本實用新型涉及磁耦合諧振無線電能傳輸技術，尤其涉及一種無線輸電系統(tǒng)。

背景技術：

早在19世紀中后期，著名的電氣工程師尼古拉特斯拉提出了無線電能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)技術的概念，并利用無線電能傳輸原理進行了相關的實驗研究，為后來無線電能傳輸技術的發(fā)展奠定了理論和實踐基礎。此后，無線輸電技術得到越來越多的關注和研究。隨著無線電能傳輸技術研究的興起，其應用也越來越多地走進我們的生活，例如磁懸浮列車、電動汽車、無尾家電、生物醫(yī)學等方面的應用。

目前國內(nèi)外無線電能傳輸通常采用磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其基本原理是將發(fā)射線圈與接收線圈調(diào)成一個諧振系統(tǒng)，當發(fā)射線圈的振蕩頻率與接收線圈的固有頻率相同時發(fā)生諧振，使得能量在具有相同諧振頻率的發(fā)射與接收線圈間交互振蕩，從而完成能量的傳遞，而其他非諧振物體則不會受到影響。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術彌補了近場傳輸?shù)木嚯x短板，將傳輸距離提高至米級以上，同時對人體的傷害大大減少，是未來無線輸電技術研究的重要發(fā)展方向。

然而，現(xiàn)有技術中，當接收線圈尺寸遠遠小于發(fā)射線圈尺寸時，無線輸電系統(tǒng)的傳輸效率比同樣情況下發(fā)射線圈與接收線圈尺寸相同的完全對稱的無線輸電系統(tǒng)的傳輸效率小得多。在實際的無線電能傳輸系統(tǒng)中，常有較遠距離小尺寸接收線圈出現(xiàn)，比如，在對手機等無線移動設備充電時，手機內(nèi)接收線圈尺寸遠小于發(fā)射線圈尺寸，在這種無線電能傳輸系統(tǒng)中，傳輸效率會大大下降。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的上述缺陷，本實用新型提供一種無線輸電系統(tǒng)，能夠提高電能的傳輸效率，節(jié)省無線輸電系統(tǒng)的占用空間。

本實用新型提供一種無線輸電系統(tǒng)，包括：高頻信號發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射線圈和接收線圈；所述功率放大器連接在所述發(fā)射線圈、高頻信號發(fā)生器之間；所述發(fā)射線圈內(nèi)側(cè)設有中繼線圈，所述中繼線圈與所述發(fā)射線圈耦合，且所述中繼線圈與發(fā)射線圈同軸同平面；所述接收線圈與所述中繼線圈耦合，且所述接收線圈還用于與負載設備連接；其中，所述發(fā)射線圈、中繼線圈和接收線圈都由磁鍍導線構(gòu)成。

進一步地，所述發(fā)射線圈、中繼線圈和接收線圈都由磁鍍導線構(gòu)成。

進一步地，所述磁鍍導線包括：銅導線，所述銅導線外依次套設有第一絕緣層、鐵層、鎳層和第二絕緣層。

進一步地，所述發(fā)射線圈、中繼線圈及接收線圈為具有相同匝數(shù)及匝距的多扎線圈。

進一步地，所述發(fā)射線圈與第一電容串聯(lián)；和/或，所述中繼線圈與第二電容串聯(lián)；和/或，所述接收線圈與所述第三電容串聯(lián)。

進一步地，所述接收線圈與直流負載設備之間連接有整流電路；所述整流電路包括：半波整流、全波整流和橋式整流。

進一步地，所述高頻信號發(fā)生器與發(fā)射線圈之間還連接有阻抗匹配網(wǎng)絡。

進一步地，所述阻抗匹配網(wǎng)絡包括串聯(lián)的電感和第四電容。

進一步地，所述阻抗匹配網(wǎng)絡包括源極跟隨器、射極跟隨器和緩沖器；所述源極跟隨器包括有源器件和無源器件。

本實用新型提供的本實施例提供的無線輸電系統(tǒng)，通過設置與發(fā)射線圈同軸同平面的中繼線圈，大大增加了發(fā)射線圈與中繼線圈之間的互感系數(shù)，實現(xiàn)了對源極電流的放大作用，提高了電能的傳輸效率。此外，中繼線圈與發(fā)射線圈同軸同平面設置還可以節(jié)省無線輸電系統(tǒng)的占用空間。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例無線輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型實施例無線輸電系統(tǒng)中發(fā)射線圈與中繼線圈的位置示意圖；

