基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统技术方案

一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，所述系统的发射端采用阵列式谐振线圈结构和由单个激励线圈同时驱动所有谐振线圈的馈电方式，实现了接收端谐振线圈与发射端谐振线圈阵列之间的磁谐振和接收端处均衡分布的磁场。在实现高于65%的传输效率的同时，扩展了接收端的轴向和横向接收范围，提高了无线电能传输的稳定性。本发明专利技术的发射端和接收端为平面结构，可通过印刷电路板加工，接收端电路板的空白区域集成了整流稳压电路，可输出5V-12V直流电压，接收端尺寸可缩小至50×50×1mm3。本发明专利技术适用于矩形、方形等各种线圈结构，可应用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备、音箱、移动通信终端和小型消费电子产品的单对单和单对多无线电能传输。

【技术实现步骤摘要】
基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统
本专利技术涉及一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，属无线电能传输

技术介绍
随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的家电设备和消费电子产品、移动通信设备等已得到了广泛普及，然而传统的家用电器依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，采用内置电池的电子设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，因此我们随处能看到为这些电子设备提供电能供给的电线。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，而且产生了安全用电的隐患。所以，随着人们对可以完全无线使用的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点。目前，该技术已逐渐被应用于人们日常生活中的低功耗电子产品中，替代原有的电源线来实现对设备的无线充电，给人们的生活带来额外的便利。例如基于磁感应耦合技术的无线充电牙刷和无线充电毯。然而无线能量传输技术的应用价值和市场潜力远远不止于此。例如无线能量传输技术在智能家居领域的应用将移颠覆传统家电及移动通信设备、电子消费产品的使用模式，以住宅为平台，利用中距离无线能量传输技术、隐藏布线技术以及自动控制技术彻底移除家居生活区域内所有电源线，对设备进行无线充电或者持续电能供给，提升家居安全性、便利性、舒适性和艺术性，构建高效、环保、节能的居住环境。另外，对于生物医学领域中的可用于诊疗的可植入医疗设备来说，考虑到对其进行有线持续供电或充电的不方便性、不可行性甚至高危险性，无线能量传输技术的应用也显得极为重要和关键。无线能量传输模式和机理大体可分为磁感应耦合、电磁辐射和磁谐振耦合三种方式。和电磁辐射方式相比，磁谐振耦合方式在安全性和传输效率上都具有优势；与磁感应耦合方式相比，它在传输距离上具有优势。目前已公开的基于磁谐振耦合方式的无线电能传输系统的发射端和接收端均采用单个谐振线圈结构，通过收发端谐振线圈间的同频磁谐振耦合来实现电能的传输；这种采用单对单谐振线圈设计的无线电能传输系统会导致接收端处的磁场分布不均衡，使得接收模块沿轴向小范围移动时和在相同轴向距离处沿横向移动时传输效率下降明显；此类设计对接收模块的摆放位置要求较高，接收模块需正对发射模块的中心且处于特定传输距离处才能保证电能的有效传输，不符合市场上对电子产品使用的人性化要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是，为了给便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和LED照明设备提供一个稳定的无线充电或无线电能供给方案，解决目前市场上无线电能传输系统中当接收端偏离预设充电位置、沿轴向或横向移动时传输效率明显下降的技术难题，满足市场上对电子产品使用的人性化要求，本专利技术提出一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统。实现本专利技术的技术方案是，本专利技术对无线电能传输系统的发射端采用了多个谐振线圈和单个激励线圈的设计，并通过将发射端的多个谐振线圈在同一平面上呈阵列式排列和采用单个激励线圈对谐振线圈组中所有线圈的同步耦合馈电，设计了有效传输距离内磁场均衡分布的无线电能传输系统，在保证高效的中距离无线电能传输的同时，有效地扩展了接收端的轴向和横向接收范围。本专利技术所提出的设计是一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，包括用于无线电能发射的发射模块，和用于无线电能接收的接收模块。所述发射模块为平板型结构，可通过印刷电路工艺进行加工，正面有同处一面的谐振线圈阵列，背面有一个激励线圈。所述接收模块也为平板型结构，可通过印刷电路工艺进行加工，正面有同处一面的接收谐振线圈、负载线圈和整流稳压集成电路，背面有多个接收寄生线圈。由所述发射模块和接收模块组成的无线电能传输系统可以实现传输距离为50mm-150mm、传输效率大于65％的无线电能传输。并且在有效传输距离内，随着接收模块的横向移动，系统的传输效率下降不明显，下降幅度较传统的无线电能传输系统和采用单对单谐振线圈设计的普通平板型无线电能传输系统减小了十倍以上。所述发射模块正面的发射谐振线圈均为四方螺旋环形，多个谐振线圈呈二维阵列式排列；背面的激励线圈为四方环形，激励线圈的中心正对谐振线圈阵列的中心。所述接收模块正面的接收谐振线圈为四方螺旋环形，负载线圈为四方环形；接收谐振线圈位于平面的外圈，负载线圈位于平面的内圈；整流稳压集成电路位于负载线圈内的空白区域处；接收模块背面的寄生线圈为缺损四方环形，其中外环、中环、内环寄生线圈分别位于平面的外圈、中圈和内圈；打孔插针将寄生线圈结构与接收谐振线圈相联接。