本发明涉及无线传输
技术领域：
，具体涉及一种无线能量传输设备。
背景技术：
：随着人们生活水平的提高，电俨然已经变成人们生活中难以缺少的东西。而电源与电器之间没有电气连接的技术被称为无线能量传输技术，此项技术为人们提供了很多的便利，也给了人们更多的安全。但是目前的无线能量传输技术能量传输效率较低，造成了能量的浪费。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供一种无线能量传输设备，解决无线能量传输技术能量传输效率较低的问题。为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种无线能量传输设备，包括发射机和接收机，所述发射机包括源线圈和发射线圈，所述接收机包括负载线圈和接收线圈；所述源线圈与所述发射线圈耦合，所述负载线圈与所述接收线圈耦合，所述发射线圈与所述接收线圈耦合；所述源线圈与所述发射线圈设置在同一块介质板上，所述负载线圈与所述接收线圈设置在同一块介质板上。进一步地，所述源线圈与所述发射线圈呈同心布置，所述源线圈在内，所述发射线圈在外；所述负载线圈与所述接收线圈呈同心布置，所述负载线圈在内，所述接收线圈在外。进一步地，所述源线圈、发射线圈、载线圈和接收线圈上有用于调谐线圈谐振频率的电容。进一步地，所述电容为60pF。进一步地，所述发射线圈和所述接收线圈间有电磁材料。进一步地，所述源线圈为1匝，所述源线圈半径为30mm。进一步地，所述发射线圈为3匝，所述发射线圈间距宽度为5mm。进一步地，所述负载线圈为1匝，所述负载线圈半径为30mm。进一步地，所述接收线圈为3匝，所述接收线圈间距宽度为5mm。进一步地，所述线圈宽度为1.5mm。本发明采用以上技术方案，所述无线能量传输设备，通过电磁耦合谐振将源线圈的能量传递给发射线圈，发射线圈通过电磁耦合谐振将能量传递给接收线圈，接收线圈再将能量传递给负载线圈，最终实现能量的无线传输，提高能量的利用率。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明的无线能量传输设备的结构图。图2是本发明的无线能量传输设备线圈的谐振频率测量电路图。图3是本发明无线能量传输设备的等效电路图。图4是本发明无线能量传输设备的发射机的正视图。图5是本发明无线能量传输设备一种实施例的HFSS仿真图。图6a是本发明无线能量传输设备在测试距离为150mm时候的HFSS仿真图；图6b为测试距离为50mm时候的HFSS仿真图。图7是本发明的无线能量传输设备传输距离与传输效率的关系曲线图。图8是本发明无线能量传输设备的简化等效电路图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。图1是本发明的无线能量传输设备的结构图。如图1所示，本实施例的无线能量传输设备，包括发射机11和接收机12，发射机11包括源线圈111和发射线圈112，接收机12包括负载线圈121和接收线圈122；源线圈111与发射线圈112耦合，负载线圈121与接收线圈122耦合，发射线圈112与接收线圈122耦合；源线圈111与发射线圈112设置在同一块介质板113上，负载线圈121与接收线圈122设置在同一块介质板123上。源线圈111、发射线圈112、负载线圈121和接收线圈122上有用于调谐线圈谐振频率的电容。具体地，到目前为止，无线能量传输可以被分为三类：电磁波无线能量传输技术、感应式无线能量传输技术、磁耦合谐振技术。电磁波无线能量传输技术就是以微波或者激光的形式，用天线先发射然后再接收的过程。电磁波束在空间中传输效率并不是很高，而且还要不能有障碍物的存在，发射与接收机也需要对准，导致它的方向不能随意的调整，其优势在于可实现较远距离的无线能量传输。而且其不仅损耗大而且对动物还有一定的副作用，此项技术在卫星太阳能电站、军用卫星等特殊的场合有着更多的运用；感应式无线能量传输技术其实质上就是利用了电磁感应的原理，即两个相邻的线圈之间的能量可以通过磁场来传输，电磁感应非接触能量传输技术的特点在于短程传输，应用的可分离变压器的两侧位置相对固定；磁耦合谐振技术是用磁场的近场耦合从而实现无线能量传输，即使在有一些障碍的情形下，传输距离也能达到米级。此项技术融合了前两个技术上的一些优点，在传输效率和传输距离上都比它们相对应的有所提高。而且在强磁场的环境中人类的健康并不会受到影响。优选地，本实施例选用磁耦合谐振式无线能量传输的方式。具体地，本实施例的无线能量传输设备需要考虑到负载的自身条件和对供电电源的要求。除此之外，还需考虑对周围环境的影响。