CN106487105B - 一种变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，包括直流电源依次连接有高频逆变电路、变线圈结构谐振耦合部分、高频整流电路、逆变电路及其负载；其中所述变线圈结构谐振耦合部分分别设置有两线圈结构和四线圈结构的无线连接，两线圈结构谐振耦合部分中设有发射线圈和接收线圈为谐振线圈，当谐振线圈以相同的频率振荡时，通过耦合将能量传输至接收线圈，实现无线电能传输；四线圈结构谐振耦合部分中设有驱动谐振线圈、发射线圈、接收线圈和负载谐振线圈为谐振线圈，当谐振线圈以相同的频率振荡时，通过电磁耦合将能量传输至负载线圈，实现无线电能传输；并通过在不同传输距离采用不同线圈结构，使无线电能传输装置传输效率达到最大化。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输装置，尤其是一种变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置。
背景技术
随着无线电能传输技术的发展，越来越多的领域需要应用无线电能传输技术传输电能。目前的无线电能传输技术主要有三种，分别是磁感应耦合方式、磁耦合谐振方式和微波辐射方式。对于小功率无线电能传输的应用，相比于磁感应耦合方式，磁耦合谐振方式具有较长的有效传输距离，而与微波辐射方式相比，具有更高的传输效率。虽然磁耦合谐振方式有以上的优点，但是其传输效率会随着距离的变化而变化，无法始终保持在很高的水平。
理论分析和实验证明，基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的无线电能传输装置，根据线圈结构的不同，其传输效率随传输距离的变化趋势也不同。
两线圈结构的无线电能传输装置，其传输效率随传输距离的增大而减小；当传输距离大于线圈半径时，传输效率迅速减小。
四线圈结构的无线电能传输装置，其传输效率在传输距离等于线圈半径时，达到最大值。当传输距离小于线圈半径时，传输效率随传输距离的增大而增大；当传输距离大于线圈半径、小于有效传输距离，有效传输距离的计算公式：时，传输效率随传输距离的增大而减小。
《基于磁耦合谐振的无线电能传输系统的研究》中所采用的两线圈结构，存在的问题是在无线传输距离小于线圈半径时，传输效率比较高，无线传输距离大于线圈半径，小于线圈直径时，传输效率较低，无线传输距离大于线圈直径，则传输效率基本为零。《双中继无线电能传输系统建模与传输效率分析》中采用的四线圈结构，存在的问题是在无线传输距离小于线圈半径时，传输效率较低，无线传输距离大于线圈时，传输效率明显升高。
发明内容
针对现有两线圈结构和四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输技术的上述缺陷，本发明提供一种变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案。
一种变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，包括直流电源依次连接有高频逆变电路、变线圈结构谐振耦合部分、高频整流电路、逆变电路及其负载；其特征在于：所述变线圈结构谐振耦合部分分别设置有两线圈结构和四线圈结构的无线连接，两线圈结构谐振耦合部分中设有发射线圈和接收线圈为谐振线圈，当谐振线圈以相同的频率振荡时，通过耦合将能量传输至接收线圈，实现无线电能传输；四线圈结构谐振耦合部分中设有驱动谐振线圈、发射线圈、接收线圈和负载谐振线圈为谐振线圈，当谐振线圈以相同的频率振荡时，通过电磁耦合将能量传输至负载线圈，实现无线电能传输；并通过在不同传输距离采用不同线圈结构，使无线电能传输装置传输效率达到最大化。
所述高频逆变电路是依次由扼流电感、信号源、驱动芯片、开关管和并联电容连接构成；所述扼流电感是分别与直流电源输出端和开关管的输入端连接；所述信号源与驱动芯片输入端连接；所述开关管与驱动芯片输出端连接；所述并联电容与开关管并联连接。
所述变线圈结构谐振耦合部分是由两线圈结构和四线圈结构两部分集成；两线圈结构谐振耦合部分是由发射回路和接收回路集成，发射回路和接收回路无线连接；所述发射回路包括发射线圈和谐振电容组；所述发射线圈和电容组串联连接；所述接收回路是由接收线圈和谐振电容串联连接而构成；
四线圈结构谐振耦合部分是由驱动谐振回路、发射回路、接收回路和负载谐振回路连接构成；所述驱动谐振回路和发射回路无线连接，发射回路和接收回路无线连接，接收回路和负载回路无线连接；所述驱动谐振回路包括驱动线圈和谐振电容，所述驱动线圈和谐振电容串联连接，所述发射回路由发射线圈和谐振电容串联连接而构成，所述接收回路包括接收线圈和谐振电容，所述接收线圈和谐振电容串联连接，所述负载谐振回路由负载线圈和谐振电容串联连接而构成。
所述高频整流电路由升压电感、不控整流电路和滤波电容组成；所述升压电感与不控整流电路的输入端连接；所述滤波电容与不控整流电路并联连接；所述不控整流电路由四个肖特基二极管组成。
所述逆变电路是由升压电感、全桥逆变电路连接构成；所述升压电感与全桥逆变电路的输入端连接；所述全桥逆变电路包括四个MOSFET管和四个二极管，每个MOSFET管分别与一个二极管反并联连接。