本专利技术采用的阵列型谐振线圈设计使得系统在有效的传输范围内能产生均衡分布的磁场。因此传输过程中接收模块在与传输方向垂直的平面上横向移动时，系统的传输效率下降幅度很小，仍可以保持较为高效的传输。同时，当接收模块沿传输方向(轴向)移动时，由传输距离过近引起的过耦合和传输距离过远引起的欠耦合均可以得到有效缓解，使得系统的传输效率下降幅度不大。而传统的无线电能传输系统和普通平板型无线电能传输系统在当接收模块偏离最优化的接收位置进行空间移动时，传输效率急剧下降，无法形成有效传输。本专利技术在发射模块背面设置了单个激励线圈，由单个激励线圈同时驱动发射模块正面的多个谐振线圈，实现了谐振线圈阵列的同频谐振。不仅节省了加工成本，而且给发射模块的背面留出大量空间，用于添加集成匹配电路和可调电子元器件来优化系统的传输性能和实现系统的智能控制。本专利技术的接收模块添加了整流稳压集成电路，可稳定输出5V-12V直流电压。集成后的系统的接收端尺寸可缩小到50mm×50mm×1mm。本专利技术的有益效果是，本专利技术采用了阵列型谐振线圈结构的设计方案，能够通过多个发射端谐振线圈与接收端谐振线圈间的同步谐振来产生均衡分布的磁场，扩大了系统的有效传输范围；解决了目前市场上无线电能传输系统中当接收端偏离预设充电位置，沿轴向或横向移动时传输效率明显下降的技术难题，此效果具有人性化，能满足多元化的用户需求；本专利技术提出了由单个激励线圈同时驱动发射模块正面的多个谐振线圈的设计，不仅实现了谐振线圈阵列的同频谐振，而且在发射模块背面留出了很大的空间可用于添加集成电路和电子元器件，提高了系统加工的灵活性和集成度，节省了加工成本；本专利技术中接收端的匹配电路和整流稳压电路与接收端线圈组共用同一电路板，集成后的系统的接收端尺寸大大缩小，可满足便携式电脑、平板电脑、LED照明设备、音箱、移动通信终端和消费电子产品的小型化需求。附图说明图1为采用矩形单谐振线圈的普通平板型无线电能传输系统的发射端结构图；图2为采用1×2谐振线圈阵列的磁场均衡分布型无线电能传输系统的发射端结构图；图3为采用方形单谐振线圈的普通平板型无线电能传输系统的发射端结构图；图4为采用2×2谐振线圈阵列的磁场均衡分布型无线电能传输系统的发射端结构图；图5为可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的普通平板型无线电能传输系统的接收端正面结构图；图6为可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备和音箱的普通平板型无线电能传输系统的接收端背面结构图；图7为可用于移动通信终端、小型消费电子产品的磁场均衡分布型无线电能传输系统的接收端正面结构图；图8为可用于移动通信终端、小型消费电子产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，包括：发射模块，用于无线电能的发射；接收模块，用于无线电能的接收；所述发射模块为平板型结构，正面有同处一面的发射谐振线圈阵列，背面有一个激励线圈；所述接收模块为平板型结构，正面有同处一面的接收谐振线圈、负载线圈和整流稳压集成电路，背面有多个接收寄生线圈；由所述发射模块和接收模块组成的无线电能传输系统可以实现传输距离为50mm‑150 mm、传输效率大于65%的无线电能传输。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，包括：发射模块，用于无线电能的发射；接收模块，用于无线电能的接收；所述发射模块为平板型结构，正面有同处一面的发射谐振线圈阵列，背面有一个激励线圈；所述接收模块为平板型结构，正面有同处一面的接收谐振线圈、负载线圈和整流稳压集成电路，背面有多个接收寄生线圈；由所述发射模块和接收模块组成的无线电能传输系统可以实现传输距离为50mm-150mm和传输效率大于65％的无线电能传输。2.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述发射模块正面的发射谐振线圈均为四方螺旋环形，多个谐振线圈呈二维阵列排列；背面的激励线圈为四方环形，激励线圈的中心正对谐振线圈阵列的中心。3.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块正面的接收谐振线圈为四方螺旋环形，负载线圈为四方环形；接收谐振线圈位于平面的外圈，负载线圈位于平面的内圈；整流稳压集成电路位于负载线圈内的空白区域处；接收模块背面的寄生线圈为缺损四方环形，其中外环、中环、内环寄生线圈分别位于平面的外圈、中圈和内圈；打孔插针将寄生线圈结构与接收谐振线圈相联接。4.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块添加了整流稳压集成电路，可稳定输出5V-12V直流电压；系统接收端可用于便携式电脑、平板电脑、LED照明设备、音箱、移动通信终端和小型消费电子产品的无线充电或持续电能供给。5.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述发射模块既可以采用矩形设计也可以采用方形设计，其中矩形设计是指发射模块印刷电路板为矩形的设计，方形设计是指发射模块印刷电路板为方形的设计。6.根据权利要求5所述的基于磁谐振耦合的磁场均衡分布型无线电能传输系统，其特征在于，所述发射模块采用矩形设计时，所述发射模块的几何参数和电气参数如下：发射端所处的矩形印刷电路板的长度Lr为210mm；发射端所处的矩形印刷电路板的宽度Hr为100mm；发射端谐振线圈201中微带线的宽度Wr2为6.0mm-6.6mm；发射端谐振线圈单元的中心到其最外沿的距离Rl为50mm；发射端谐振线圈单元的中心到其最内沿的距离Rm为23mm-25mm；发射端谐振线圈单元中相邻微带线之间的间距S2为3mm-4mm；发射端两相邻谐振线圈单元之间的间距SG为10mm；激励线...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻易强，陈志璋，彭思培，法瑞德·朱拉里，
申请(专利权)人：喻易强，
类型：发明
国别省市：湖北;42