一种无电容自谐振式双向无线能量传输阵列装置制造方法及图纸

本发明专利技术对无外接电容式线圈结构进行改进，公开了一种无电容自谐振式双向无线能量传输阵列装置，包括相互连接的矩形螺旋多匝线圈和交流电源，可以实现双向传输，在一些工业应用的场景下，双向传输有着较好的作用；无需外加电容，尺寸小，能成为构建大阵列的基本单元，也能用于需要小尺寸植入设备的应用。能用于需要小尺寸植入设备的应用。能用于需要小尺寸植入设备的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种无电容自谐振式双向无线能量传输阵列装置


[0001]本专利技术涉及无线能量传输
，具体涉及一种无电容自谐振式双向无线能量传输阵列装置。

技术介绍

[0002]由于无导线的优点，无线能量传输(WPT,Wireless Power Transfer)技术已经被应用在各种各样的领域，如充电、检测等。随着时代的快速发展，尤其是便携式电子设备、植入式医疗设备和电动汽车的快速发展，WPT技术得到了越来越多的关注；谐振式无线能量传输利用发射线圈(Tx)和接收线圈(Rx)之间的磁场耦合来传输能量，大部分的谐振式WPT都需要使用额外的补偿电容来调谐，但添加补偿电容会增加系统的复杂性、大小和成本并降低系统的可靠性。因此，无额外添加补偿电容的WPT结构出现了，这种结构通过线圈自身带有的电容，简称自电容，替代额外添加的补偿电容与线圈产生耦合，以达到不需要使用额外电容也能产生所需频率的谐振。现有的技术一般都是采用双线圈拓扑结构来构成自谐振电路；大多都是通过以下两种技术方案来实现的：
[0003]1.减小多匝线圈之间的匝间间距来增加其匝间电容，以获取所需的电容值。
[0004]2.增加线圈的数量来增加电感。
[0005]大多数自谐振线圈的设计都是围绕着上述两个方案来设计，但是，无论是方案一还是方案二都具有一定的局限性。对于方案一，因线圈的厚度(0.035mm)的制约，匝间电容的值不可能变得很大，因此需要另外一种增大自电容的方法；对于方案二，增加线圈的数量势必会增加系统的重量。
[0006]因此，基于上述的方案中的不足之处，提出了一种类似于平行电容器的线圈结构。

