距離的無線電能傳輸結 構，相應的，作為發射端和接收端的線圈通常是矩形或圓形等平面型的二維結構，這種二維 線圈具有較強的方向性，通常只能在某個特定方向上具有最大的傳輸效率，當接收端線圈 一旦偏離特定的方向，接收線圈所接收到的能量將越來越小，甚至進入能量傳輸的死區，無 法真正實現三維空間內多個不同方向對多個負載進行電能傳輸。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種無線電能傳輸裝置，該無線電能傳輸裝置能夠解決現 有技術中的不足。
[0006] 為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：
[0007] -種無線電能傳輸裝置，包括發射端和接收端，所述發射端包括分別位于三維坐 標系Χ0Υ、Χ0Ζ、Υ0Ζ平面內的至少三個同圓心發射線圈、用于驅動發射線圈橫向轉動的轉動 機構;位于Υ0Ζ平面內的發射線圈設置在轉動機構上，位于Χ0Υ和Χ0Ζ平面內的發射線圈通過 穿過所述圓心且設置在轉動機構上的縱向旋轉軸連接；
[0008] 所述發射端還包括設置在轉動機構上的電源輸入模塊、用于控制發射端旋轉和處 理信號的總控制模塊、信號接收模塊;電源輸入模塊的輸出端與發射線圈的輸入端相連;總 控制模塊與電源輸入模塊交互式連接；總控制模塊的輸入端與信號接收模塊的輸出端相 連。
[0009] 所述轉動機構包括底座、設置在底座上的轉盤以及設置在轉盤上的第一支撐體和 第二支撐體，所述縱向旋轉軸設置在第一支撐體和第二支撐體之間；所述縱向旋轉軸上設 有驅動縱向旋轉軸轉動的第一電機。
[0010]所述底座上設有與轉盤連接的橫向旋轉軸，橫向旋轉軸上設有驅動橫向旋轉軸轉 動的第二電機。
[0011]所述發射線圈包括殼體和設置在殼體上的線圈；位于Υ0Ζ平面內的發射線圈的殼 體設置在轉動機構上，位于Χ0Υ和Χ0Ζ平面內的兩個發射線圈的殼體通過縱向旋轉軸連接。
[0012] 所述接收端包括接收線圈、整流濾波模塊、負載、用于處理信號的控制模塊以及信 號發送模塊;控制模塊的輸入端與整流濾波模塊的輸出端相連，控制模塊的輸出端與信號 發送模塊的輸入端相連;控制模塊與負載交互式連接;整流濾波模塊的輸入端與接收線圈 的輸出端相連。
[0013] 所述電源輸入模塊包括電源模塊、整流濾波模塊和振蕩電路模塊；
[0014] 電源模塊的輸出端與整流濾波模塊的輸入端相連，整流濾波模塊的輸出端與振蕩 電路模塊的輸入端相連;振蕩電路模塊的輸出端與發射線圈的輸入端相連；
[0015] 總控制模塊包括用于處理接收端發送的電能信號的信號處理模塊、用于發射線圈 監測和補償的反饋電路模塊、電機控制模塊、用于檢測發射線圈和轉盤轉速的轉速檢測模 塊；
[0016] 信號處理模塊的輸入端與信號接收模塊的輸出端相連，所述信號處理模塊的輸出 端與反饋電路模塊的輸入端、電機控制模塊的輸入端相連；電機控制模塊的輸入端還與轉 速檢測模塊的輸入端相連。
[0017] 所述總控制模塊與電源輸入模塊的交互式連接為整流濾波模塊的輸入端與反饋 電路模塊的輸出端相連;振蕩電路模塊的輸出端與信號處理模塊的輸入端相連。
[0018] 所述振蕩電路模塊的輸出端通過電刷與每個發射線圈的輸入端相連。
[0019] 所述發射端還包括用于將全部發射線圈包在內部的線圈外殼。
[0020] 由以上技術方案可知，通過本發明發射端結構的發送線圈可在三維空間內任意方 向上進行無線電能傳輸，而且還可以同時對多個放置在該區域內不同方向的負載進行無線 電能傳輸。在能量傳輸的過程中多個發射線圈位于三維坐標系中三個不同的平面內，發射 線圈通過縱向旋轉軸和轉盤同時進行橫向和縱向旋轉，當發射線圈轉速達到臨界轉速以上 時，死區將消失，即負載能穩定供電，實現三維空間內所有方向上的電能傳輸，有效的消除 電能傳輸過程中存在的死區，同時也提高了電能傳輸的效率。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明的發射線圈平面結構示意圖；
