基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了无线电能传输技术领域中一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，主要解决了无线电能传输系统近距离能量传输时，由于频率分裂的影响而导致系统传输效率低下的问题，该系统是在麻省理工学院磁耦合谐振无线电能传输系统的基础上，设计了一种双层双向绕制的发射线圈，即在原有单层单向绕制发射线圈内部空间以相反方向绕制具有相同匝数和匝距的内层线圈，由于内层线圈和原有线圈的绕制方向相反，从而减弱耦合系数的强度，减小近距离能量传输时频率分裂对系统传输效率所产生的影响，让无线电能传输系统在更短的距离内脱离频率分裂区域，达到临界耦合状态，并提高无线电能传输系统在近距离频率分裂区域工作时的能量传输效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线电能传输
，涉及一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，尤其涉及一种无线电能传输系统中发射线圈的新型设计方法，以此来减小近距离能量传输频率分裂对传输效率所产生的影响，提高无线电能传输系统的近距离能量传输效率。
技术介绍
自尼古拉.特斯拉在一个世纪以前提出无线电能传输理论之后，无线电能传输就一直是人们研究的热点。多年来国内外专家一直在进行无线电能传输的研究，但一直以来科研进展缓慢，2006年11月在美国物理学会工业物理论坛上，美国麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic科研小组首次提出磁耦合谐振式无线电能量传输技术的理论。其原理是利用两个具有相同谐振频率(9.9MHz)、直径60cm、单层单向铜线绕制线圈的磁耦合谐振原理成功点亮了一个离电源约2m的60W电灯泡，后来这项技术被称为WiTricity，至此，开辟了无线电能传输技术在中远距离(传输距离大于线圈几何尺寸)能量传输的新纪元。随着磁耦合谐振技术的日益成熟，近年来无线输电的应用也在渐渐地渗透到我们的日常生活中，例如磁悬浮列车、植入式医疗设备、电动汽车以及移动设备等方面。2010年9月I日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织一无线充电联盟(Wireless Power Consortium,WPC)在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国，信息产业部通信电磁兼容质量监督中心也加入该组织。近年来无线充电技术虽然一直处在蓬勃发展当中，但此技术却未真正普及到智能设备中，其中的一大原因便是无线充电标准的不统一。市面上主要的三大无线充电联盟分携各自的标准呈分庭抗礼之势，而且还都拉拢了电子行业的大佬壮声势，这三家联盟分别是无线充电联盟WPC (Wireless Power Consortium)、功率事务联盟PMA (PowerMatters Alliance)与无线充电联盟 A4WP (Alliance for Wireless Power) ?目前国内外无线电能传输的实现有三种方式:1.电磁感应式无线电能传输(Electromagnetic Induction Wireless PowerTransmission, E1-ffPT)-类似于可分离变压器，其原理是法拉第电磁感应:电流流过导体线圈时，在线圈周围产生磁场，相邻的线圈在变化的磁场中产生感应电动势，进而产生感应电流，供给负载，达到电能的无线传输。由于可分离变压器中气隙代替了原有的铁芯，故而电能从发射端传输到接收端的效率较低，而且随着初、次级线圈距离的增加，效率会变得更低，适合近距离无限能量传输。2.无线电波式无线电能传输(Radio-wave Wireless Power Transmission,RWPT)——其基本原理是把电能转换成高频无线电波(如微波)在空间传输，接收端收集散布在环境中的电磁波，经过检波和整流后供给直流负载使用，通过远场来进行能量的传输。适用于远距离、大范围的无线电能传输，尤其适宜在能量接收终端比较密集、不易受周围环境限制的条件下传输，是目前研究比较多的无线电波能量传输方式，但此种无线电能传输方式对生物环境影响较大且效率很低。3.磁I禹合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wirelesspower transmission, MCR-ffPT)-麻省理工学院Marin Sol jacic及其小组成员提出的全新方案，其原理是利用两个具有相同谐振频率的谐振线圈之间的非辐射近场磁耦合来传递能量，能量在两谐振线圈间来回振荡交换，在很大程度上减小了对人体的伤害，延长了无线电能传输的距离，此方式传输效率高、距离远、功率大，是未来无线电能传输发展的主流方向。频率分裂是磁耦合谐振和感应式无线电能传输中普遍存在的现象，尤其在近距离能量传输时，频率分裂严重影响系统的传输效率。依据耦合系数大小及系统的工作模式，无线电能传输系统的工作区域可分为三种:强耦合、临界耦合、弱耦合区域。研究发现当无线电能传输系统处于强耦合区域时，系统的传输效率在谐振频率两侧取得最大值，即出现频率分裂，随着传输距离的增加，耦合系数减小，频率分裂现象逐渐消失，当耦合系数达到临界耦合时，系统的传输效率在谐振频率处取得最大值，随着耦合系数进一步减小达到弱耦合区域时，系统的传输效率随耦合系数的减小而急剧下降，但系统最佳的传输状态始终是在谐振频率处，即是频率分裂只出现在强耦合区域。