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CN107222034B - 一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法及装置 - Google Patents

一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法及装置，将无线电能传输系统中的电磁发射装置的多匝发射线圈与电磁接收装置的多匝接收线圈接地，从而形成共地结构，共地结构引导准静场，实现发射线圈和接收线圈高距径比、低方向敏感性的较大功率及较大效率的电能传输。与传统无线电能传输系统结构相比，克服了现有结构随着距离增大、方向改变导致传输效率大幅降低的局限，此方法及装置大幅提高了传输距离、传输功率和传输效率及系统空间灵活性。

Description

一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法及装置
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，特别是涉及到一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法及装置。
背景技术
自从1840年发现利用电磁感应现象及导线可以传输电能至今，电能的传输主要是由导线直接接触进行传输的。电工设备的充电一般是通过插头和插座来进行，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险。且由于存在摩擦和磨损，系统的安全性、可靠性及使用寿命较低，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的事故。新型无接触电能传输系统采用电磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合，实现了电能的无线传输，完全克服了以上限制。根据电能传输原理，无线电能传输大致上可以分为三类：第一类是变压器原理的直接耦合式，这种方式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类电波无线能量传输技术，直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生物都有严重伤害；第三类是非辐射耦合谐振方式，该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。
2007年，MIT的研究人员采用高频电磁谐振耦合方式实现了电能的中程无线传输，在间隔2m距离给60W灯泡供电时效率约为40％。这一重大进展又激起了国内外研究人员对磁耦合谐振式无线电能传输技术的兴趣，众多学者在提高传输功率和效率，以及传输距离等方面进行了深入的研究，他们大多是通过频率跟踪和阻抗匹配等方式来实现提高传输功率和效率，以及传输距离的目的。但是他们实验的临界耦合距离都限制在谐振器直径的2倍之内，在超过临界耦合距离之外，其传输功率和效率随着传输距离迅速降低。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法及装置，与传统无线电能传输系统结构相比，此方法及装置大幅提高了传输距离与线圈半径比例、大幅提高了传输功率和传输效率及系统空间灵活性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法，将电磁发射装置的多匝发射线圈与电磁接收装置的多匝接收线圈接地，从而形成共地结构，共地结构引导准静场，实现发射线圈和接收线圈高距径比、低方向敏感性的较大功率及较大效率的电能传输。
进一步的，所述多匝发射线圈的接地方式为一端接地，一端绝缘设置。
进一步的，所述多匝接收线圈的接地方式为一端接地，一端绝缘设置。
本发明还提供了一种共地结构的新型谐振式无线电能传输装置，包括电磁发射系统和电磁接收系统；
所述电磁发射系统设置了带有接地结构的电磁发射装置；
所述电磁接收系统设置了带有接地结构的电磁接收装置；
所述电磁接收装置的谐振频率与所述电磁发射装置的谐振频率一致；
所述电磁发射装置与电磁接收装置形成共地结构，所述共地结构引导准静场。
进一步的，所述电磁发射装置包括单匝的激励线圈和多匝发射线圈，所述多匝发射线圈一端接地，一端绝缘设置，构成接地结构。
更进一步的，所述电磁接收装置包括多匝接收线圈和单匝的负载线圈，所述多匝接收线圈一端接地，一端绝缘设置，构成接地结构。
进一步的，所述带有接地结构的电磁发射装置与高频信号发生器、功率放大器、电源侧阻抗匹配电路共同构成所述电磁发射系统。
进一步的，所述带有接地结构的电磁接收装置与接收侧阻抗匹配电路、稳压及整流电路以及负载共同构成所述电磁接收系统。
进一步的，所述电磁接收系统设置为多个，每个电磁接收系统的电磁接收装置都通过接地与电磁发射装置形成共地结构，各电磁接收装置的谐振频率与电磁发射装置的谐振频率一致。