圖3為本實用新型實施例無線輸電系統(tǒng)中磁鍍導線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型實施例無線輸電系統(tǒng)的等效電路圖；

圖5為本實用新型實施例無線輸電系統(tǒng)的傳輸效率仿真圖。

其中，11-高頻信號發(fā)生器；12-功率放大器；13-發(fā)射線圈；21-中繼線圈；31-接收線圈；32-負載設備；41-銅導線；42-第一絕緣層；43-鐵層；44-鎳層；45-第二絕緣層。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。

基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。在不沖突的情況下，下述的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

需要說明的是，在本實用新型的描述中，術語“第一”、“第二”僅用于方便描述不同的部件，而不能理解為指示或暗示順序關系、相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。

圖1為本實用新型實施例無線輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型實施例無線輸電系統(tǒng)中發(fā)射線圈與中繼線圈的位置示意圖。請參照圖1-2所示，本實施例提供一種無線輸電系統(tǒng)，包括：高頻信號發(fā)生器11、功率放大器12、發(fā)射線圈13和接收線圈31；功率放大器12連接在發(fā)射線圈13、高頻信號發(fā)生器11之間；發(fā)射線圈13內(nèi)側(cè)設有中繼線圈21，中繼線圈21與發(fā)射線圈13耦合，且中繼線圈21與發(fā)射線圈13同軸同平面；接收線圈31與中繼線圈21耦合，且接收線圈31還用于與負載設備32連接；其中，發(fā)射線圈13、中繼線圈21和接收線圈31都由磁鍍導線構(gòu)成。

具體地，高頻信號發(fā)生器11用于發(fā)出高頻振蕩信號，例如高頻正弦信號；功率放大器12用于對高頻信號發(fā)生器11發(fā)出的高頻振蕩信號進行放大；發(fā)射線圈13的一側(cè)可以通過功率放大器12與高頻信號發(fā)生器11連接，發(fā)射線圈13的另一側(cè)可以與接收線圈31耦合。中繼線圈21的徑向尺寸小于發(fā)射線圈13，設置在發(fā)射線圈13內(nèi)側(cè)，且與發(fā)射線圈13同軸同平面設置。接收線圈31的徑向尺寸比發(fā)射線圈13的徑向尺寸小得多，接收線圈31通過與發(fā)射線圈13和中繼線圈21之間的磁耦合諧振接收高頻振蕩信號，并為負載設備32提供電能。

本實施例中，發(fā)射線圈13、中繼線圈21及接收線圈31可以為具有相同匝數(shù)及匝距的多扎線圈。發(fā)射線圈13、中繼線圈21和接收線圈31可以具有相同的諧振頻率。當發(fā)射線圈13和接收線圈31平行但不同軸時，由于發(fā)射線圈13與中繼線圈21、中繼線圈21與接收線圈31間有較強的互感，無線輸電系統(tǒng)仍能以較高的效率進行傳輸。并且，發(fā)射線圈13、中繼線圈21和接收線圈31都由磁鍍導線構(gòu)成，以提高發(fā)射線圈13、中繼線圈21和接收線圈31的品質(zhì)因數(shù)，進而提高電能傳輸效率。

本實施例提供的無線輸電系統(tǒng)，通過設置與發(fā)射線圈13同軸同平面的中繼線圈21，大大增加了發(fā)射線圈13與中繼線圈21之間的互感系數(shù)，實現(xiàn)了對源極電流的放大作用，提高了電能的傳輸效率。此外，中繼線圈21與發(fā)射線圈13同軸同平面設置還可以節(jié)省無線輸電系統(tǒng)的占用空間。

在RLC電路中，電阻為耗能元件，電感及電容為儲能元件。在電路處于諧振狀態(tài)下，諧振電路與外界無功率的交換。在一個周期T內(nèi)，可以證明電阻所耗散的能量與電容與電感所儲存的能量分別為：W_R＝I²RT，W_R與W_S之比反映了諧振電路儲能的效率。因此，諧振電路的品質(zhì)因數(shù)

即Q值等于諧振電路中儲存的能量與每個周期中消耗的能量之比的2π倍。Q值越高，即意味著相對與儲存的能量來說，耗散的能量越少，電路的儲能效率就越高，系統(tǒng)的傳輸效率就越高。