所述负载是纯电阻负载，或是阻抗负载。
所述无线电能传输装置对于两线圈结构而言，无线电能传输距离为发射线圈和接收线圈之间的距离；对于四线圈结构而言，无线电能传输距离为驱动谐振线圈和负载线圈之间的距离；无线电能传输距离小于线圈半径时，采用两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置。无线电能传输距离大于线圈半径、小于有效传输距离时，采用四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置。
本发明上述所提供的一种变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，分别设置有两线圈结构谐振耦合部分和四线圈结构谐振耦合部分的无线连接，两线圈结构谐振耦合部分中设有发射线圈和接收线圈为谐振线圈，当谐振线圈以相同的频率振荡时，通过耦合将能量传输至接收线圈，实现无线电能传输；四线圈结构谐振耦合部分中设有驱动谐振线圈、发射线圈、接收线圈和负载谐振线圈为谐振线圈，当谐振线圈以相同的频率振荡时，通过电磁耦合将能量传输至负载线圈，实现无线电能传输；当无线电能传输距离小于线圈半径时，采用两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置；当无线电能传输距离大于线圈半径、小于有效传输距离时，采用四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，通过在不同传输距离采用不同线圈结构，使无线电能传输装置传输效率达到最大化。
本发明装置电路结构简单，实现容易，成本低，运行稳定可靠，具有很高的使用价值和经济效应。
附图说明
图1是本发明装置原理结构框图。
图2是本发明装置原理结构电路图。
图3是本发明两线圈原理结构电路图。
图4是本发明四线圈原理结构电路图。
图5是本发明高频逆变电路驱动与开关原理结构电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例作出进一步的说明。
实施一种变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，所述无线电能传输装置包括磁耦合谐振式无线电能传输装置由直流电源，高频逆变电路，变线圈结构谐振耦合部分，高频整流电路、逆变电路和负载组成。
所述直流电源与高频逆变电路输入端连接，所述变线圈结构谐振耦合部分输入端与高频逆变电路输出端连接，所述变线圈结构谐振耦合部分输出端与高频整流电路输入端连接，所述高频整流电路输出端与逆变电路输入端连接。
所述高频逆变电路如原理结构附图1所示，由扼流电感、信号源、驱动芯片、开关管和并联电容组成；所述扼流电感分别与直流电源输出端和开关管的源极连接，所述信号源与驱动芯片输入端连接，所述开关管与驱动芯片输出端连接，采用UCC37325作为驱动芯片驱动开关管MOSFET，如原理结构附图4所示，采用适用于N沟道MOSFET的B通道，其B通道输出端通过限流稳压模块与MOSFET开关管栅极连接，所述并联电容与开关管的源极漏极并联连接，使得开关管满足软开关工作条件，并联电容分别与两线圈结构中的发射回路以及四线圈结构中的驱动回路并联，从而将直流电转变成高频交流电，为下一阶段做准备。
所述谐振耦合部分如原理结构附图2、附图3和附图4所示，由两线圈结构谐振耦合部分和四线圈结构谐振耦合部分两部分组成；
两线圈结构谐振耦合部分由发射回路和接收回路组成，所述发射回路和接收回路无线连接；所述发射回路包括发射线圈和谐振电容组，所述发射线圈和谐振电容组串联连接，所述电容组由三个电容串联连接，所述接收回路由接收线圈和谐振电容串联连接而成；发射回路谐振电容和发射线圈组成的串联谐振回路产生谐振电压和谐振电流，接收回路接收线圈和谐振电容组成的串联谐振回路具有和发射回路相同的谐振频率，通过磁耦合谐振使能量从发射回路传递至接收回路，实现电能的无线传输；
四线圈结构谐振耦合部分由驱动谐振回路、发射回路、接收回路和负载谐振回路组成，所述驱动谐振回路和发射回路无线连接，发射回路和接收回路无线连接，接收回路和负载谐振回路无线连接；所述驱动谐振回路包括驱动线圈和谐振电容，所述驱动线圈和谐振电容串联连接，所述发射回路由发射线圈和谐振电容串联连接而成，所述接收回路包括接收线圈和谐振电容，所述接收线圈和谐振电容串联连接，所述负载谐振回路由负载线圈和谐振电容串联连接而成，驱动谐振回路谐振电容和驱动线圈组成的串联谐振回路产生谐振电压和谐振电流，发射回路谐振电容和发射线圈组成的串联谐振回路、接收回路接收线圈和谐振电容组成的串联谐振回路以及负载谐振回路负载线圈和谐振电容组成的串联谐振回路具有和驱动谐振回路相同的谐振频率，通过磁耦合谐振使能量从驱动谐振回路经过发射回路和接收回路传递至负载谐振回路，实现电能的无线传输，为下一步做准备。
高频整流电路如原理结构附图2所示，由升压电感、不控整流电路和滤波电容组成；所述升压电感与不控整流电路的输入端连接，所述滤波电容与不控整流电路并联连接；所述不控整流电路由四个肖特基二极管构成整流桥，经过由肖特基二极管组成的不控整流电路将无线传输得到的高频交流电转变成直流电，为下一阶段做准备。
