一种洗衣机内部磁谐振耦合无线电能传输系统的制作方法

本发明涉及一种洗衣机内部磁谐振耦合无线电能传输系统，属无线电能传输技术应用领域。

背景技术：

近年来，随着无线技术的高速发展，新的无线能量传输机理的提出和人们对真正可以“无线使用”的便携式设备和绿色能源系统的需求的增长，对于无线能量传输技术的研究和应用已成为国内外学术界和工业界的焦点。业界已经开始尝试将该技术应用于人们日常生活中的低功耗电子产品中，来替代原有的电源线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。例如无线电能传输技术可被应用于智能家居领域，以住宅为平台，利用中距离无线电能传输技术、隐藏布线技术以及自动控制技术来彻底移除家居生活区域内所有的电源线，对传统家电及新兴3c设备（computer电脑、communication通信设备和consumerelectronics消费电子产品）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、节能的智能居住环境。

若将无线电能传输技术应用在家电领域，对家电内部的用电设备和传感模块进行无线供电，可以解决传统家电中照明、换气、传感等小功耗设备的布线及持续供电问题，有效降低产品的生产、组装和后期维保成本，延长产品的使用寿命，彻底消除漏电、电弧导致的用电安全隐患和火灾隐患。无线电能传输技术还可以被应用于新兴电子产业，解决包括机器人、无人机、vr、可穿戴设备等产品的无线充电问题。

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、传输效率和成本上都具有优势；与磁感应耦合方式相比，它在传输距离和稳定性上具有优势。洗衣机依靠内筒的高速旋转来清洗衣物和脱水，但当内筒高速旋转时，连接电源线到筒内对设备进行供电的方式势必会造成供电线路的缠绕，无法对筒内的用电设备进行有效、安全和稳定的供电，导致长期以来存在的洗衣机内筒高速运转时的震动问题无法得以有效解决，另外在智能家电领域广泛应用的各类监控、传感设备在洗衣机筒内也无法应用。

目前，由于洗衣机在运转时，内筒需要旋转来清洗衣物和脱水，但当内筒高速旋转时，连接电源线到筒内对设备进行供电的方式无可避免的会造成供电线路的缠绕，因此在智能家电领域广泛应用的各类监控、照明、传感设备在洗衣机筒内无法得以应用，另外长期以来存在的洗衣机内筒高速运转时的震动问题也无法得以有效解决。综上所述，洗衣机内部的供电问题严重影响了洗衣机智能化发展的进程。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对洗衣机运行用电存在的问题，本发明提出一种洗衣机内部磁谐振耦合无线电能传输系统，给洗衣机提供无线电能，以解决内部供电。

实现本发明的技术方案如下：一种洗衣机内部磁谐振耦合无线电能传输系统包括发射模块和接收模块。所述发射模块用于无线电能发射，所述发射模块包括射频功放源和发射板，射频功放源连接发射板；所述发射板为平面螺旋线圈结构，共包含三层介质基板和三层印刷电路；第一层介质基板的顶面印刷有发射谐振线圈，第二层介质基板的顶面印刷有寄生谐振线圈，第三层介质基板的底面印刷有用于连接谐振线圈的微带线。

所述接收模块用于无线电能接收，所述接收模块包括接收板、匹配电路、控制电路和整流稳压电路，所述接收板为平面螺旋线圈结构，共包含三层介质基板和三层印刷电路，可通过印刷电路工艺加工；第一层介质基板的顶面印刷有发射谐振线圈，第二层介质基板的顶面印刷有寄生谐振线圈，第三层介质基板的底面印刷有用于连接谐振线圈的微带线。

所述发射模块的射频功放源输入端连接电源适配器；射频功放源输出端连接发射板；所述接收模块的接收板连接匹配电路的输入端；匹配电路的输出端连接整流稳压集成电路的输入端；控制电路连接整流稳压集成电路的控制端；整流稳压集成电路输出端连接洗衣机内部用电负载。

所述发射模块的射频功放源连接电源适配器后输出所需工作频率的电磁能量，电磁能量通过射频线传递给发射板；所述发射板与接收板之间的同频磁谐振耦合，电磁能量定向传递到接收板上；所述接收板接收到电磁能量后，再经接收端匹配电路、控制电路和整流稳压电路转化为直流功率输出给用电设备。

所述发射板和接收板的匝数、尺寸、间距能在一定范围内调整，以满足不同尺寸、规格和型号的洗衣机的应用需求。

所述发射板与接收板之间的无线能量传输效率均保持在90%以上；所述发射板和接收板的谐振频率采用6.78mhz；所述磁谐振耦合无线电能传输系统的接收模块提供3.3v、5v或12v的电压输出接口；所述系统能提供的无线供电总功率达100w。

