磁耦合谐振式无线电能传输装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线能量传输装置，特别涉及一种以磁耦合谐振方式工作的无线能量 传输装置。
【背景技术】
[0002] 当前用电装置通常使用有线连接进行电能的传输，电能的有线传输在某些场合无 法满足应用的需要。能量的无线传输具有自己的特点，适合在不能使用导线供电的场合使 用，如适合水下作业、医用植入设备、无线网络等不方便或不能使用导线供电的场合使用。
[0003] 根据能量传输原理，目前，在国内外研究的无线能量传输技术主要有电磁波能量 传输技术和感应耦合能量传输技术。
[0004] 电磁波能量传输技术是通过天线发送和接收，比如使用微波进行无线能量传输， 这种技术能够实现极高的传输功率，该技术存在的主要问题是在能量传输路径上不能有障 碍物的遮挡，即能量传输无法绕过或穿过障碍物。
[0005] 感应耦合能量传输技术，是利用电磁感应原理，采用松耦合变压器或可分离式变 压器实现非接触式能量传输。该技术存在的主要问题是能量传输距离受到传输原理的局限 而被限制在毫米等级。
[0006] 目前成为研究热点的磁耦合谐振式无线能量传输技术，克服了感应耦合能量传输 技术中所存在的传输距离短的缺点，但存在传输效率较低等问题。
[0007] 现有的磁耦合谐振式无线能量传输技术通常使用具有发射线圈和发射电容的单 个谐振发射回路与相隔一定距离设置的具有接收线圈和接收电容的单个谐振接收回路进 行同频率的谐振工作，使能量从该谐振发射回路传递给谐振接收回路，其中，谐振接收回路 和谐振发射回路的谐振频率分别为心 2，它们分别符合如下条件：
其中，LM、Cm分别为接收线圈的自感量和接收电容的电容量，Lffi、Cra分别为发射线圈 的自感量和发射电容的电容量。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是要提供一种传输效率较高的磁耦合谐振式无线电能传输装置。本 发明的另一目的是要使该种高传输效率的装置紧凑化。
[0009] 为了实现本发明的目的，本发明提供了一种磁耦合谐振式无线电能传输装置，该 种磁耦合谐振式无线电能传输装置，它由高频电源、发射装置和接收装置所组成，发射装置 与接收装置被设置成相隔一定的距离以无线的方式传输电能，其特征在于，发射装置包括 具有第一发射线圈和第一发射电容的第一谐振发射回路，设定的第一谐振发射回路的第一 谐振发射频率与高频电源的工作频率相同；接收装置包括具有第一接收线圈和第一接收电 容的第一谐振接收回路和具有第二接收线圈和第二接收电容的第二谐振接收回路，第一接 收线圈与第二接收线圈之间的耦合系数大于〇. 2,设定的第一谐振接收回路的第一谐振接 收频率为f33，设定的第二谐振接收回路的第二谐振接收频率为f44，第一谐振接收频率f33 和第二谐振接收频率f44都与高频电源的工作频率相同，并且分别符合如下条件：
其中，L33和C33分别为第一谐振接收回路的总自感和总电容，L44和C44分别为第二谐振 接收回路的总自感和总电容，M34为第一接收线圈与第二接收线圈之间的互感。
[0010] 大家知道，两个线圈之间的耦合系数等于两个线圈之间的互感量与该两个线圈各 自的自感量的乘积的平方根之比。因此，第一接收线圈与第二接收线圈之间的耦合系数等 于第一接收线圈与第二接收线圈之间的互感量与第一接收线圈与第二接收线圈各自的自 感量的乘积的平方根之比。
[0011] 优选地，第一接收线圈与第二接收线圈之间的耦合系数大于0.5,更优选地大于 0. 75。第一接收线圈与第二接收线圈的距离越近，其耦合系数一般越大，其所占用的空间一 般越小，有利于装置的紧凑化。通常，第一接收线圈与第二接收线圈的距离小于10毫米，优 选地小于5毫米，更优选地，第一接收线圈与第二接收线圈之间的距离为0,即第一接收线 圈与第二接收线圈相接触。
[0012] 优选地，第一接收线圈与第二接收线圈之间的耦合采用同向耦合。这里所述的同 向耦合是指有工作电流在第一接收线圈和第二接收线圈流过时，第一接收线圈所产生的磁 场和第二接收线圈所产生的磁场是相互加强的。
[0013] 在一个优选的实施例中，第二接收线圈位于第一接收线圈内。这样两个接收线圈 所占用的空间很小，有利于装置的紧凑化。
[0014] 在另一个优选的实施例中，第一接收线圈和第二接收线圈为双线并绕方式制作的 两个结构和大小都相同的紧密耦合的接收线圈。这样两个接收线圈所占用的空间很小，而 且两个接收线圈之间的耦合系数也较大，有利于装置的紧凑化并增强两个接收线圈之间的 电磁稱合能力。
[0015] 接收装置还可以包括具有第三接收线圈和第三接收电容的第三谐振接收回路，设 定的第三谐振接收回路的第三谐振接收频率与高频电源的工作频率也相同，并且，第三接 收线圈与第一接收线圈之间的耦合系数大于0.2,第三接收线圈与第二接收线圈之间的耦 合系数也大于0. 2。
