本發(fā)明涉及無(wú)線傳能技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于中距離磁共振無(wú)線傳能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

2007年6月，麻省理工大學(xué)的Marin Sohjacic和他的研究團(tuán)隊(duì)公開(kāi)做了一個(gè)演示，給一個(gè)直徑60cm的線圈通電，點(diǎn)亮了大約2m之外連接在另一個(gè)線圈上的60w燈泡，且將傳輸效率提高到了90％。這個(gè)系統(tǒng)利用了共振原理，當(dāng)兩個(gè)物體的振動(dòng)頻率相同時(shí)，它們傳遞能量的強(qiáng)度不會(huì)受到周圍事物的影響。利用磁共振方法可以在傳能器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在傳能器與設(shè)備之間形成共振，實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸?shù)募夹g(shù)。電量只在以同一頻率共振的線圈之間傳輸。但是，這項(xiàng)技術(shù)面臨著一些問(wèn)題，就是如何在提高效率的同時(shí)又減小線圈的體積。在2008年8月的，西雅圖實(shí)驗(yàn)室的Joshua R.Smith領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在英特爾開(kāi)發(fā)者論壇上再次向公眾展示了這項(xiàng)基于“磁耦合共振”原理的無(wú)線供電技術(shù)，在展示中成功地點(diǎn)亮了一個(gè)1米開(kāi)外的60w燈泡，而在電源和燈泡之間沒(méi)有使用任何電線。這項(xiàng)技術(shù)允許設(shè)備在距離適配器最遠(yuǎn)可達(dá)幾米遠(yuǎn)的地方進(jìn)行無(wú)線傳能。

日本富士通公司利用磁鐵為一個(gè)以上的設(shè)備傳能并且完全不借助電線。這項(xiàng)技術(shù)允許設(shè)備在距離傳能器最遠(yuǎn)可達(dá)幾米遠(yuǎn)的地方進(jìn)行無(wú)線傳能。從理論上說(shuō)，這一系統(tǒng)對(duì)處在傳能場(chǎng)的人完全無(wú)害，因?yàn)殡娏恐辉谝酝活l率共振的線圈之間傳輸。但對(duì)于這種無(wú)線傳能技術(shù)，很多人可能產(chǎn)生擔(dān)憂。富士通的無(wú)線傳能技術(shù)利用磁共振在傳能器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在傳能器與設(shè)備之間形成共振。富士通表示這一系統(tǒng)可以在未來(lái)得到廣泛應(yīng)用，例如針對(duì)電動(dòng)汽車的傳能區(qū)以及針對(duì)電腦芯片的電量傳輸。采用這項(xiàng)技術(shù)研制的傳能系統(tǒng)所需要的傳能時(shí)間只有當(dāng)前的一百五十分之一。富士通的傳能系統(tǒng)立基于磁共振，電量可以在以同樣頻率發(fā)生共振的線圈之間進(jìn)行無(wú)線傳輸。富士通的系統(tǒng)與美國(guó)Witricity公司研發(fā)的技術(shù)類似，后者同樣利用磁共振傳輸電量，傳輸距離可達(dá)到幾米遠(yuǎn)。

