磁感应无线电能传输线圈及磁感应式无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术提出了磁感应无线电能传输线圈及磁感应式无线电能传输系统，该系统中的发射线圈和接收线圈采用了新型的线圈形式，该线圈由两个独立的互不连接的平面螺旋结构构成。两个平面螺旋结构所在平面相互平行，绕线方向相反。两个平面螺旋结构分别接至高频交流电源或负载的两极。相比于传统磁感应无线能量传输线圈结构，本结构无需外接补偿电路，在能量发射端，可直接接在交流供电电源上，在能量接收端，可直接接在交流负载或者整流电路上。采用本线圈结构组成的磁感应无线电能传输系统由于没有补偿电路，其结构更加简单紧凑、可靠性更高，在无线实时供能以及无线充电领域具有很大的工程应用前景。

Magnetic induction radio energy transmission coil and magnetic induction radio energy transmission system

【技术实现步骤摘要】
磁感应无线电能传输线圈及磁感应式无线电能传输系统
本专利技术涉及无线电能传输领域，尤其涉及磁感应无线电能传输线圈及磁感应式无线电能传输系统。
技术介绍
磁感应无线电能传输是一种采用交变磁场进行无线电能传输的方法。由于磁场不与电介质发生作用，因此在潮湿环境中、周围有人类活动的使用环境中以及人体内部采用磁感应原理的无线电能传输是高度安全可靠的。因此，它非常适合许多应用，例如：非接触式电动汽车充电、可植入医疗设备供电以及水下或危险环境中的各种应用。传统磁感应无线电能传输系统的结构包括交流电源，负载，功率传输线圈及其补偿电路。交流电源驱动发射线圈，在其周围产生交变磁场。根据电磁感应原理，接收线圈在磁场中感应出交变电动势，进而将交流电能传输给负载。由于线圈的阻抗呈感性，因此会在传输系统中形成大量的无功功率，为了获得较高的功率传输效率，需要在交流电源和发射线圈之间以及接收线圈和负载之间加入补偿电路，以消除无功功率。但是，补偿电路会增加电路复杂度并降低系统可靠性。另外，不可避免地，补偿电路本身具有一定的损耗，从而降低了整个功率传输系统的效率。因此，迫切需要一种无需补偿电路即可工作的磁感应式无线电能传输结构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供磁感应无线电能传输线圈及磁感应式无线电能传输系统，其在工作频率的阻抗特性呈现出电抗为0的特性，即该线圈的阻抗特性与连接了补偿电路的传统线圈一致。因此，该线圈可以直接连接在交流电源或者负载上，无需额外加入补偿电路。所提出的线圈是由两个反对称的平面螺旋线构成的，它们布置在两个平行的层中，并且彼此之间没有电气连接。两个反对称的平面螺旋线构成该线圈的电感，而由于两者之间电气隔离，因此会在形成等效寄生电容。本专利技术提出的新型线圈结构的工作频率即为上述电感与电容的谐振频率。增加线圈的圈数将增大线圈的自感，因此线圈的工作频率会降低；减小两个反对称平面螺旋线之间的距离将增大线圈的等效寄生电容，因此线圈的工作频率会降低。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：磁感应无线电能传输线圈，其包括两个反对称的螺旋线圈及其引线；两个反对称的螺旋线圈之间相互电气隔离且处于不同的平面内；两个反对称的螺旋线圈均设置有两个端点，其中外侧或者内侧端点连接引线、另一端点留空。本专利技术提供的磁感应无线电能传输线圈中，作为一种选择，构成线圈的平面螺旋线为阿基米德螺旋线；作为另一种选择，构成线圈的平面螺旋线为对数旋螺旋线。本专利技术提供的磁感应无线电能传输线圈中，作为一种选择，构成线圈的平面螺旋线使用印刷电路板工艺制作；作为另一种选择，构成线圈的平面螺旋线使用柔性电路板工艺制作。作为一种选择，构成线圈的平面螺旋线使用单股实心金属线绕制而成；作为另一种选择，构成线圈的平面螺旋线使用单股空心金属线绕制而成；作为另一种选择，构成线圈的平面螺旋线使用多股金属线绕制而成。作为一种选择，构成线圈的平面螺旋线使用多股(包含2股至2000股)金属线绕制而成；作为另一种选择在于，构成线圈的平面螺旋线使用漆包金属线绕制而成；再一种选择在于，构成线圈的平面螺旋线使用丝包金属线绕制而成。本专利技术提供的磁感应无线电能传输线圈中，两个反对称的螺旋线圈由金属导体制成。本专利技术提供的磁感应无线电能传输线圈中，两个反对称的螺旋线圈的绕线方向相反。本专利技术提供的磁感应无线电能传输线圈中，两个反对称的螺旋线圈的总圈数加和值的范围在2-10000，线圈采用分段结构，圈数范围可以是整数或者非整数。本专利技术提供的磁感应无线电能传输线圈中，两个反对称的螺旋线圈分别位于两层，由磁性或者非磁性介质板材或者支架进行固定。