所述发射板安装在洗衣机外筒金属皮带盘内；接收板安装在洗衣机内筒内壁上。

本发明的有益效果是，本发明采用了平面型线圈结构的设计方案，通过金属腔体内的磁场定向分布，克服了洗衣机内部大面积金属壁对无线电能传输效率的影响，同时保证了当洗衣机内筒高速旋转时，无线电能可以高效、稳定的通过发射板耦合到接收板上，然后通过接收端匹配电路、控制电路和整流稳压集成电路，将无线电能转化为直流功率，对筒内用电设备进行供电，无线电能的有效传输距离可达20cm。本发明解决了洗衣机高速旋转时内筒内部用电设备的供电问题。

附图说明

图1为洗衣机内部结构图；

图2为洗衣机内部无线供电系统结构图；

图3为洗衣机内部无线供电系统安装示意图；

图4为洗衣机内部无线供电系统发射板第一层电路结构示意图；

图5为洗衣机内部无线供电系统发射板第二层电路结构示意图；

图6为洗衣机内部无线供电系统发射板第四层电路结构示意图；

图7为洗衣机内部无线供电系统接收板第一层电路结构示意图；

图8为洗衣机内部无线供电系统接收板第二层电路结构示意图；

图9为洗衣机内部无线供电系统接收板第四层电路结构示意图；

图10为洗衣机内部无线供电系统收发板之间的传输效率图；

图中，101为洗衣机内筒，102为洗衣机外筒，103为金属皮带盘；201为射频功放源，202为发射板，203为接收板；401为发射板第一层介质基板顶面的谐振线圈，402为发射板401谐振线圈连接发射板501寄生谐振线圈的通孔，dout_tx为发射板的外部直径，din_tx为发射板的内部直径，wres_tx为401微带线的宽度，sgap_tx为401微带线之间的间隔宽度；501为发射板第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈，502为发射板501连接发射板401的通孔，dout_tx1为发射板的外部直径，din_tx1为发射板的内部直径，wres_tx1为501微带线的宽度，sgap_tx1为501微带线之间的间隔宽度；601为发射板401和501相连的微带线，位于发射板第四层介质基板底部，602为连接401和501的通孔，603为发射板的谐振电容，dout_tx2为发射板的外部直径，din_tx2为发射板的内部直径；701为接收板第一层介质基板顶面的谐振线圈，702为接收板701谐振线圈连接接收板801寄生谐振线圈的通孔，dout_rx为接收板的外部直径，din_rx为接收板的内部直径，wres_rx为701微带线的宽度，sgap_rx为701微带线之间的间隔宽度；801为接收板第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈，802为发射板801连接接收板701的通孔，dout_rx1为接收板的外部直径，din_rx1为接收板的内部直径，wres_rx1为801微带线的宽度，sgap_rx1为801微带线之间的间隔宽度；901为接收板701和801相连的微带线，位于接收板第四层介质基板底部，902为连接701和801的通孔，903为接收板的谐振电容，dout_rx2为接收板的外部直径，din_rx2为接收板的内部直径。

具体实施方式

本发明实施例中应用于洗衣机内部用电设备的无线电能传输系统是由发射模块和接收模块两部分组成。发射模块包含射频功放源201和用于发射无线电能的发射板202，接收模块包含匹配电路、控制电路、整流稳压集成电路和用于接收无线电能的接收板203。系统的发射模块和接收模块分别连接电源适配器和负载，发射板采用厚度为1-1.6mm的四层印刷电路板加工，接收板采用1-1.2mm的四层印刷电路板加工。

根据图3所示，本实施例中的功放源产生频率为6.78mhz的电磁能量，通过安装在洗衣机外筒金属皮带盘内的发射板发射，然后通过收发板之间的同频磁谐振耦合，定向传递到洗衣机内筒内壁的接收板上，再经匹配电路、控制电路和整流稳压电路输出给用电设备；本实施例设计的工作频率不仅限于6.78mhz,工作频率可在5mhz-20mhz范围内进行调整，接收模块提供3.3v-12v多种电压输出接口，以符合不同用电设备的输入电压要求，系统提供的无线供电总功率可达100w，可为洗衣机内筒的不同电子、电气设备提供稳定、高效的无线电能供给。

如图4至图9所示，本实施例中的所有结构均为平面化结构，均采用印刷电路板工艺加工而成，在确定发射板和接收板的结构设计以后，对其添加相应的谐振电容和匹配电路，以实现发射板和接收板的同频磁谐振。

根据图4-图9所示的结构图中的符号标识，结合实际应用需求，对此实施例中的设计采用如下几何参数和电气参数：

通过测试，洗衣机内筒高速旋转时仍然可以维持高效率的电能传输。

以5wled为例：