隨著國(guó)外對(duì)磁共振技術(shù)研究的深入，在國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)90年代初開(kāi)始便相繼有高等院校和科研院所就磁共振技術(shù)從不同的研究層面和應(yīng)用領(lǐng)域展開(kāi)相關(guān)的研究工作，取得了一定的研究成果，為該項(xiàng)技術(shù)的后繼研究奠定了厚實(shí)的基礎(chǔ)。香港城市大學(xué)學(xué)者Xun Liu等人研究適用于便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品的平板型感應(yīng)耦合充電平臺(tái)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)以朱春波教授為首的研發(fā)小組面向基于磁共振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)展開(kāi)仿真和實(shí)驗(yàn)；浙江大學(xué)學(xué)者馬皓博士以無(wú)線電能傳輸?shù)睦@線結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)，東南大學(xué)黃學(xué)良教授的研究側(cè)重于磁場(chǎng)共振耦合電能傳輸技術(shù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，有線充電繞線繁瑣，而且在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下充電非常不安全，所以采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電技術(shù)顯得格外的重要，也將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一。目前無(wú)線充電大部分采用了電磁感應(yīng)方式，但是采用電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)，它的充電距離非常有限，距離很小時(shí)，充電效率可達(dá)50％以上，距離增大時(shí)，充電效率迅速低至10％以下。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于中距離磁共振無(wú)線傳能系統(tǒng)，能夠提高傳輸距離和傳輸效率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：提供一種用于中距離磁共振無(wú)線傳能系統(tǒng)，包括發(fā)射部分和接收部分，所述發(fā)射部分包括電磁共振傳能發(fā)射線圈，所述電磁共振傳能發(fā)射線圈與交變電源相連，所述交變電源用于產(chǎn)生高頻交變電流，所述電磁共振傳能發(fā)射線圈在高頻交變電流的激發(fā)下產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；所述接收部分包括相互連接的電磁共振傳能接收線圈和整流電路，所述電磁共振傳能接收線圈用于接收所述電磁共振傳能發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)產(chǎn)生磁諧振積聚能量；所述整流電路將積聚的能量通過(guò)整流后供給負(fù)載使用；所述電磁共振傳能發(fā)射線圈和電磁共振傳能發(fā)射線圈具有相同諧振頻率。

所述電磁共振傳能發(fā)射線圈和電磁共振傳能發(fā)射線圈的直徑相同，兩者之間的圓心距為直徑的1～1.5倍。

所述交變電源采用MOSFET全橋產(chǎn)生交變電流。

所述交變電源產(chǎn)生的高頻交變電流的頻率在80KHz～120KHz。

所述負(fù)載為無(wú)儲(chǔ)能裝置的負(fù)載。

有益效果

由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

本發(fā)明采用的磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)膫鬏斁嚯x較大，由于利用了強(qiáng)耦合共振技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)較高的功率(可達(dá)到KW)和效率；系統(tǒng)采用磁場(chǎng)耦合(而非電場(chǎng)，電場(chǎng)會(huì)發(fā)生危險(xiǎn))和非輻射技術(shù)，使其對(duì)人體傷害較小。

本發(fā)明無(wú)嚴(yán)格的方向性，采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，甚至可以做到無(wú)方向性；良好的穿透性，不受非金屬障礙物的影響。

本發(fā)明采用無(wú)線能量傳輸技術(shù)是指能量從能量發(fā)射源傳輸?shù)浇邮斩素?fù)載的一個(gè)過(guò)程，通過(guò)非接觸的方式傳輸能量的一種技術(shù)，不是用傳統(tǒng)的有線能量傳輸技術(shù)來(lái)完成，而是通過(guò)無(wú)線傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于有線能量傳輸供電部署困難的場(chǎng)所，無(wú)線能量傳輸技術(shù)具有重要的意義。

本發(fā)明無(wú)線傳能技術(shù)采用磁耦合諧振式技術(shù)，電量可以在以同樣頻率發(fā)生共振的線圈之間進(jìn)行無(wú)線傳輸，保證在中距離傳能時(shí)傳輸效率達(dá)到70％以上。

本發(fā)明直升飛機(jī)模型是一個(gè)無(wú)儲(chǔ)能裝置，通過(guò)地面的電源線圈以磁耦合諧振式的傳能方式使接收線圈直接將電量供應(yīng)給遙控飛機(jī)提供飛行動(dòng)力。可有效減輕飛機(jī)自身重量，減少能量消耗；減少了儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，保證可以長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)轉(zhuǎn)；無(wú)線傳能距離達(dá)到10cm以上，傳輸效率達(dá)到70％以上。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明磁諧振無(wú)線充電方式結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是磁諧振無(wú)線電能傳能系統(tǒng)等效電路模型圖；