[0022] 圖2是本發明發射端與任意方向上的接收端的接收線圈示意圖；
[0023]圖3是本發明等效電路模型；
[0024]圖4是本發明發射端結構示意圖；
[0025]圖5是本發明接收端線圈三維分布示意圖；
[0026]圖6是本發明結構框圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明做進一步說明：
[0028]如圖1-圖6所示的一種無線電能傳輸裝置，包括發射端和接收端，發射端轉動機構 包括底座10、設置在底座上的轉盤20以及設置在轉盤20上的第一支撐體21和第二支撐體 22。底座10上還設有滾珠11，通過滾珠11可使轉盤20靈活順暢轉動。發射線圈30的數量可以 是三個或三個以上，其中三維坐標系的每個平面上均需至少一個發射線圈，而且所有發射 線圈的中心點要求在同一個中心點上，允許存在一定的誤差，在本實施例中以三個線圈為 例，分別為發射線圈31、發射線圈32和發射線圈33,以圖1中三維坐標系為基準，發射線圈31 分布在Χ0Υ平面上，發射線圈32分布在Χ0Ζ平面上，發射線圈33分布在Υ0Ζ平面上，發射線圈 31、發射線圈32和發射線圈33的圓心均為坐標軸的原點0點，三個發射線圈的纏繞圈數和纏 繞半徑均不同，此種線圈既可以應用到發射端，也可以應用到接收端。圖1所示的三維的三 個發射線圈由特定的導線沿著各自的方向纏繞若干圈而制的，通常根據不同的應用需求選 擇不同材質、線徑的導線，一般均保留一定的空隙。位于Υ0Ζ平面內的發射線圈33設置在轉 動機構上，位于Χ0Υ和Χ0Ζ平面內的發射線圈31和發射線圈32通過穿過所述圓心且設置在轉 動機構上的縱向旋轉軸40連接。
[0029]轉盤20上設有第一支撐體21和第二支撐體22,縱向旋轉軸40設置在第一支撐體21 和第二支撐22體之間，第一支撐體21和第二支撐體22設置在轉盤20上。縱向旋轉軸40上設 有驅動縱向旋轉軸40轉動的第一電機41;發射線圈31和發射線圈32通過縱向旋轉軸40與第 一支撐體21和第二支撐體22連接，發射線圈33設置在轉盤20上，縱向旋轉軸40穿過發射線 圈31、發射線圈32和發射線圈33的圓心，縱向旋轉軸40和第一電機41帶動發射線圈31、發射 線圈32做縱向旋轉。底座10上設有與轉盤20連接的橫向旋轉軸50,橫向旋轉軸50上設有驅 動橫向旋轉軸轉動的第二電機51。橫向旋轉軸50的上端是直接固定在轉盤20的中心，下端 是直接固定在第二電機51上，橫向旋轉軸50和第二電機51帶動轉盤20做橫向旋轉。第一支 撐體21和第二支撐體22直接固定在轉盤20上，通過轉盤20、第一支撐體21和第二支撐體22 就可以帶動發射線圈31、發射線圈32和發射線圈33做橫向旋轉。
[0030] 發射線圈31包括殼體311和纏繞在殼體311上的線圈，發射線圈32包括殼體321和 纏繞在殼體321上的線圈，殼體311和殼體321與縱向旋轉軸40相連，縱向旋轉軸40轉動從而 帶動發射線圈31和發射線圈32做縱向旋轉。發射線圈33包括殼體331和纏繞在殼體331上的 線圈，殼體331固定在轉盤20上。發射線圈30還包括線圈外殼80,線圈外殼80將發射線圈31、 發射線圈32、發射線圈33包在內部。
[0031] 如圖4所示的無線電能傳輸裝置，發射線圈30的結構既可以應用到發射端，也可以 應用到接收端，當應用到發射端時，在能量傳輸的過程中三個發射線圈同時旋轉，當發射線 圈轉速達到臨界轉速以上時，死區將消失，即負載能穩定供電，可以實現三維空間內所有方 向上的電能傳輸，既有效的消除電能傳輸過程中存在的死區，同時也提高了電能傳輸的效 率。當應用到接收端時，只需要采用如圖1和圖6所示的方式進行接收端線圈的制作就可以， 無需再將三個線圈旋轉起來。當然，接收端的線圈也可以采用二維平面式的纏繞方式，通常 采用圓形、方形、橢圓形或多線圈疊加式的方式進行制作。
