一种无线能量传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无线能量传输系统，包括接收装置与发射装置，接收装置和发射装置均包括介质层，介质层的底部设有接地板，介质层的顶部设有带开口的环形金属贴片，环形金属贴片的开口处加载有电抗元件，环形金属贴片通过馈电结构进行馈电，且接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片面对面、平行设置。本发明专利技术采用加载电抗元件的环形金属贴片代替传统的无线充电收发线圈作为无线能量的发射装置和接收装置，能够在保证同等能量传输效率的前提下，扩大发射装置与接收装置容许的偏移范围，降低发射装置与接收装置对准的精度要求。并且，本发明专利技术的系统能够采用成熟的印刷电路板工艺制作，从而有效降低成本，提高一致性性能。

【技术实现步骤摘要】
一种无线能量传输系统
本专利技术涉及无线电技术，特别是涉及为无线电子设备提供无线充电的系统。
技术介绍
通过电磁波实现能量无线传输的技术可以用于为无线电子设备提供无线充电，以降低更换电池或有线充电带来的使用和维护成本。目前，基于磁耦合的无线充电技术已经在电动牙刷、手机等消费类电子产品中实现较为成熟的商业应用。该技术采用低频电磁场(通常为数千至数兆赫兹)，特点是效率高，易于满足人体安全标准，缺点是要求无线能量收发装置精确对准，相对位置稍有偏差就会导致能量传输效率大幅下降。此外，磁耦合无线充电系统的能量收发装置均采用多匝线圈结构，不同厂家产品的兼容一致性较差，且成本较高。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种无线能量传输系统，它能够降低无线能量收发装置对准的精度要求，有效降低成本，提高一致性性能，能够代替现有技术中的线圈结构。技术方案：本专利技术所述的无线能量传输系统，包括接收装置与发射装置，其特征在于：所述接收装置和发射装置均包括介质层，介质层的底部设有接地板，介质层的顶部设有带开口的环形金属贴片，环形金属贴片的开口处加载有电抗元件，环形金属贴片通过馈电结构进行馈电，且接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片面对面、平行设置。进一步，所述接收装置和发射装置均包括一个环形金属贴片。作为一种典型的情况，接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片满足以下关系：max(r1,r2)≤2min(r1,r2)，0≤Δr<min(r1,r2)，0<d<min(r1,r2)；其中，r1为发射装置中环形金属贴片的半径，r2为接收装置中环形金属贴片的半径，max(r1,r2)代表r1和r2两个半径中较大的半径值，min(r1,r2)代表r1和r2两个半径中较小的半径值，Δr为发射装置中环形金属贴片的中心轴线与接收装置中环形金属贴片的中心轴线之间的距离，d为发射装置中环形金属贴片所在面与接收装置中环形金属贴片所在面之间的距离。当接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片满足上述关系时，通过微调无线能量的发射频率，能够保持与现有技术同等的能量传输效率。也即，在能够达到同等的能量传输效率的前提下，Δr和d容许一定范围的偏移(Δr和d偏移可达到min(r1,r2))，这有效降低了接收装置与发射装置对准的精度要求。作为另一种典型的情况，接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片满足以下关系：max(r1,r2)>2min(r1,r2)，|r1-r2|-min(r1,r2)/3<Δr<|r1-r2|+min(r1,r2)/3，0<d<min(r1,r2)；其中，r1为发射装置中环形金属贴片的半径，r2为接收装置中环形金属贴片的半径，max(r1,r2)代表r1和r2两个半径中较大的半径值，min(r1,r2)代表r1和r2两个半径中较小的半径值，Δr为发射装置中环形金属贴片的中心轴线与接收装置中环形金属贴片的中心轴线之间的距离，d为发射装置中环形金属贴片所在面与接收装置中环形金属贴片所在面之间的距离。当接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片满足上述关系时，通过微调无线能量的发射频率，能够保持与现有技术同等能量传输效率。也即，在能够达到同等的能量传输效率的前提下，Δr和d容许一定范围的偏移(Δr偏移可达到2min(r1,r2)/3，d偏移可达到min(r1,r2))，这有效降低了接收装置与发射装置对准的精度要求。进一步，所述发射装置包括多个同心的环形金属贴片和/或接收装置包括多个同心的环形金属贴片。这样有多个环形金属贴片，每个环形金属贴片对应一路能量发射通道或者能量接收通道，当Δr和d取不同值时，能够选择能量传输效率最高的一对发射通道和接收通道进行无线能量传输，从而能够进一步扩大Δr容许的偏移距离。进一步，所述电抗元件的电抗值可调。这样能够进一步提高能量传输效率。进一步，所述发射装置还包括单刀多掷开关，单刀多掷开关的动触点连接发射装置中的馈电结构，单刀多掷开关的多个静触点分别连接不同的功率源和全反射负载。