[实用新型]一种新型的中距离谐振式无线电能传输装置

说明书

技术领域

本实用新型属于无线电能传输领域，特别是涉及到一种新型的中距离谐振式无线电能传输装置。

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，本实用新型提出一种新型的中距离谐振式无线电能传输装置，利用发射线圈与接收线圈能量互补叠加原理，进一步大幅提高传输距离，提高传输功率和效率。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种新型的中距离谐振式无线电能传输装置，包括射频源以及与其连接的电磁发射部分，电磁接收部分以及与其连接的负载；所述电磁接收部分设有负载线圈，所述负载线圈的一端接地。

进一步的，所述负载线圈为单匝线圈，与多匝的接收线圈共同构成所述电磁接收部分。

进一步的，所述发射线圈为多匝线圈，与单匝的激励线圈共同构成所述电磁发射部分。

进一步的，所述射频源和电磁发射部分之间设有电源匹配电路。

进一步的，所述电磁接收部分与负载之间设有负载匹配电路。

相对于现有技术，本实用新型的优点在于：本实用新型利用发射线圈与接收线圈能量互补叠加原理，设计的新型磁耦合谐振式无线电能传输装置，大幅度提高了传输距离，同时也能提高传输功率和效率。

附图说明

图1是无线电能传输系统无损发射、接收模型；

图2是无损振荡系统在谐振频率时的能量交换；

图3是本实用新型新型磁耦合谐振式无线电能传输系统框图；

图4是电源匹配电路示意图；

图5是负载匹配电路示意图；

图6是本实用新型实施例中接收功率数据分析图；

图7是本实用新型实施例中传输效率数据分析图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

为了解决现有技术中存在的问题，申请人进行了多方的实验摸索，如图1所示为无线电能传输系统无损发射、接收模型，发射和接收均由电感线圈和电容组成。选取振荡器中正向旋转的振荡模a₁和a₂，这时得到耦合模方程：

最后解出该无损耦合系统的简正模：

由式(2)进一步推导得到每个谐振器所包含的能量：

对于无损振荡系统，每个谐振器简正模能量随时间变化的波形如图2所示。

由图2可知，能量在两振荡器之间反复交换，当且仅当两振荡器的谐振角频率相等时，振荡器之间才会发生强烈的能量交换。由于振荡器中的能量变化不方便实时测量，申请人对两振荡器的电压进行了实验测量，实验结果表明：发射端的电压与接收端的电压相位也相差180°。由于振荡器中的能量在谐振角频率相等时交换更加强烈，那么两谐振器中的电压是否在某种条件下也会得到增大？