專利名稱：一種具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線能量傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別提供一種能適應(yīng)方向性的磁耦合諧振無線能量傳輸方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，各種無線、移動(dòng)電子設(shè)備日益進(jìn)入日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及軍事領(lǐng)域中，對電能供應(yīng)的靈活性提出了較高的要求，而無線能量傳輸技術(shù)的出現(xiàn)可以很好地解決這個(gè)問題，它是利用一種特殊裝置對電能以無線形式進(jìn)行傳輸，從而可以在無需線纜的情況下提供電能，在無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、空間技術(shù)、機(jī)器人、移動(dòng)終端設(shè)備、交通、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有迫切應(yīng)用需求。電能如何實(shí)現(xiàn)高效傳輸是無線能量傳輸技術(shù)的核心問題之一。目前常用的方法是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的，即設(shè)置相互接近的兩個(gè)初、次級線圈，當(dāng)初級線圈中流過的電流發(fā)生變化時(shí),通過次級線圈磁通量也會(huì)發(fā)生變化，由于電磁感應(yīng)而在次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。該無線傳輸方式原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但其傳輸效率與傳輸距離、線圈方向緊密相關(guān)，距離越大、同軸性越差，傳輸效率會(huì)急劇下降，故只能工作在幾厘米范圍內(nèi)，大大限制了其應(yīng)用范圍。因此，迫切需要一種能適應(yīng)方向性、高效的、遠(yuǎn)距離無線供電方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電方法及裝置，以實(shí)現(xiàn)高效的、遠(yuǎn)距離無線供電。本發(fā)明具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電方法，包括利用一能量發(fā)射線圈在高頻功率信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生交變磁場，與所述能量發(fā)射線圈對應(yīng)設(shè)置由三個(gè)在X、I、Z軸方向上構(gòu)成三維正交結(jié)構(gòu)的接收線圈組成的能量接收單元，使所述能量接收單元中的接收線圈分別保持與所述能量發(fā)射線圈具有相同的諧振頻率并產(chǎn)生磁耦合諧振，通過電壓處理電路對所述三個(gè)接收線圈獲取的交流電壓先進(jìn)行整流，再并聯(lián)后將其轉(zhuǎn)化為滿足負(fù)載要求的直流電壓。本發(fā)明具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電裝置，包括配置有第一諧振電容并與高頻功率放大電路連接的能量發(fā)射線圈，與所述能量發(fā)射線圈對應(yīng)設(shè)置由三個(gè)在x、y、 z軸方向上構(gòu)成三維正交結(jié)構(gòu)的接收線圈組成的能量接收單元，所述能量接收單元中各接收線圈分別配置第二諧振電容并與電壓處理電路連接，所述電壓處理電路包括與三個(gè)接收線圈分別連接的整流電路，整流電路并聯(lián)后與濾波電路和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路連接。所述能量接收單元的圓心最好設(shè)置在能量發(fā)射線圈的圓心軸上，且能量接收單元中的任一接收線圈最好與能量發(fā)射線圈平行，此時(shí)接收到的能量最大。本發(fā)明裝置中高頻功率放大電路采用E類開關(guān)功率放大；能量發(fā)射線圈與能量接收單元中接收線圈的諧振頻率均由線圈分布電感和諧振電容的大小來確定。能量發(fā)射線圈采用單個(gè)線圈，在高頻功率信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生交變磁場，三個(gè)呈三維正交結(jié)構(gòu)的接收線圈，每一維接收線圈的諧振頻率與能量發(fā)射線圈的諧振頻率相同。