技术实现思路

[0007]本专利技术克服现有技术的不足，针对上诉缺点本专利技术做出了以下的改进和优化。
[0008]本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：
[0009]提供了一种无电容自谐振式双向无线能量传输阵列装置，包括相互连接的矩形螺旋多匝线圈和交流电源，所述矩形螺旋多匝线圈数量为2，两个矩形螺旋多匝线圈之间设置有介质基板，所述介质基板用于存储各种介质；所述交流电源用于输入本装置所需频率的交流电。
[0010]优选的，所述矩形螺旋多匝线圈的匝数N至少为2且每匝之间的间距为s。
[0011]优选的，所述矩形螺旋多匝线圈的谐振频率f的计算公式如下：
[0012][0013]其中，L为两个矩形螺旋多匝线圈的等效电感，C为两个矩形螺旋多匝线圈的等效电容。
[0014]更优的，所述等效电容C的计算公式如下：
[0015][0016]其中，ε为介质基板中填充的介质的介电常数，S为两个矩形螺旋多匝线圈的表面面积之商，d为介质基板的厚度，增大介质的介电常数会增大两线圈之间的电容，从而使谐振频率减小；减小介质的介电常数会减小两线圈之间的电容，使谐振频率变大。
[0017]本专利技术装置结构相较于其它的自谐振结构的有着以下优点：
[0018]本装置不仅能通过改变匝间间距改变电容值，也可以通过改变介质基板中的电介质来获取不同的电容值。有着更多的途径获得电容值，进而降低线圈的谐振频率。通过上述的方法可以解决传统的低谐振频率的线圈结构因匝间电容提供的较低电容而需要较大电感值导致线圈装置的尺寸或重量较大的问题。在相同的谐振频率下，使用上述方法的结构能有着更小的尺寸，且无需外加电容，便于进行阵列化，进一步提高传输效率和传输功率。
附图说明
[0019]利用附图对本专利技术作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本专利技术的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
[0020]图1为本专利技术无线能量传输阵列装置的示意图；
[0021]图2为本专利技术无线能量传输阵列装置的结构上表面图；
[0022]图3为本专利技术无线能量传输阵列装置的结构的等效电路图；
[0023]图4为本专利技术一个较好实施例的无线能量传输阵列装置的介质基板材料为云母时的S11图；
[0024]图5为本专利技术一个较好实施例的无线能量传输阵列装置在不同距离下的磁场分布图；
[0025]图6为本专利技术一个较好实施例的无线能量传输阵列装置的远场增益示意图；
[0026]图7为本专利技术无线能量传输阵列装置的双线圈系统的电路等效图；
[0027]图8为本专利技术一个较好实施例的无线能量传输阵列装置传输距离与效率的关系图。
具体实施方式
[0028]以下结合具体实施例对一种无电容自谐振式双向无线能量传输阵列装置作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本专利技术不限定于这些实施例中。
[0029]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0030]本专利技术提供了一种无电容自谐振式双向无线能量传输阵列装置，如图1所示，包括相互连接的矩形螺旋多匝线圈和交流电源，所述矩形螺旋多匝线圈数量为2，两个矩形螺旋多匝线圈之间设置有介质基板，所述介质基板用于存储介质；所述交流电源用于输入本装置所需频率的交流电。
[0031]利用平行电容板原理，将两个矩形螺旋多匝线圈平行放置以形成一种类似于平行电容板中的“极板”，然后在两矩形螺旋多匝线圈之间填充电介质起到支撑和改变两线圈之间介电常数的功能。最后，将两线圈的一端连接起来，另一端保持平行，使其形成与平行电容板相同的结构。其具体结构如下图2所示。
[0032]其中1是交流电源端口，输入该结构所需频率的交流电，也是两矩形螺旋多匝线圈之间的唯一连接处；2是矩形螺旋多匝线圈每匝之间的间距s；3是矩形螺旋多匝线圈，其匝数N并不固定且材质可以是任意的导电材料，如铜，金，银等；4是介质基板，用以填充各样的电介质和起到物理支撑的功能。
[0033]优选的，所述矩形螺旋多匝线圈的匝数N至少为2且每匝之间的间距为s。
[0034]利用上下两平行的矩形螺旋多匝线圈之间的耦合电容和每匝线圈的匝间电容构成了该结构所需的补偿电容，以实现目标频率所需的自谐振式传输。其等效电路图如3所示：
[0035]其中，C1为两线圈之间的等效耦合电容；C2为每匝线圈之间的匝间电容的总和；ZG是该结构上表面线圈的交流阻抗和电感的阻抗和；ZL是下表面线圈的交流阻抗和电感的阻抗和；Zin是该结构的输入阻抗；电流从上表面矩形螺旋线圈流入，途径各个并联的匝间电容和上下两线圈之间的耦合电容，之后流经下表面矩形螺旋线圈，并最终从中流出，构成该结构的完整电路回路。
[0036]优选的，所述矩形螺旋多匝线圈的谐振频率f的计算公式如下：
[0037][0038]其中，L为两个矩形螺旋多匝线圈的等效电感，C为两个矩形螺旋多匝线圈的等效电容，即是图3中匝间电容C2和耦合电容C1之和；当L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无电容自谐振式双向无线能量传输阵列装置，其特征在于，包括相互连接的矩形螺旋多匝线圈和交流电源，所述矩形螺旋多匝线圈数量为2，两个矩形螺旋多匝线圈之间设置有介质基板，所述介质基板用于存储各种介质；所述交流电源用于输入本装置所需频率的交流电。2.根据权利要求1所述的一种无电容自谐振式双向无线能量传输阵列装置，其特征在于，所述矩形螺旋多匝线圈的匝数N至少为2且每匝之间的间距为s。3.根据权利要求1所述的一种无电容自谐振式双向无线能量传输阵列装置，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑艳华，杨秦月，吕娅昭，焦明达，赵颖涛，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：