圖3為本實用新型實施例無線輸電系統(tǒng)中磁鍍導線的結(jié)構(gòu)示意圖；具體地，磁鍍導線包括：銅導線41，銅導線41外依次套設有第一絕緣層42、鐵層43、鎳層44和第二絕緣層45，以減少磁鍍導線的磁場能量聚集在磁鍍導線的內(nèi)部，減少磁場能量對外部的散失。

本實施例的磁鍍導線中，鐵和鎳屬于磁性物質(zhì)，鐵層43和鎳層44起到了有效的聚磁作用，使磁場能量聚集在鐵層43內(nèi)，而非大量散失。因此，本實施例的無線輸電系統(tǒng)，通過采用上述磁鍍導線，品質(zhì)因數(shù)大幅提升，同時降低阻抗，能夠很大程度減少損耗，提高了電能傳輸效率。

其中，第一絕緣層42是為了隔絕銅導線41與鐵層43；鐵層43還可以提高磁鍍導線的強度，厚度可以為0.3毫米；鎳層44還可以提高磁鍍導線的耐腐蝕性及耐磨性，厚度可以為0.2毫米；第二絕緣層45可以由PVC(Polyvinyl chloride，聚氯乙烯)材料制成，對磁鍍導線的內(nèi)部具有保護作用。

進一步地，發(fā)射線圈13與第一電容串聯(lián)；和/或，中繼線圈21與第二電容串聯(lián)；和/或，接收線圈31與第三電容串聯(lián)。第一電容、第二電容和第三電容分別對發(fā)射線圈13、中繼線圈21和接收線圈31起調(diào)諧作用，使發(fā)射線圈13、中繼線圈21和接收線圈31具有相同的諧振頻率。

本實施例中，當負載設備32為交流負載設備時，接收線圈31可以串聯(lián)匹配電容，并直接與交流負載設備連接，匹配電容用于穩(wěn)定振蕩頻率，防止接收線圈31的輸出信號被干擾。當負載設備32為直流負載設備時，進一步地，接收線圈31與直流負載設備之間連接有整流電路，整流電路用于將接收線圈31的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能；整流電路可以包括：半波整流、全波整流和橋式整流。

為了實現(xiàn)最大功率傳輸，進一步地，高頻信號發(fā)生器11與發(fā)射線圈13之間還連接有阻抗匹配網(wǎng)絡。

其中，阻抗匹配網(wǎng)絡可以為無源網(wǎng)絡，具體包括串聯(lián)的電感和第四電容?；蛘?，阻抗匹配網(wǎng)絡為有源網(wǎng)絡，具體包括源極跟隨器、射極跟隨器和緩沖器；源極跟隨器包括有源器件和無源器件。

圖4為本實用新型實施例無線輸電系統(tǒng)的等效電路圖；圖5為本實用新型實施例無線輸電系統(tǒng)的傳輸效率仿真圖。請參照圖4-5所示，下面對本實用新型無線輸電系統(tǒng)的等效電路模型進行分析：

其中，發(fā)射端及接收端均采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中R₁、R₂、R₃與L₁、L₂、L₃分別為發(fā)射端、中繼和接收端的損耗電阻及電感，R_S和R_L分別為電源等效內(nèi)阻及負載電阻；M₁₂為發(fā)射線圈13與中繼線圈21間互感系數(shù)，k₁₂為其耦合系數(shù)；M₂₃為中繼線圈21和接收線圈31的互感系數(shù)，k₂₃為其耦合系數(shù)；C₁、C₂和C₃分別為發(fā)射線圈13、中繼線圈21和接收線圈31的調(diào)諧電容；V_S為高頻電壓源；

S1、對無線輸電系統(tǒng)的等效電路進行分析，得到如下等式：

其中V_S是高頻信號發(fā)生器11的輸出電壓，j為虛數(shù)單位，ω為角頻率；Z₁₁、Z₂₂和Z₃₃分別為發(fā)射端回路、中級回路和接收端回路的回路阻抗，其值分別為：

M₁₂為發(fā)射線圈13與中繼線圈21的互感系數(shù)，M₂₃為中繼線圈21和接收線圈31的互感系數(shù)，i₁、i₂和i₃分別為發(fā)射端、中繼和接收端三條回路的回路電流。