圖3是直升飛機(jī)模型演示系統(tǒng)示意圖；

圖4是負(fù)載與效率函數(shù)關(guān)系圖；

圖5是負(fù)載與功率函數(shù)關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種用于中距離磁共振無(wú)線傳能系統(tǒng)，如圖1所示，包括發(fā)射部分和接收部分，所述發(fā)射部分包括電磁共振傳能發(fā)射線圈，所述電磁共振傳能發(fā)射線圈與交變電源相連，所述交變電源用于產(chǎn)生高頻交變電流，所述電磁共振傳能發(fā)射線圈在高頻交變電流的激發(fā)下產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；所述接收部分包括相互連接的電磁共振傳能接收線圈和整流電路，所述電磁共振傳能接收線圈用于接收所述電磁共振傳能發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)產(chǎn)生磁諧振積聚能量；所述整流電路將積聚的能量通過(guò)整流后供給負(fù)載使用；所述電磁共振傳能發(fā)射線圈和電磁共振傳能發(fā)射線圈具有相同諧振頻率。

所述通過(guò)磁耦合諧振方式來(lái)實(shí)現(xiàn)中距離無(wú)線傳能。目前無(wú)線傳能主要有四種方式：電磁感應(yīng)方式、磁耦合諧振方式、電場(chǎng)耦合方式、無(wú)線電波方式。電磁感應(yīng)傳能的傳輸距離太小，在中距離傳輸?shù)臅r(shí)候效率非常低下；無(wú)線電波傳能的效率和功率過(guò)低，使用的頻段非常高；電場(chǎng)耦合傳能時(shí)電壓提升較高而且傳輸功率較低。磁耦合諧振傳能的距離、效率都較高，因此本發(fā)明采用磁耦合諧振方式的無(wú)線傳能的技術(shù)。

所述磁耦合諧振式的基本原理是兩個(gè)具有相同諧振頻率的物體之間可以實(shí)現(xiàn)高效的能量交換，而非諧振物體之間能量交換卻很微弱。磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中能量接收器與發(fā)射源采用具有相同諧振頻率的感應(yīng)線圈，發(fā)射源由高頻交變電流激發(fā)感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)具有相同諧振頻率的接收端感應(yīng)線圈接收磁場(chǎng)時(shí)，在接收線圈上產(chǎn)生磁諧振，在接收裝置中不斷集聚能量，提供給負(fù)載使用，從而實(shí)現(xiàn)能量傳遞。

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)膫鬏敵叨冉橛陔姶鸥袘?yīng)方式和無(wú)線電波方式之間，因此也稱之為中距離(Mid-range)能量傳輸技術(shù)，其距離為幾倍的接收設(shè)備尺寸(可擴(kuò)展到幾米到幾十米，具體參考線圈的尺寸)。

本發(fā)明通過(guò)磁耦合諧振方式來(lái)實(shí)現(xiàn)中距離無(wú)線傳能，利用交流阻抗方法推導(dǎo)出磁諧振無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率η和負(fù)載功率P_L，來(lái)驗(yàn)證無(wú)線傳能技術(shù)在中距離時(shí)應(yīng)用的可行性和實(shí)用性。

本發(fā)明包括發(fā)射部分(發(fā)射線圈)和接收部分(接收線圈)。采用磁諧振無(wú)線電能傳能系統(tǒng)等效電路模型，如圖2所示。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)和線圈互感模型得到以下方程：

其中，V₁為輸入電壓、I₁為發(fā)送線圈電流，R₁為發(fā)射部分等效電阻，L₁為發(fā)射部分線圈的電感，C₁為發(fā)射部分的等效電容，M為接收與發(fā)送線圈之間的互感，K為耦合系數(shù)，I₂為接收線圈電流，R₂為接收部分等效電阻，L₂為接收部分線圈的電感，C₂為接收部分的等效電容，R_L為負(fù)載的電阻，ω為角頻率。