[0032] 本發明線圈的設計方法為:首先確定諧振頻率，同時確定線圈直徑，然后根據諧振 頻率的要求利用電磁仿真軟件HFSS得到所需要的線圈匝數，再用阻抗分析儀對線圈的諧振 頻率進行測量，比較仿真和實際測量結果，如果諧振頻率偏大，則增加線圈匝數，如果諧振 頻率偏小則減少線圈匝數，調整好線圈諧振頻率接近要求后，帶上負載，再次測量帶負載線 圈諧振頻率，如有偏移，則按上述方法調整，直到符合要求。
[0033]如圖6所示的一種無線電能傳輸裝置的控制裝置，發射端還包括設置在轉動機構 上的電源輸入模塊100、用于控制發射端旋轉和處理信號的總控制模塊101、信號接收模塊 67 ;電源輸入模塊100的輸出端與發射線圈30的輸入端相連;總控制模塊101與電源輸入模 塊100交互式連接;信號接收模塊67的輸出端與總控制模塊101的輸入端相連。電源輸入模 塊100包括電源模塊60、整流濾波模塊61、振蕩電路模塊62。
[0034]總控制模塊101包括用于處理信號的信號處理模塊63、用于發射線圈監測和補償 的反饋電路模塊64、用于控制第一電機41和第二電機51的電機控制模塊65、用于檢測發射 線圈30和轉盤20轉速的轉速檢測模塊661和轉速檢測模塊662。電源模塊60的輸出端與整流 濾波模塊61的輸入端相連，整流濾波模塊61的輸出端與振蕩電路模塊62的輸入端相連，振 蕩電路模塊62的輸出端通過電刷71和電刷72與發射線圈30的輸入端相連。信號處理模塊63 的輸入端與振蕩電路模塊62的輸出端、信號接收模塊67的輸出端相連，信號處理模塊的63 輸出端與反饋電路模塊64的輸入端以及電機控制模塊6 5的輸入端相連；
[0035]反饋電路模塊64的輸出端與整流濾波模塊61的輸入端相連。
[0036]電機控制模塊65的輸入端還與轉速檢測模66塊的輸入端相連，電機控制模塊65的 輸出端與第一電機41和第二電機51的輸入端相連
[0037]接收端包括接收線圈90、整流濾波模塊91、負載92、用于處理信號的控制模塊93以 及用于發出信號的信號發送模塊94;控制模塊93的輸入端與整流濾波模塊91的輸出端相 連，控制模塊93的輸出端與信號發送模塊94的輸入端相連;控制模塊93與負載92交互式連 接;整流濾波模塊91的輸入端與接收線圈90的輸出端相連。
[0038]如圖3所示，一種無線電能傳輸裝置的等效電路模型。Lsl、Ls2和Ls3為發射線圈， Rsl、Rs2和Rs3分別為發射源高頻等效電路模型內阻，Csl、Cs2和Cs3分別為發射源高頻等效 電路模型震蕩電容，L1為接收線圈，RL為接收源高頻等效電路模型的內阻，RW為接收源的負 載電阻;M12為發射線圈Lsl與Ls2之間的互感，M13為發射線圈Lsl與Ls3之間的互感，M23為 發射線圈Ls2與Ls3之間的互感，而Ml、M2和M3分別為三個發射線圈與接收源線圈之間的互 感。
[0039]對圖3所示的系統電路等效模型進行分析，可得到系統的狀態方程，如下：
[0041]其中，三個發射線圈以及負載的電抗分別是：
[0043]經分析計算可得系統效率為：
[0045]無線電能傳輸就是通過無線的方式將電能從發射端輸送到接收端，從而實現能量 的交換。諧振式無線電能傳輸正是基于物理學的共振原理，通過利用兩個銅線圈作為能量 的傳遞媒介，其中一個銅線圈與高頻功率發生器相連作為發射源，另一個銅線圈與負載相 連，作為能量接收終端。接通電源后，將高頻功率發生器調節到額定頻率和功率，發射線圈 將以此頻率作為諧振頻率而發生最大幅度的振動，形成一個極強的非輻射電磁場。在這個 非輻射電磁場中，兩個諧振頻率相同的線圈發生共振，并將進行能量的高效傳遞，傳遞的能 量受周圍環境和物體影響極小，大部分能量由發射源傳遞到接收終端，而中間的物體由于 沒有發生諧振，故不會吸收能量。