當系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)時，有：

S2、對S1中的行列式求解，可得i₁、i₂和i₃表達式如下：

S3、對S2中的表達式計算，可進一步得出輸入功率及輸出功率如下：

S4、對S3進一步計算，可得系統(tǒng)的傳輸效率如下：

S5、發(fā)射線圈13中心點與接收線圈31中心點間的垂直距離為D，發(fā)射線圈13中心點與中繼線圈21中心點間的垂直距離為d，則中繼線圈21與接收線圈31間距離為D-d，則互感系數(shù)如下：

上式中，u₀為真空磁導率，其值為u₀＝4π×10^-7H/m，N₁、N₂和N₃分別為發(fā)射線圈13、中繼線圈21和接收線圈31的匝數(shù)，O₁、O₂和O₃代表相應的導線回路，dl₁、dl₂和dl₃分別為發(fā)射線圈13、中繼線圈21和接收線圈31上的一個微元。

由于發(fā)射線圈13與中繼線圈21同軸同平面，所以d→0，則發(fā)射線圈13與中繼線圈21間互感M₁₂比普通有中繼線圈21的輸電系統(tǒng)同等情況下大幅增強。

例如：發(fā)射線圈13半徑為40cm，同軸同平面的中繼線圈21半徑為30cm,接收線圈31半徑為5cm,水平側(cè)移距離為10cm。發(fā)射線圈13、中繼線圈21及接收線圈31的匝距都為1cm，匝數(shù)為8匝，均采用上述磁鍍導線，且發(fā)射線圈13與接收線圈31垂直距離為1m，激勵源頻率設定為f₀＝10.6MHz，使串聯(lián)諧振電路的線圈諧振發(fā)生在10.6MHz附近。如圖5所示，在諧振頻率點附近，本實施例的無線輸電系統(tǒng)的傳輸效率達到接近于1的最高值，很大程度上提高了非對稱小尺寸接收端在有水平側(cè)移情況下的磁耦合諧振無線輸電系統(tǒng)的傳輸效率。

上述各實施例尤其適用于非對稱小尺寸接收端、接收線圈31相對于發(fā)射線圈13有水平偏移的應用場景。通過采用上述實施例中的磁鍍導線結(jié)構(gòu)，能夠提高各線圈的品質(zhì)因數(shù)，降低傳輸損耗；同時通過中繼線圈21與發(fā)射線圈13同軸同平面設置，節(jié)約空間又增強線圈互感，進而顯著提高系統(tǒng)的傳輸效率。

基于上述各實施例中的無線輸電系統(tǒng)的輸電方法具體可以為：

發(fā)射線圈接收高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的、由功率放大器放大的高頻振蕩信號；

中繼線圈通過與發(fā)射線圈的近場耦合，接收發(fā)射線圈傳送的高頻振蕩信號，并將高頻振蕩信號以非輻射近場電磁波的形式發(fā)送出去；

接收線圈接收中繼線圈發(fā)出的電磁波，并將接收到的電磁波轉(zhuǎn)化為電能傳輸給負載設備。

具體地，發(fā)射線圈、中繼線圈和接收線圈全部采用磁鍍導線新型結(jié)構(gòu)，在此前提下發(fā)射線圈接收高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的高頻正弦波信號，得到輸入功率；發(fā)射線圈將接收到的高頻振蕩信號以非輻射近場電磁波的形式發(fā)送出去；中繼線圈在發(fā)射端和接收端的能量輸送過程中起到中轉(zhuǎn)站的作用，通過線圈間的近場耦合收到發(fā)射線圈傳送的高頻振蕩信號，然后以非輻射近場電磁波的形式發(fā)送出去；接收線圈同樣以線圈間耦合接收中繼線圈發(fā)出的信號，得到輸出功率，并將接收到的電磁波轉(zhuǎn)化為電能傳輸給負載設備為其供電，系統(tǒng)的傳輸效率即為輸入功率與輸出功率之比，由此，系統(tǒng)以較高的效率進行電力傳輸。

其中，由于接收線圈的尺寸相對于發(fā)射線圈和中繼線圈的尺寸小的多，中繼線圈設置在發(fā)射線圈內(nèi)側(cè)，接收線圈與發(fā)射線圈同軸或者靠近發(fā)射線圈的軸線設置，因此，接收線圈接收到的電磁波主要為中繼線圈發(fā)出的；當然，接收線圈還可以接收發(fā)射線圈發(fā)出的電磁波。

以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。