逆变电路如原理结构附图2所示，由升压电感、全桥逆变电路组成；所述升压电感与全桥逆变电路的输入端连接；所述全桥逆变电路包括四个MOSFET管和四个二极管，每个MOSFET管分别与一个二极管反并联连接，经过由MOSFET管和反并联二极管组成的全桥逆变电路将直流电转变成工频交流电，进一步连接任何工频负载。
在上述具体实施方案中，实现一种不同线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置的具体工作方案包括以下步骤。
1）当无线电能传输距离小于线圈半径时，耦合谐振部分采用两线圈结构。具体方法为：开关S1合到a端，a＇端与a＇＇端连接，g1端与g1 ＇端连接，c端与c＇端连接，g2端与g2 ＇端连接。
2）当无线电能传输距离大于线圈半径时，耦合谐振部分采用四线圈结构。具体方法为：开关S1合到b端，b＇端与b＇＇端连接，g1端与g1 ＇＇端连接，d端与d＇端连接，g2端与g2 ＇＇端连接。
通过在不同传输距离采用不同线圈结构，使无线电能传输装置传输效率达到最大化。
本发明装置电路结构简单，实现容易，成本低，运行稳定可靠，具有很高的使用价值和经济效应。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创作型劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，包括直流电源依次连接有高频逆变电路、变线圈结构谐振耦合部分、高频整流电路、逆变电路及其负载；其特征在于：所述变线圈结构谐振耦合部分分别设置有两线圈结构和四线圈结构的无线连接，两线圈结构谐振耦合部分中设有发射线圈和接收线圈为谐振线圈，当谐振线圈以相同的频率振荡时，通过耦合将能量传输至接收线圈，实现无线电能传输；四线圈结构谐振耦合部分中设有驱动谐振线圈、发射线圈、接收线圈和负载谐振线圈为谐振线圈，当谐振线圈以相同的频率振荡时，通过电磁耦合将能量传输至负载线圈，实现无线电能传输；并通过在不同传输距离采用不同线圈结构，使无线电能传输装置传输效率达到最大化；
所述无线电能传输装置对于两线圈结构而言，无线电能传输距离为发射线圈和接收线圈之间的距离；对于四线圈结构而言，无线电能传输距离为驱动谐振线圈和负载线圈之间的距离；当无线电能传输距离小于线圈半径时，采用两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置；当无线电能传输距离大于线圈半径、小于有效传输距离时，采用四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置。
2.根据权利要求1所述的变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述高频逆变电路是依次由扼流电感、信号源、驱动芯片、开关管和并联电容连接构成；所述扼流电感是分别与直流电源输出端和开关管的输入端连接；所述信号源与驱动芯片输入端连接；所述开关管与驱动芯片输出端连接；所述并联电容与开关管并联连接。
3.根据权利要求1所述的变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述变线圈结构谐振耦合部分是由两线圈结构和四线圈结构两部分集成；两线圈结构谐振耦合部分是由发射回路和接收回路集成，发射回路和接收回路无线连接；所述发射回路包括发射线圈和谐振电容组；所述发射线圈和电容组串联连接；所述接收回路是由接收线圈和谐振电容串联连接而构成；
四线圈结构谐振耦合部分是由驱动谐振回路、发射回路、接收回路和负载谐振回路连接构成；所述驱动谐振回路和发射回路无线连接，发射回路和接收回路无线连接，接收回路和负载回路无线连接；所述驱动谐振回路包括驱动线圈和谐振电容，所述驱动线圈和谐振电容串联连接，所述发射回路由发射线圈和谐振电容串联连接而构成，所述接收回路包括接收线圈和谐振电容，所述接收线圈和谐振电容串联连接，所述负载谐振回路由负载线圈和谐振电容串联连接而构成。
4.根据权利要求1所述的变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述高频整流电路由升压电感、不控整流电路和滤波电容组成；所述升压电感与不控整流电路的输入端连接；所述滤波电容与不控整流电路并联连接；所述不控整流电路由四个肖特基二极管组成。
5.根据权利要求1所述的变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述逆变电路是由升压电感、全桥逆变电路连接构成；所述升压电感与全桥逆变电路的输入端连接；所述全桥逆变电路包括四个MOSFET管和四个二极管，每个MOSFET管分别与一个二极管反并联连接。
6.根据权利要求1所述的变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述负载是纯电阻负载，或是阻抗负载。
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