综上所述，无线电能传输系统的最佳工作状态是临界耦合状态，这样系统就可以在谐振频率处获得最大的传输效率，但是临界耦合状态所对应的传输距离是确定的，尤其是近距离能量传输时，频率分裂的影响更加明显，系统的传输效率并非在谐振频率下取得最大值，而是在谐振频率两侧取得最大值，这就使得系统不可能处于临界耦合状态，为使系统在更短的距离内脱离会出现频率分裂现象的强耦合区域，达到临界耦合状态，并提高系统在强耦合区域的传输效率，减小近距离能量传输时频率分裂的影响，因此，我们必须找到一种技术方法来实现上述方案——让无线输电系统始在更短的距离内脱离强耦合频率分裂区域，达到临界耦合状态，减小近距离能量传输时频率分裂的影响，提高无线电能传输系统近距离工作时的能量传输效率。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的在于针对无线电能传输系统近距离能量传输时，由于频率分裂的原因造成传输效率低下的问题，提出一种。该系统及方法是在麻省理工学院磁耦合谐振无线电能传输系统中谐振线圈(发射线圈和接收线圈)单层单向结构设计的基础上，设计了一种双层双向绕制螺旋线圈作为发射线圈，即是在原有单层单向绕制螺旋发射线圈的基础上，在其内部空间以相反方向绕制具有相同匝数和匝距的内层线圈，然后与原有外层线圈相连组成一个双层双向绕制的螺旋发射线圈，由于内层线圈和外层线圈的绕制方向相反，从而减弱发射线圈和接收线圈间的耦合细数强度，缩小系统的强耦合区域，减小频率分裂对系统所产生的影响，让无线输电系统始在更短的距离内脱离强耦合频率分裂区域，达到临界耦合状态，提高无线电能传输系统近距离工作时的能量传输效率。同时本专利技术可以显著提高无线电能传输系统近距离能量传输的效率，既可以很好地满足设备对无线电能传输系统效率和近距离的要求，又可以提高电能利用率。为实现上述目标，本专利技术采用的技术方案是:一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，包括一个发射机和一个接收机，所述发射机包括高频信号发生器、阻抗匹配网络、源线圈和发射线圈，所述高频信号发生器输出额定功率的高频信号；所述源线圈一侧通过功率放大器、阻抗匹配网络连接到高频信号发生器，另一侧与所述发射线圈利用电磁感应组成一个升压变压器网络；所述接收机包括接收线圈和负载线圈，所述接收线圈与负载线圈利用电磁感应组成一个降压变压器网络，所述发射线圈是一个双层双向绕制的螺旋线圈，该双层双向绕制的螺旋线圈是由绕制方向相反并相连的内层线圈和外层线圈组成的，所述内层线圈和外层线圈具有相同的匝数和匝距，仅线圈半径不同。根据本专利技术的无线电能传输系统，进一步地，所述外层线圈顺时针单向绕制，所述内层线圈逆时针单向绕制。根据本专利技术的无线电能传输系统，进一步地，所述外层线圈逆时针单向绕制，所述内层线圈顺时针单向绕制。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双层双向线圈的无线电能传输系统，包括一个发射机和一个接收机，所述发射机包括高频信号发生器、阻抗匹配网络、功率放大器、源线圈和发射线圈，所述高频信号发生器输出额定功率的高频信号；所述源线圈的一侧通过阻抗匹配网络连接到高频信号发生器，另一侧与所述发射线圈利用电磁感应组成一个升压变压器网络；所述接收机包括接收线圈和负载线圈，所述接收线圈与负载线圈利用电磁感应组成一个降压变压器网络，其特征在于：所述发射线圈是一个双层双向绕制的螺旋线圈，该双层双向绕制的螺旋线圈是由绕制方向相反并相连的内层线圈和外层线圈组成的，所述内层线圈和外层线圈具有相同的匝数和匝距，仅线圈半径不同。

【技术特征摘要】
1.一种基于双层双向线圈的无线电能传输系统，包括一个发射机和一个接收机，所述发射机包括高频信号发生器、阻抗匹配网络、功率放大器、源线圈和发射线圈，所述高频信号发生器输出额定功率的高频信号；所述源线圈的一侧通过阻抗匹配网络连接到高频信号发生器，另一侧与所述发射线圈利用电磁感应组成一个升压变压器网络；所述接收机包括接收线圈和负载线圈，所述接收线圈与负载线圈利用电磁感应组成一个降压变压器网络，其特征在于: 所述发射线圈是一个双层双向绕制的螺旋线圈，该双层双向绕制的螺旋线圈是由绕制方向相反并相连的内层线圈和外层线圈组成的，所述内层线圈和外层线圈具有相同的匝数和匝距，仅线圈半径不同。2.根据权利要求1所述一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述外层线圈顺时针单向绕制，所述内层线圈逆时针单向绕制。3.根据权利要求1所述一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述外层线圈逆时针单向绕制，所述内层线圈顺时针单向绕制。4.根据权利要求1所述基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述无线电能传输系统中不相邻线圈之间没有磁耦合，所述源线圈和负载线圈都是单匝线圈，所述接收线圈是单向绕制螺旋线圈，绕制方向与发射线圈中外层线圈相同，且所述接收线圈参数均与发射线圈中外层线圈参数相同。5.根据权利要求4所述基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，其特征在于，所述接收线圈参数和发射线圈中外层线圈参数包括线圈半径、线圈匝数和线圈匝距。6.根据权利要求1所述一...

【专利技术属性】
技术研发人员：田子建，林越，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11