圖中S-S拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，阻抗為：

得到發(fā)送與接收線圈電流：

因此磁諧振無(wú)線充電系統(tǒng)負(fù)載功率P_L和輸入功率P_I分別表示為：

其中，為相位角。

磁諧振無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率為:

當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)：

解出方程得到傳輸效率如下：

系統(tǒng)傳輸效率與線圈之間互感、內(nèi)阻和負(fù)載與傳輸效率有直接關(guān)系，而線圈之間互感和負(fù)載對(duì)傳輸效率影響較大。如果僅有一個(gè)線圈達(dá)到諧振或者兩個(gè)線圈諧振頻率不一致，傳輸效率將顯著降低。

將(6)式代入(4)式，得到負(fù)載功率如下：

負(fù)載功率與源輸出電壓、線圈之間互感和負(fù)載都有直接關(guān)系。提高源輸出電壓，可以直接提高負(fù)載功率，調(diào)節(jié)發(fā)送線圈與接收線圈之間的距離和負(fù)載顯得格外的重要。

對(duì)負(fù)載功率P_L進(jìn)行求導(dǎo)：

令P_L'＝0，可得最佳負(fù)載為：

其中，R_S代表電源內(nèi)阻。

對(duì)效率η進(jìn)行求導(dǎo)：

令η'＝0，可得最佳負(fù)載為：

其中，Q₁、Q₂為品質(zhì)因數(shù)，對(duì)功率求導(dǎo)得出的最佳負(fù)載與對(duì)效率求導(dǎo)得出的最佳負(fù)載不相等，輸入功率P_I增加的同時(shí)，輸入功率損耗也增大，導(dǎo)致傳輸效率會(huì)變低，所以為了得到最大傳輸效率，選擇由效率求導(dǎo)的計(jì)算出來(lái)的最佳負(fù)載，最終得出最佳負(fù)載

下面以一個(gè)直升飛機(jī)模型的模擬演示系統(tǒng)作為實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

如圖3所示，模擬演示系統(tǒng)主要包括遙控直升飛機(jī)模型、電磁共振傳能線圈、整流電路、控制電路和無(wú)線通信模塊等。該演示系統(tǒng)在地板布置電能發(fā)送線圈，同時(shí)在遙控直升飛機(jī)上安裝一個(gè)電能接收線圈，保證在10cm以上的傳輸距離并且傳輸效率在70％以上，接收線圈接收的電能直接供給直升飛機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)直升飛機(jī)盤旋。

發(fā)送線圈和接收線圈直徑大概保持在10cm左右，發(fā)送線圈和接收線圈直徑之間距離保持在10～15cm。交變電源采用MOSFET全橋產(chǎn)生交變電源供給發(fā)送線圈，頻率采用100KHz左右頻率并且頻率可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整。接收線圈接收到的電能通過(guò)整流等直接供給直升飛機(jī)模型電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)飛機(jī)飛行。所述直升飛機(jī)無(wú)儲(chǔ)能裝置通過(guò)地面的電源線圈以磁耦合諧振式的傳能方式使接收線圈直接將電量供應(yīng)給遙控飛機(jī)提供飛行動(dòng)力。

利用交流阻抗方法推導(dǎo)出磁諧振無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率η和負(fù)載功率P_L。用MATLAB得到仿真圖，由圖4和圖5可以看出，負(fù)載R_L大約在3Ω左右時(shí)，效率η達(dá)到最大，效率η最大可以達(dá)到85％。負(fù)載R_L大約在50Ω左右時(shí)，負(fù)載功率達(dá)到最大，最大負(fù)載功率可達(dá)到175W。當(dāng)效率η達(dá)到最大時(shí)，功率并沒(méi)有達(dá)到最大值，在使效率η不變的情況下，可以通過(guò)提高電源電壓V來(lái)適當(dāng)提高負(fù)載功率。

不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明采用的磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)膫鬏斁嚯x較大，由于利用了強(qiáng)耦合共振技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)較高的功率(可達(dá)到KW)和效率。