当选择某一对收发通道进行能量传输时，该发射通道的单刀多掷开关连接馈电结构与功率源，其它发射通道的单刀多掷开关能够选择馈电结构连接某一个最优的全反射负载，从而进一步提高能量传输效率。进一步，所述接收装置还包括单刀多掷开关，单刀多掷开关的动触点连接接收装置中的馈电结构，单刀多掷开关的多个静触点分别连接不同的能量接收负载和全反射负载。当选择某一对收发通道进行能量传输时，该接收通道的单刀多掷开关连接馈电结构与能量接收负载，其它接收通道的单刀多掷开关能够选择馈电结构连接某一个最优的全反射负载，从而进一步提高能量传输效率。有益效果：本专利技术公开了一种无线能量传输系统，采用加载电抗元件的环形金属贴片代替传统的无线充电收发线圈作为无线能量的发射装置和接收装置，能够在保证同等能量传输效率的前提下，扩大发射装置与接收装置容许的偏移范围，降低发射装置与接收装置对准的精度要求。并且，本专利技术的系统能够采用成熟的印刷电路板工艺制作，从而有效降低成本，提高一致性性能。附图说明图1为本专利技术实施例1中发射装置的俯视图；图2为本专利技术实施例1中发射装置的侧视图；图3为本专利技术实施例2中系统的结构图；图4为本专利技术实施例3中系统的结构图；图5为本专利技术实施例4中发射装置的俯视图；图6为本专利技术实施例4中Δr小于一定阈值时系统的结构图；图7为本专利技术实施例4中Δr大于一定阈值时系统的结构图；图8为本专利技术具体实施方式中采用双环形金属贴片作为发射装置时，接收装置相对于发射装置在不同Δr下能量传输效率的仿真结果。具体实施方式下面结合具体实施方式和附图，对本专利技术的技术方案做进一步的介绍。本具体实施方式公开了一种无线能量传输系统，包括接收装置和发射装置，其中接收装置和发射装置均包括介质层，介质层的底部设有接地板，介质层的顶部设有带开口的环形金属贴片，环形金属贴片的开口处加载有电抗元件，环形金属贴片通过馈电结构进行馈电，且接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片面对面、平行设置。馈电结构可以采用同轴馈电结构，也可以替换为微带馈电或者其它形式的馈电结构。能量经馈电结构馈电至发射装置中的环形金属贴片，在其周围形成非辐射的电磁场分布，并通过该电磁场分布于接收装置中的环形金属贴片形成耦合，接收装置中的环形金属贴片将耦合接收到的电磁能量通过馈电结构输出。下面通过几个实施例对本具体实施方式进行进一步的介绍。实施例1：本实施例中，接收装置和发射装置均包括一个环形金属贴片。图1和图2示出了发射装置的结构，可见，发射装置包括厚度为h1的介质层3，介质层3的底部设有接地板4，介质层3的顶部设有带开口的环形金属贴片1，环形金属贴片1的开口处加载有电抗元件2。电抗元件2可以是电容或者电感。环形金属贴片1采用同轴馈电结构进行馈电，同轴馈电结构的外导体与接地板4相连，同轴馈电结构的内导体5的顶端与环形金属贴片1相连。环形金属贴片1的半径为r1，宽度为w1，内导体5顶端和环形金属贴片1圆心之间连线与电抗元件2和环形金属贴片1圆心之间连线的夹角为α1。接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线能量传输系统，包括接收装置与发射装置，其特征在于：所述接收装置和发射装置均包括介质层，介质层的底部设有接地板，介质层的顶部设有带开口的环形金属贴片，环形金属贴片的开口处加载有电抗元件，环形金属贴片通过馈电结构进行馈电，且接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片面对面、平行设置。

【技术特征摘要】
1.一种无线能量传输系统，包括接收装置与发射装置，其特征在于：所述接收装置和发射装置均包括介质层，介质层的底部设有接地板，介质层的顶部设有带开口的环形金属贴片，环形金属贴片的开口处加载有电抗元件，环形金属贴片通过馈电结构进行馈电，且接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片面对面、平行设置。2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述接收装置和发射装置均包括一个环形金属贴片。3.根据权利要求2所述的无线能量传输系统，其特征在于：接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片满足以下关系：max(r1,r2)≤2min(r1,r2)，0≤Δr<min(r1,r2)，0<d<min(r1,r2)；其中，r1为发射装置中环形金属贴片的半径，r2为接收装置中环形金属贴片的半径，max(r1,r2)代表r1和r2两个半径中较大的半径值，min(r1,r2)代表r1和r2两个半径中较小的半径值，Δr为发射装置中环形金属贴片的中心轴线与接收装置中环形金属贴片的中心轴线之间的距离，d为发射装置中环形金属贴片所在面与接收装置中环形金属贴片所在面之间的距离。4.根据权利要求2所述的无线能量传输系统，其特征在于：接收装置中的环形金属贴片与发射装置中的环形金属贴片满足以下关系：max(r1,r2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王薪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32