[0016] 所述发射装置还可以包括具有第二发射线圈和第二发射电容的第二谐振发射回 路，第一发射线圈与第二发射线圈之间的耦合系数大于0. 2,设定的第二谐振发射回路的第 二谐振发射频率也与高频电源的工作频率相同，设定的第一谐振发射回路的第一谐振发射 频率为fn，设定的第二谐振发射回路的第二谐振发射频率为f22，第一谐振发射频率和 第二谐振发射频率f22都与高频电源的工作频率相同，并且分别符合如下条件：
其中，L11和C11分别为第一谐振发射回路的总自感和总电容，L22和C22分别为第二谐振 发射回路的总自感和总电容，M12为第一发射线圈与第二发射线圈之间的互感。
[0017] 通常，第一发射线圈与第二发射线圈的距离小于10毫米，优选地小于5毫米，更优 选地，第一发射线圈与第二发射线圈之间的距离为0,即第一发射线圈与第二发射线圈相接 触。
[0018] 在一个优选的实施例中，第二发射线圈位于第一发射线圈内。这样两个发射线圈 所占用的空间很小，有利于装置的紧凑化。
[0019] 在另一个优选的实施例中，第一发射线圈和第二发射线圈为双线并绕方式制作的 两个结构和大小都相同的紧密耦合的发射线圈。这样两个发射线圈所占用的空间很小，而 且两个发射线圈之间的耦合系数也较大，有利于装置的紧凑化并增强两个发射线圈之间的 电磁稱合能力。
[0020] 优选地，第一发射线圈与第二发射线圈之间的耦合采用同向耦合。
[0021] 优选地，第一谐振接收频率f33和第二谐振接收频率f44分别符合如下条件：
[0022] 发射装置还可以包括具有第三发射线圈和第三发射电容的第三谐振发射回路，设 定的第三谐振发射回路的第三谐振发射频率与高频电源的工作频率也相同，并且，第三发 射线圈与第一发射线圈之间的耦合系数大于0.2,第三发射线圈与第二发射线圈之间的耦 合系数也大于0. 2。
[0023] 优选地，高频电源通过带磁芯的变压器与谐振发射回路进行能量耦合。
[0024] 在优选的实施例中，高频电源通过一带磁芯的变压器与第一谐振发射回路进行能 量耦合，并通过带磁芯的另一变压器与第二谐振发射回路进行能量耦合。
[0025] 磁耦合谐振式无线电能传输装置还包括负载，负载优选地通过带磁芯的变压器与 谐振接收回路进行能量耦合。
[0026] 在优选的实施例中，负载通过一带磁芯的变压器与第一谐振接收回路进行能量耦 合，并通过另一带磁芯的变压器与第二谐振接收回路进行能量耦合。
[0027] 本发明的接收装置包括了两个具有密切能量耦合关系的谐振接收回路，并设定了 与现有技术的单个没有耦合关系的谐振接收回路的谐振频率完全不同的谐振接收频率，使 本发明的两个具有密切能量耦合关系的谐振接收回路能同时高效地进行无线能量的接收， 显著增加了与发射装置的谐振发射回路之间的能量耦合或传输能力，理论与实验都证明能 显著提高其无线能量的传输效率。
[0028] 在此基础上，本发明的发射装置还进一步设置了与第一谐振发射回路具有密切能 量耦合关系的第二谐振发射回路，有利于进一步提高其无线能量的传输效率。
[0029] 另外，本发明装置的第二接收线圈可以位于第一接收线圈内，第二发射线圈可以 位于第一发射线圈内，因此本发明装置还具有结构紧凑等特点。
[0030] 还有，在本发明装置中，高频电源通过带磁芯的变压器与谐振发射回路进行能量 耦合，负载也通过带磁芯的变压器与谐振接收回路进行能量耦合，有利于减少整个装置的 体积并提高传输效率。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明的磁耦合谐振式无线电能传输装置的结构示意图。
[0032] 图2是图1所示的磁耦合谐振式无线电能传输装置的等效电路图。
[0033] 图3是图2所示的等效电路图的简化电路图。
[0034] 图4是本发明的磁耦合谐振式无线电能传输装置的另一个实施例的示意图。
[0035] 图5是图4所示的实施例的等效电路图。
[0036] 图6是图5所示的等效电路图的简化电路图。
【具体实施方式】
[0037] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。
[0038] 图1是本发明的磁耦合谐振式无线电能传输装置的结构示意图，图2是图1所示 的磁耦合谐振式无线电能传输装置的等效电路图。从图1和图2中可以看出，本发明的磁 耦合谐振式无线电能传输装置包括具有内阻Rs的高频电源Us、发射装置和接收装置，发射 装置包括具有第一发射线圈L1、第一发射电容C1和第一发射电阻R1的第一谐振发射回路， 该第一谐振发射回路为一串联谐振发射回路，第一发射线圈L1为圆环形的空心线圈，该空 心线圈的直经约为110毫米；接收装置包括具有第一接收线圈L3、第一接收电容C3和第一 接收电阻R3的第一谐振接收回路和具有第二接收线圈L4、第二接收电容C4和第二接收电阻 R4的第二谐振接收回路，第一谐振接收回路和第二谐振接收回路都为串联谐振接收回路， 第一接收线圈L3和第二接收线圈L4都为圆环形的空心线圈，第一接收线圈L3的直经约为 110毫米，第二接收线圈L4的直经约为100毫米，其中，第二接收线圈L4位于第一接收线圈 L3的内部；在本实施例中，高频电源Us通过变压器B1与第一谐振发射回路进行能量耦合， 变压器B1位于初级侧的线圈L