[0046]無線電能傳輸系統由高頻功率源以及兩個諧振頻率相同的銅線圈和用電負載構 成，高頻功率源作為無線電能傳輸系統的能量發生器，產生額定頻率和功率的能量發生裝 置;作為能量傳遞媒介的兩個銅線圈分別是發射線圈和接收線圈；原邊銅線圈將能量傳遞 給發射線圈。
[0047]如圖5所示的無線電能傳輸裝置當電源模塊60接入220V交流電時，通過電源模塊 60、整流濾波模塊61、振蕩電路模塊62和信號處理模塊63、反饋電路模塊64、電機控制模塊 65和信號接收模塊67對整個發射端裝置進行控制和電能的傳輸。電機控制模塊65控制第一 電機41和第二電機51的轉速和旋轉方向。當接收端只有一個負載設備時，接收線圈90接收 到發射端發射線圈30傳輸的電能，根據接收電能的大小，通過整流濾波模塊91將電能傳輸 至控制模塊93和負載92,控制模塊93將信號處理后控制信號發送模塊94發出相應的接收信 號，信號發送模塊94傳輸給發射端的信號接收模塊67,信號接收模塊67將信號傳輸到發射 端信號處理模塊63;信號處理模塊63根據獲取的信號進行信號處理，然后控制反饋電路模 塊64對整流濾波模塊61進行頻率補償，同時，信號處理模塊63處理信號后控制電機控制模 塊65,電機控制模塊65控制第一電機41和第二電機51的轉速和旋轉方向，第一電機41和第 二電機51分別控制縱向旋轉軸40和橫向旋轉軸50旋轉，從而將三個發射線圈30調整到與接 收線圈90頻率相匹配、與負載功率相匹配的最佳工作狀態，最后發射線圈30將補償后產生 的電能傳輸至接收端。當接收端有多個負載設備時，每個接收端的接收線圈90接收到發射 端發射線圈30傳輸的電能，根據接收電能的大小，每個接收端的控制模塊93控制信號發送 模塊94發出相應的接收信號傳輸給發射端的信號接收模塊67,信號接收模塊67將信號傳輸 到發射端信號處理模塊63;信號處理模塊63根據接收信號并處理信號得出最優工作頻率 (即多個負載設備同時接收電能時每個負載能接收到的最大功率狀態），然后控制反饋電路 模塊64對整流濾波模塊61進行頻率補償，同時，信號處理模塊63處理信號后控制電機控制 模塊65,電機控制模塊65控制第一電機41和第二電機51的轉速和旋轉方向，第一電機41和 第二電機51分別控制縱向旋轉軸40和橫向旋轉軸50旋轉，從而將三個發射線圈30調整到與 接收線圈90頻率相匹配、與負載功率相匹配的最佳工作狀態，最后發射線圈將電能傳輸至 接收端的接收線圈；當接收端有多個負載設備時，且負載設備發生移動時，同樣會調整三個 線圈的工作狀態，從而電能的傳輸達到實時跟蹤的狀態，而且不會影響到電能的傳輸，更不 會出現電能傳輸中斷的現象發生。
[0048]本發明中的發射端的工作原理如下：
[0049]當電源模塊60接入220V交流電時，電源模塊60、整流濾波模塊61、振蕩電路模塊62 使發射線圈30和接收線圈90發生諧振，發射線圈31、發射線圈32和發射線圈33分別通過電 屆IJ71、電刷72和電刷73在旋轉的過程中有效地與發射端振蕩電路模塊62保持通電狀態。當 發射線圈30和接收線圈90發生諧振后，接收線圈90就會接收到發射線圈30傳輸的電能，根 據接收電能的大小，接收端的控制模塊93控制信號發送模塊94發出相應的接收信號傳輸給 發射端的信號接收模塊67,發射端就會通過信號處理模塊63、反饋電路模塊64和電機控制 模塊65對第一電機41、第二電機51進行控制，將三個發射線圈調整到最佳或最優工作狀態。 第一電機41通過縱向旋轉的縱向旋轉軸40帶動殼體311和殼體321旋轉，從而發射線圈31和 發射線圈32做縱向旋轉。同樣，第二電機51通過橫向旋轉的橫向旋轉軸50帶動轉盤20旋轉， 橫向旋轉軸50的上端是直接固定在旋轉盤20的中心，下端是直接固定在第二電機51上，橫 向旋轉軸50和第二電機51帶動轉盤20做橫向旋轉。第一支撐體21和第二支撐體22直接固定 在轉盤20上，通過轉盤20、第一支撐體21和第二支撐體22就可以帶動發射線圈31、發射線圈 32和發射線圈33做橫向旋轉。