電壓處理電路對三個(gè)接收線圈獲取的交流電壓先進(jìn)行整流，再進(jìn)行并聯(lián)連接，將其轉(zhuǎn)化為滿足負(fù)載要求的直流電壓，這種方式可以在任何時(shí)候得到三個(gè)接收線圈中的最大耦合產(chǎn)生的輸出電壓。本發(fā)明裝置中，高頻功率放大電路、整流電路、濾波電路、DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路均可選擇常規(guī)電路。本發(fā)明提供的具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電方法及裝置，利用非輻射性磁耦合諧振原理來進(jìn)行遠(yuǎn)距離能量傳輸，當(dāng)能量發(fā)射線圈與能量接收線圈產(chǎn)生磁耦合諧振時(shí)，線圈回路阻抗達(dá)到最小，從而使大部分能量傳輸?shù)浇邮斩?；同時(shí)利用正交的接收線圈提高了方向適應(yīng)性。本發(fā)明方法及裝置由于采用了三維正交結(jié)構(gòu)的能量接收線圈，每一維線圈在交變電磁場中會(huì)由于耦合諧振產(chǎn)生交流電動(dòng)勢。當(dāng)能量接收線圈分別處于其X、I、Z任意位置時(shí)，能量發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場總有大部分穿過其中一個(gè)能量接收線圈，因此該能量接收線圈能與能量發(fā)射線圈產(chǎn)生較大的諧振耦合，傳輸更多的電能，從而減小了對能量發(fā)射線圈方向的要求，提高了方向適應(yīng)性。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)一是設(shè)計(jì)簡單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)，只需通過調(diào)節(jié)諧振電容、 諧振線圈電感大小以及它們之間的比例就可以顯著提高無線能量傳輸?shù)男阅?，使得在不同距離下都可以獲得最佳能量傳輸效率；二是能量接收具有方向適應(yīng)性，大大降低了對能量發(fā)射線圈方向的約束。


圖I是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明裝置中的高頻功率放大電路圖。圖3是本發(fā)明裝置中的電壓處理電路。圖4是本發(fā)明裝置中三維正交接收線圈接收電壓的曲面圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電裝置如圖I所示，包括配置有第一諧振電容I并與高頻功率放大電路連接的能量發(fā)射線圈2，與所述能量發(fā)射線圈2對應(yīng)設(shè)置由三個(gè)在x、y、z軸方向上固定連接構(gòu)成三維正交結(jié)構(gòu)的接收線圈6、7、8組成的能量接收單元，能量接收單元的圓心O2設(shè)置在過能量發(fā)射線圈圓心O1的圓心軸9上，能量接收單元中各接收線圈6、7、8分別配置第二諧振電容3、4、5并與電壓處理電路連接，所述電壓處理電路包括與三個(gè)接收線圈分別連接的整流電路，整流電路并聯(lián)后與濾波電路和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路連接。高頻功率放大電路如圖2所示，采用E類開關(guān)功率放大器，開關(guān)器件Ml選用了增強(qiáng)型N溝道MOS場效應(yīng)管，其型號(hào)可選用IRF840、IRF640、IRF250等。為了將信號(hào)發(fā)生器輸出方波電壓放大，達(dá)到E類開關(guān)功率放大器中MOS場效應(yīng)管的工作電壓，需要增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)芯片Ul選取原則是驅(qū)動(dòng)電流大、工作頻率高，為此選用了橋式驅(qū)動(dòng)集成電路芯片IR2110。電壓Vcc的取值必須小于Ml的耐壓值，電阻Rl、R2和電容C的取值根據(jù)實(shí)際功率和頻率要求來確定。外部信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)，輸入到驅(qū)動(dòng)芯片Ul的LIN管腳， 在LO管腳上產(chǎn)生大功率的方波信號(hào)通過電阻Rl作為開關(guān)器件Ml的開關(guān)信號(hào)。能量發(fā)射線圈2及其諧振電容I構(gòu)成了能量發(fā)射單元，在高頻功率信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生交變磁場。能量接收單元中的三個(gè)接收線圈6、7、8分別由三根不同漆包銅線繞制，兩兩正交構(gòu)成了三維正交結(jié)構(gòu)；每一個(gè)接收線圈配置了相應(yīng)的諧振電容接收線圈6、7、8分別配置諧振電容3、4、5，它們的固有頻率都與能量發(fā)射線圈2的固有頻率相同。當(dāng)接收線圈