例如，关注负载对传输频率的要求的同时，还必须保证该频段不能在对生物有害且扰乱其他设备通信。若传输频率在0～25MHz内任意变化，负载匹配的时候，线圈电感、电容、寄生电阻等随频率的变化而发生变化，从而进一步影响传输效率的变化。源线圈111由磁场耦合到负载线圈121能力表现为负载线圈121的电压、电流的大小。耦合系数是耦合能力参数的量化。可以根据传输功率从而确定耦合系数和源线圈111的电压和电流。在传输效率较高的频段，源线圈111的电压高，这样对电路原器件的要求也相应的较高。所以需要综合考虑到电压和传输效率来选择传输频率。传输电流也会随着频率的变化而发生变化，在传输功率较大的时候要考虑到线圈的载流能力。具体地，本实施例的无线能量传输设备的基本结构由源线圈111、发射线圈112、负载线圈121、接收线圈122四个线圈构成，而线圈的Q值与谐振频率直接影响到整个系统的能量传输效率与距离。所以对于四个线圈谐振频率的测量比较重要。基本的谐振电路存串联谐振电路和并联谐振电路两种，其基本的电路结构和谐振频率的测量方法也不同。根据线圈的物理结构，优选地，本实施例采用的并联谐振模型来测量线圈的谐振频率。图2是本发明的无线能量传输设备线圈的谐振频率测量电路示意图。如图2所示，考虑到线圈中寄生电容的影响，可以在线圈两端并联电容C，形成一个LC谐振环。图中电路的总阻抗为：其中，Z表示电路中的总阻抗，R表示电阻，ω表示交流电源的角频率，L表示电感，C为线圈两端的并联电容，C1为能量发送线圈的补偿电容，j为复数中的虚部符号。电阻R两端电压和源电压的比值为当时，阻抗Z达到最大值趋向于无穷大，此时电阻R两端电压达到最小值趋向于零。通过以上分析可以知道，由于寄生电容的存在，不能简单的通过计算得到的电容直接并上线圈直接得到需要的频率，因此可以对计算得到的电容值进行微调。如果将计算得到电容值并入电路，得到的线圈的谐振频率会比预期的频率低。图3为本发明无线能量传输设备的等效电路图。如图3所示，C1、C2、C3、C4分别表示源线圈111、发射线圈112、接收线圈122、负载线圈121的等效电容，Rp1、Rp2、Rp3、Rp4分别表示源线圈111、发射线圈112、接收线圈122、负载线圈121的等效电阻，L1、L2、L3、L4分别表示源线圈111、发射线圈112、接收线圈122、负载线圈121的等效电感，Rsource为信号源，Rload为负载电阻，两两间的磁耦合系数分别k12，k23，k34。一个典型实现是将源线圈111和发射线圈112建立在一个简单的装置上，这样k12将是固定不变的。相似的，k34将也被固定。因此，k23是不受控制的值，他随着发射机和接收机之间的距离变化而变化。这个电路的KVL方程组为：其中，I1、I2、I3、I4分别表示源线圈111、发射线圈112、接收线圈122、负载线圈121的电流，M12为源线圈111与发射线圈112之间的互感，M23为发射线圈112与接收线圈122之间的互感，M34接收线圈122与负载线圈121之间的互感。将方程(2)至(5)求解出来后得到负载电压VLoad与源电压VSource的比值：其中从而可以计算出S21：计算出S21后，可以计算出传输的效率η：谐振频率与线圈的电感和电容是相关的，有许多因素制约着谐振频率的选择，所以在确定谐振频率和线圈的电感后，可以选择与它们相匹配的电容。可以对线圈导线的宽度、内线圈的半径、电容的大小进行大致的估算。然后可以利用HFSS软件的优化功能，确定以上参数。图4是本发明无线能量传输设备的发射机的正视图。如图4所示，本实施例的串联电容可以选择60pF，源线圈111可以选择1匝，源线圈111直径d3可以选择60mm，发射线圈112可以选择3匝，发射线圈112间距宽度d2可以选择5mm；线圈宽度d1可以选择1.5mm。与发射机相同，接收机的负载线圈121可以选择1匝，负载线圈121直径可以选择60mm，接收线圈122可以选择3匝，接收线圈122间距宽度可以选择5mm。发射线圈112和接收线圈122之间可以加入一层或多层电磁材料，以来增加无线能量传输距离。电磁材料可以放大电磁波，所以可以使电磁波的衰减距离延长。图5是本发明无线能量传输设备一种实施例的HFSS仿真图。如图5所示，此时的谐振频率为13.8MHz，S21为-1.9997db，此次仿真结果传输的效率为63％。中等距离的无线能量传输系统，线圈半径与传输距离是同一数量级的。线圈导线线径是毫米的数量级需要保证强耦合关系的成立，谐振频率的大小可以为106Hz左右。另外，磁耦合无线能量传输系统是用时变磁场为媒介的，不向为辐射电磁能量，所以需要电磁波长远大于传输距离。