进一步的，所述电磁发射装置与电磁接收装置的线圈结构为对称结构或非对称结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果，发明所述的一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法及装置，克服了现有技术采用的传统无线电能传输结构随着距离增大、方向改变导致传输效率大幅降低的局限，而是采用共地结构，所述共地结构用于引导准静场，并不参与能量的传输，且不消耗能量，大幅提高了传输距离与线圈半径比例、大幅提高了传输功率和传输效率及系统空间灵活性，发射装置与接收装置的线圈结构可为对称结构或非对称结构，两线圈平行甚至垂直放置均不改变传输效率，从而实现了发射线圈和接收线圈高距径比、低方向敏感性的较大功率及较大效率的电能传输。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明所述的一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法及装置，与传统无线电能传输系统结构相比，此方法及装置大幅提高了传输距离与线圈半径比例、大幅提高了传输功率和传输效率及系统空间灵活性。
共地结构的新型谐振式无线电能传输方法及装置包括电磁发射系统及电磁接收系统，可根据需要设置电磁接收系统的个数，多个电磁接收装置通过接地与电磁发射装置形成共地结构，多个电磁接收装置的谐振频率与电磁发射装置一致。
下面以图1作为具体应用的实例：
电磁发射系统包括DDS高频信号发生器、功率放大器，电源侧阻抗匹配电路、接地结构的电磁发射装置。
圆筒形发射线圈半径为15cm，谐振频率为6.78MHz，将激励线圈设置为单匝线圈，与多匝的发射线圈共同构成电磁发射装置。将多匝的发射线圈一端接地，一端绝缘设置，构成接地结构的电磁发射装置。
电磁接收系统包括接地结构的电磁接收装置、接收侧阻抗匹配电路、稳压及整流电路和负载。
圆筒形接收线圈半径为15cm，谐振频率为6.78MHz，将负载线圈设置为单匝线圈，与多匝的接收线圈共同构成电磁接收装置。将多匝的接收线圈一端接地，一端绝缘设置，构成接地结构的电磁接收装置。
发射系统与接收系统距离15m，距径比为100：1。
DDS高频信号发生器发出6.78MHz的高频信号，经功率放大器增大其功率输出200W，经阻抗匹配电路施加到电磁发射装置，阻抗匹配电路用于减小返回到电源的反射功率，使向电磁发射装置输出的正向功率最大。
共地结构用于引导准静场，并不参与能量的传输，且不消耗能量。
电磁接收装置接收到电磁发射系统发出的电能，经由阻抗匹配电路输出到整流及稳压电路，阻抗匹配电路用于减少负载返回到电磁接收装置的反射功率，使向负载输出的正向功率最大，整流及稳压电路将高频交流电能转化为适合于负载的直流电能。
负载接收功率83W，系统传输效率为41.5％。
改变接收装置线圈方向，系统传输功率及传输效率未见降低。
移除接地结构在同等功率及效率下，传输距离降低为80cm，可见采用此发明所述的一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法及装置可将距径比增大18.75倍。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种共地结构的新型谐振式无线电能传输方法，其特征在于，电磁发射装置包括单匝的激励线圈和多匝发射线圈，电磁接收装置包括多匝接收线圈和单匝的负载线圈；
将电磁发射装置的多匝发射线圈与电磁接收装置的多匝接收线圈接地；所述多匝发射线圈的接地方式为一端接地，一端绝缘设置；所述多匝接收线圈的接地方式为一端接地，一端绝缘设置；从而形成共地结构，共地结构引导准静场，实现发射线圈和接收线圈高距径比、低方向敏感性的较大功率及较大效率的电能传输。
2.一种共地结构的新型谐振式无线电能传输装置，其特征在于，包括电磁发射系统和电磁接收系统；
所述电磁发射系统设置了带有接地结构的电磁发射装置；
所述电磁接收系统设置了带有接地结构的电磁接收装置；
所述电磁接收装置的谐振频率与所述电磁发射装置的谐振频率一致；
所述电磁发射装置与电磁接收装置形成共地结构，所述共地结构引导准静场；
所述电磁发射装置包括单匝的激励线圈和多匝发射线圈，所述多匝发射线圈一端接地，一端绝缘设置，构成接地结构；
所述电磁接收装置包括多匝接收线圈和单匝的负载线圈，所述多匝接收线圈一端接地，一端绝缘设置，构成接地结构。
3.根据权利要求2所述的一种共地结构的新型谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述带有接地结构的电磁发射装置与高频信号发生器、功率放大器、电源侧阻抗匹配电路共同构成所述电磁发射系统。
4.根据权利要求2所述的一种共地结构的新型谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述带有接地结构的电磁接收装置与接收侧阻抗匹配电路、稳压及整流电路以及负载共同构成所述电磁接收系统。
5.根据权利要求2所述的一种共地结构的新型谐振式无线电能传输装置，其特征在于，所述电磁接收系统设置为多个，每个电磁接收系统的电磁接收装置都通过接地与电磁发射装置形成共地结构，各电磁接收装置的谐振频率与电磁发射装置的谐振频率一致。
6.根据权利要求2所述的一种共地结构的新型谐振式无线电能传输装置，其特征在于，电磁发射装置与电磁接收装置的线圈结构为对称结构或非对称结构。
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