[0050]以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范 圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方 案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種無線電能傳輸裝置，包括發射端和接收端，其特征在于:所述發射端包括分別位 于三維坐標系xoy、xoz、yoz平面內的至少三個同圓心發射線圈、用于驅動發射線圈橫向轉 動的轉動機構;位于ΥΟΖ平面內的發射線圈設置在轉動機構上，位于ΧΟΥ和ΧΟΖ平面內的發射 線圈通過穿過所述圓心且設置在轉動機構上的縱向旋轉軸連接； 所述發射端還包括設置在轉動機構上的電源輸入模塊、用于控制發射端旋轉和處理信 號的總控制模塊、信號接收模塊;電源輸入模塊的輸出端與發射線圈的輸入端相連;總控制 模塊與電源輸入模塊交互式連接;總控制模塊的輸入端與信號接收模塊的輸出端相連。2. 如權利要求1所述的一種無線電能傳輸裝置，其特征在于:所述轉動機構包括底座、 設置在底座上的轉盤以及設置在轉盤上的第一支撐體和第二支撐體，所述縱向旋轉軸設置 在第一支撐體和第二支撐體之間；所述縱向旋轉軸上設有驅動縱向旋轉軸轉動的第一電 機。3. 如權利要求2所述的一種無線電能傳輸裝置，其特征在于:所述底座上設有與轉盤連 接的橫向旋轉軸，橫向旋轉軸上設有驅動橫向旋轉軸轉動的第二電機。4. 如權利要求1所述的一種無線電能傳輸裝置，其特征在于:所述發射線圈包括殼體和 設置在殼體上的線圈；位于ΥΟΖ平面內的發射線圈的殼體設置在轉動機構上，位于ΧΟΥ和ΧΟΖ 平面內的兩個發射線圈的殼體通過縱向旋轉軸連接。5. 如權利要求1所述的一種無線電能傳輸裝置，其特征在于：所述接收端包括接收線 圈、整流濾波模塊、負載、用于處理信號的控制模塊以及信號發送模塊;控制模塊的輸入端 與整流濾波模塊的輸出端相連，控制模塊的輸出端與信號發送模塊的輸入端相連;控制模 塊與負載交互式連接;整流濾波模塊的輸入端與接收線圈的輸出端相連。6. 如權利要求1所述的一種無線電能傳輸裝置，其特征在于:所述電源輸入模塊包括電 源模塊、整流濾波模塊和振蕩電路模塊； 電源模塊的輸出端與整流濾波模塊的輸入端相連，整流濾波模塊的輸出端與振蕩電路 模塊的輸入端相連;振蕩電路模塊的輸出端與發射線圈的輸入端相連； 總控制模塊包括用于處理接收端發送的電能信號的信號處理模塊、用于發射線圈監測 和補償的反饋電路模塊、電機控制模塊、用于檢測發射線圈和轉盤轉速的轉速檢測模塊； 信號處理模塊的輸入端與信號接收模塊的輸出端相連，所述信號處理模塊的輸出端與 反饋電路模塊的輸入端、電機控制模塊的輸入端相連；電機控制模塊的輸入端還與轉速檢 測模塊的輸入端相連； 所述總控制模塊與電源輸入模塊的交互式連接為整流濾波模塊的輸入端與反饋電路 模塊的輸出端相連;振蕩電路模塊的輸出端與信號處理模塊的輸入端相連。7. 如權利要求6所述的一種無線電能傳輸裝置，其特征在于:所述振蕩電路模塊的輸出 端通過電刷與每個發射線圈的輸入端相連。8. 如權利要求1所述的一種無線電能傳輸裝置，其特征在于:所述發射端還包括用于將 全部發射線圈包在內部的線圈外殼。
【文檔編號】H02J50/10GK106026410SQ201610370141
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】郭潤峰, 高小朋
【申請人】合肥漢信智控科技有限公司