本专利技术提供的磁感应无线电能传输线圈中，两个反对称的螺旋线圈分别位于两层且层间距可调。本专利技术提供的磁感应无线电能传输线圈中，引线采用金属导体制成。磁感应式无线电能传输系统，其包括前文提到的无线电能传输线圈，更进一步的是，而该系统包括发射端、接收端；在发射端，高频交流电源的两个电极连接于发射端线圈的两个引线上；在接收端，接收线圈的两个引线连接于负载。本专利技术将两个工作频率相同的上述磁感应无线电能传输线圈(圈数、尺寸、间距等参数可以不同)分别连接到交流电源和负载，即可组成一个无补偿电路的磁感应式无线电能传输系统。对于采用线圈组成的无线电能传输系统，发射线圈和接收线圈的谐振频率应相同或相近。本专利技术提供的磁感应式无线电能传输系统中，所述高频交流电源与发射线圈之间不需要补偿电路，负载与接收线圈之间不需要补偿电路，负载为交流负载或者是包含整流、滤波、稳压电路以及直流负载的等效交流负载。本专利技术提供的磁感应式无线电能传输系统中，发射线圈和接收线圈的圈数可以相同或者不同。本专利技术提供的磁感应式无线电能传输系统中，发射线圈和接收线圈的螺线形式可以相同或者不同。本专利技术提供的磁感应式无线电能传输系统中，发射线圈和接收线圈的直径可以相同或者不同。本专利技术提供的磁感应式无线电能传输系统中，发射线圈和接收线圈的加工方法可以相同或者不同。与现有技术相比，本专利技术的优点为：该线圈由两个独立的互不连接的平面螺旋结构构成。两个平面螺旋结构所在平面相互平行，绕线方向相反。两个平面螺旋结构分别接至高频交流电源或负载的两极。线圈的工作频率涵盖1kHz至1GHz，其工作频率可由两个平面螺旋结构的大小、圈数以及所在平面之间的距离调节：工作频率随平面螺旋结构的增大以及圈数的增加而减小，随平面螺旋结构所在平面之间的距离减小而减小。平面螺旋结构可以通过导线绕制，也可以采用印刷电路板(包括柔性印刷电路板)工艺加工。相比于传统磁感应无线能量传输线圈结构，本结构无需外接补偿电路，在能量发射端，可直接接在交流供电电源上，在能量接收端，可直接接在交流负载或者整流电路上。采用本线圈结构组成的磁感应无线能量传输系统由于没有补偿电路，其结构更加简单紧凑、可靠性更高，在无线实时供能以及无线充电领域具有很大的工程应用前景。附图说明图1是本专利技术第一实施方式提供的无线电能传输线圈的结构示意图。图2是本专利技术第二实施方式提供的使用本专利技术无线电能传输线圈构建的磁感应式无线电能传输系统的示意图。具体实施方式下面将结合示意图对本专利技术所采用的技术方案作进一步的说明。本专利技术第一实施方式提供了无线电能传输线圈，参见图1，该线圈包括上层线圈101，下层线圈102，上层线圈引线103以及下层线圈引线104。上层线圈101与下层线圈102位于不同的平面内。上层线圈引线103和下层线圈引线104共同组成无线电能传输线圈的接线端，由于无线电能传输系统传输的是交流电，因此上层线圈引线103和下层线圈引线104无正负极性区别。上层线圈101与下层线圈102分别通过磁性或者非磁性介质板材作为支撑结构，以保证无线电能传输线圈具有良好的机械强度，在使用当中不易产生形变。支撑介质板可位于上层线圈101和下层线圈102之间，也可以位于两者外侧。其中一侧支撑介质板可采用磁性介质，以提高传输效率，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.磁感应无线电能传输线圈，其特征在于，其包括两个反对称的螺旋线圈及其引线；/n两个反对称的螺旋线圈之间相互电气隔离且处于不同的平面内；/n两个反对称的螺旋线圈均设置有两个端点，其中外侧或者内侧端点连接引线、另一端点留空。/n

【技术特征摘要】
1.磁感应无线电能传输线圈，其特征在于，其包括两个反对称的螺旋线圈及其引线；
两个反对称的螺旋线圈之间相互电气隔离且处于不同的平面内；
两个反对称的螺旋线圈均设置有两个端点，其中外侧或者内侧端点连接引线、另一端点留空。


2.根据权利要求1所述的磁感应无线电能传输线圈，其特征在于，所述两个反对称的螺旋线圈由金属导体制成。


3.根据权利要求1所述的磁感应无线电能传输线圈，其特征在于，所述两个反对称的螺旋线圈的绕线方向相反。


4.根据权利要求1所述的磁感应无线电能传输线圈，其特征在于，所述两个反对称的螺旋线圈的总圈数加和值的范围在2-10000；
线圈采用分段结构，圈数范围可以是整数或者非整数。


5.根据权利要求1所述的磁感应无线电能传输线圈，其特征在于，所述两个反对称的螺旋线圈分别位于两层，由磁性或者非磁性介质板材或者支架...

【专利技术属性】
技术研发人员：扆梓轩，李美玲，杨雪霞，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31