6、7、8工作時(shí)，能量發(fā)射線圈2產(chǎn)生的磁場總有大部分穿過其中一個(gè)接收線圈，因此該接收線圈能與能量發(fā)射線圈產(chǎn)生較大的諧振耦合，再采用合適的電壓處理電路可以將該諧振耦合能量轉(zhuǎn)化成直流電壓為負(fù)載供電，保證了較高的能量傳輸效率。所述的電壓處理電路如圖3所示，主要包括橋式整流、濾波和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換。三個(gè)正交的接收線圈6、7、8分別進(jìn)行橋式整流后，再并聯(lián)連接到濾波和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路， 為負(fù)載提供合適的直流電壓。本發(fā)明裝置中，高頻功率放大電路、整流電路、濾波電路、DC-DC電壓處理電路還可以采用其它的常規(guī)電路，在此不再贅述。原理說明假設(shè)三個(gè)正交接收線圈的匝數(shù)和半徑均相同，則三個(gè)接收線圈6、7、8全橋整流電路并聯(lián)以后的輸出電壓為
權(quán)利要求
1.一種具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電方法，其特征在于包括利用一能量發(fā)射線圈在高頻功率信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生交變磁場，與所述發(fā)射線圈對應(yīng)設(shè)置由三個(gè)在X、I、Z軸方向上構(gòu)成三維正交結(jié)構(gòu)的接收線圈組成的能量接收單元，使所述能量接收單元中的接收線圈分別保持與所述發(fā)射線圈具有相同的諧振頻率并產(chǎn)生磁耦合諧振，通過電壓處理電路對所述三個(gè)接收線圈獲取的交流電壓先進(jìn)行整流，再并聯(lián)后將其轉(zhuǎn)化為滿足負(fù)載要求的直流電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電方法，其特征在于將所述能量接收單元的圓心設(shè)置在能量發(fā)射線圈的圓心軸上，且將能量接收單元中的任一接收線圈與能量發(fā)射線圈平行。
3.一種具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電裝置，其特征在于包括配置有第一諧振電容并與高頻功率放大電路連接的能量發(fā)射線圈，與所述能量發(fā)射線圈對應(yīng)設(shè)置由三個(gè)在X、Y、Z軸方向上構(gòu)成三維正交結(jié)構(gòu)的接收線圈組成的能量接收單元,所述能量接收單元中各接收線圈分別配置第二諧振電容并與電壓處理電路連接，所述電壓處理電路包括與三個(gè)接收線圈分別連接的整流電路，整流電路并聯(lián)后與濾波電路和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電裝置，其特征在于所述能量接收單元的圓心設(shè)置在能量發(fā)射線圈的圓心軸上，且能量接收單元中的任一接收線圈與能量發(fā)射線圈平行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有方向適應(yīng)性的磁耦合諧振式無線供電方法及裝置，其方法包括利用一能量發(fā)射線圈在高頻功率信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生交變磁場，與所述發(fā)射線圈對應(yīng)設(shè)置由三個(gè)在x、y、z軸方向上構(gòu)成三維正交結(jié)構(gòu)的接收線圈組成的能量接收單元，使所述能量接收單元中的接收線圈分別保持與所述發(fā)射線圈具有相同的諧振頻率并產(chǎn)生磁耦合諧振，通過電壓處理電路將所述三個(gè)接收線圈獲取的交流電壓轉(zhuǎn)化為滿足負(fù)載要求的直流電壓。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)一是設(shè)計(jì)簡單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)；二是能量接收具有方向適應(yīng)性，大大降低了對能量發(fā)射線圈方向的約束。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102593964SQ20121007511
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者李磊, 杜凱, 楊擁民, 王磊, 胡政, 葛哲學(xué), 錢彥嶺, 陳仲生 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)