中等距离的大致范围为几十毫米到几米，优选地，磁耦合无线能量传输系统的频率在0.5～25MHz的范围内较好。本实施例的频率恰好位于这个区间，这个频率不会对人体或其他生物造成伤害，也不会与传统的电子通讯设备频率混叠在一起。磁耦合无线能量传输系统能否应用在实际生活当中，其中一个很重要的因素就是它的传输效率是否能达到人们期望的那样，如果传输效率不够高的话，从能源的损耗、环境保护还有对人们生活的便利程度来看的话，那人们可能很少会使用到这项技术。而根据生活中的常识可知，影响磁耦合传输系统的因素有距离、角度还有介质板的尺寸等方面：传输距离对效率的影响：可以改变传输距离，观察传输效率的变化。除了距离为100mm之外还可以测试距离为150mm，120mm，50mm，20mm时的情况。图6a是本发明无线能量传输设备在测试距离为150mm时候的HFSS仿真图。如图6a所示，把传输距离改为150mm的时候，S21的值此时为-5.71db，根据公式(7)，此时的传输效率为27％。较之前有较大的衰减。图6b为测试距离为50mm时候的HFSS仿真图。如图6b所示，此时的传输距离为50mm，S21的值此时为-1.6db，同样根据公式(7)，可以知道传输效率为69％，效率有所提高。依据同样的方法，可以将在其他几个距离的时候传输效率用同样的方式算出来，得出如表1的结果：表1传输距离与传输效率的关系传输距离20mm50mm100mm120mm150mm传输效率76％69％63％51％27％图7是本发明的无线能量传输设备传输距离与传输效率的关系曲线图。如图7所示，可以看到随着传输距离的增加，传输效率逐渐降低。这也符合生活中的认识，即距离越小的话，信号就越好，传输的效率自然也就越高。频率分裂现象：如图6b所示，在传输距离为50mm的时候插入损耗出现了两个峰值，即产生了频率分裂的现象。在系统建模的时候，为了简化的分析，一般会忽略线圈与线圈的交叉耦合，只考虑临近线圈的直接耦合作用。与此同时，由于驱动线圈和接受线圈匝数比较少，并没有考虑两线圈回路的等效电阻。图8是本发明无线能量传输设备的简化等效电路图。如图8所示，源线圈111和负载线圈121的自感分别为L1、L4。发射线圈112和接收线圈122回路参数分别为L2，R2，L3，R3，RL是系统等效负载，源线圈111电压为V1，M12，M23，M34分别为从左至右两相邻线圈之间的互感。发射线圈112与接收线圈122在无线能量传输系统中的参数是对称的，也就是说对称位置的参数值大小是相等的。首先将发射线圈112和接收线圈122中电参量映射到中间的谐振线圈回路中，以降低数学分析难度。映射的情况如下：将各参数的表达式都带入并且化简后可以得到系统共振频响特性与M23关系。上述式子表明，系统谐振频率与M23的关系很密切，而k23为发送和接收线圈122之间的耦合系数，若线圈参数一定，它的值由线圈之间的距离决定。它会随着距离的增加而减小。当时，即M23足够大的时候，系统只有一个共振频率点：在这种情况下，发射线圈112将近所有的磁力线通过接收线圈122，这样的话耦合就会十分紧密。但是这样的状况对那些大距离传输的磁耦合谐振系统应用非常的少，发射线圈112和接收线圈122空心特性同样说明这种情况一般难以出现在工程中。从另外的方面来看，实际生活中人们所希望的是发射线圈112与接收线圈122之间的距离越远越好。所以，它的理论研究大部分集中在发射线圈112与接收线圈122足够远的条件下对传输特性的研究。随着发射线圈112与接收线圈122距离的增加，它们的耦合程度减弱，当时，系统存在两个谐振频率点，即：角度对传输效率的影响：在实际生活中应用的时候，一般发射与接收设备之间并不是正对着的，它们之间经常会形成一定的角度，因此，还可以研究发射线圈112与接收线圈122在不同角度时候传输效率的情况。仿真结果显示，S21为-2.17db它的传输效率为60.7％，较夹角为0°时候的下降了0.17db。接下来还可以测试夹角分别为5°、40°、60°时无线能量传输系统的传输效率，如表2所示。数据显示在夹角为5°的时候，传输效率减小的很少，在夹角为20°的时候，传输效率依旧达到了60％以上。表2线圈角度与传输效率的关系线圈角度5°20°40°60°传输效率62.8％60.7％56％46.5％采用以上技术方案，所述无线能量传输设备，通过电磁耦合谐振将源线圈111的能量传递给发射线圈112，发射线圈112通过电磁耦合谐振将能量传递给接收线圈122，接收线圈122再将能量传递给负载线圈121，最终实现能量的无线传输，提高能量的利用率。可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。当前第1页1 2 3