一种小功率无线传能方法及装置与流程

1.本发明涉及电磁场技术领域，具体是一种小功率无线传能方法及装置。


背景技术：

2.无线电能传输又称非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。
3.国内外多家机构、院校、公司都正在进行无线电能传输技术的研究，我国无线充电技术研究主要集中在电动汽车、高速列车等领域，理论层面已达到或接近国际先进水平，部分研究成果世界领先，但工程实践相对较少，产业化与国外还有差距。目前，电磁感应耦合式、磁谐振耦合式(简称“磁共振式”)、微波辐射式、光电转换式是应用最为广泛的无线能量传输方式。综合对比以上几种充电方式，要求达到实现传输总功率比较小、传输距离大、系统转换效率高的无线充电技术，
4.磁谐振耦合式无线能量传输是目前的首选方式，根据统计数据研究，磁谐振耦合式无线能量传输在30cm以下时，传输效率可达到90％以上，但是传输距离超过30cm后，传输效率急剧下降，由此可见，传输距离和功率不是研究难点，难点在于传输效率的提升；因此，针对上述问题提出一种小功率无线传能方法及装置。


技术实现要素：

5.为了弥补现有技术的不足，解决现有能量传输方式传输效率较低的问题，本发明提出的一种小功率无线传能方法及装置。
6.一种小功率无线传能方法，该方法包括以下步骤：
7.s1：组装试验所需设备，包括充电装置以及检测装置；
8.s2：主电路连接后，将发射线圈接入电源，且接收线圈接入负载；
9.s3：检查所有线路，并使用lcr测试仪测量电感、电容以及电阻参数；
10.s4：启动电源，并调节电源的输出电压、电流以及频率参数；
11.s5：测量步骤s4调节后的线圈功率，并测量系统各部分的工作温度。
12.优选的，所述s1中，充电装置包括：pfc整流器、高频逆变器、阻抗变化器、高频整流器、发射线圈、接收线圈、负载、电源、u型磁芯组以及i型磁芯组；
13.其中pfc整流器主要提供稳定直流电源，提高整流功率因数；
14.高频逆变器主要将直流电源逆变成高频交流电流；
15.阻抗变化器主要将高频逆变器输出的交流电源进行lc谐振，产生数百倍的磁场能量，通过优化磁路结构和线圈结构，使能量从发射线圈高效传递给接收线圈；
16.高频整流器主要将接收线圈接收的高频交流电源变化成直流电源，供负载使用；
17.组合u型磁芯组以及i型磁芯组，配合设置的屏蔽结构，能够将磁场能量集中在发射线圈以及接收线圈，能够实现同时满足传输总功率大于等于1kw、传输距离大于等于1m，
且系统转换效率大于等于88％的无线电能传输需求。
18.优选的，所述s2中，试验装置中采用双发射线圈以及单接收线圈结构，且单个发射线圈由直径6毫米高频线绕制六圈而成，而单个接收线圈由直径6毫米高频线绕十二匝制成；
19.除了采用u型磁性组以及i型磁芯组之外，在发射线圈以及接收线圈的外侧应当适当的增加磁屏蔽，吸收不必要的漏磁，并在最外侧增设电屏蔽，进一步降低线圈漏磁的影响。
20.优选的，所述s1中，电源指代30kw无线传能电源，而u型磁芯组由116块100
×
25
×
25毫米铁氧体磁芯垒积而成，而i型磁芯组由96片外形尺寸100
×
100
×
2.5毫米磁片粘接而成。
21.通过u型磁芯组以及i型磁芯组的引入，发射线圈与接收线圈的磁场能量在两极能够更有效的集中，使得接收侧磁芯组在1m距离处远距离获取有发射线圈产生的磁场。
22.优选的，所述s1中，检测装置包括：信号发生器、示波器、lcr测试仪、电压表、电流表以及红外热成像仪。
23.优选的，所述s4中，主电路的工作频率调节在20-150khz范围内；所述s5中，对系统各部分的工作温度进行测量需要使用红外热成像仪进行测量。
24.一种小功率无线传能装置，包括放置于地面上的静电绝缘板；所述静电绝缘板的中部设置有若干组u型磁芯组；若干组所述u型磁芯组垒积在静电绝缘板的中部；所述静电绝缘板的表面上设置有两组固定支架，且所述固定支架的中部固接有发射线圈绝缘板；所述发射线圈绝缘板上绕制有发射线圈；所述u型磁芯组设置于固定支架的底部；所述固定支架的顶部固接有接收线圈绝缘板；所述接收线圈绝缘板上设置有i型磁芯组；所述发射线圈的末端连通有电源，且所述接收线圈的末端连通有负载。
25.优选的，所述接收线圈与负载之间设置有阻抗变换器以及整流器，且所述接收线圈连通在整流器上，所述阻抗变换器分别连通整流器以及负载。
26.本发明的有益之处在于：
27.1.本发明通过开发一种具有ui型磁芯的电磁线圈结构和屏蔽结构，能够将磁场能量集中在发射线圈和接收线圈，直流电通过高频逆变器转换为高频交流电，通过lc谐振，使发射线圈在周围一定距离内产生一个高频变化的强磁场，而接收线圈位于这个磁场中时，发射线圈磁通量的高频变化在接收线圈侧会产生一定强度的高频感应电动势，此电动势经过接收侧谐振电路进行增强，然后通过接收侧整流装置，变换成直流电给负载充电；无线电能传输技术采用电磁感应耦合的方式进行电能传输，消除了摩擦、触电的危险，提高了系统电能传输的灵活性，显著减小了用电系统的重量和体积。
28.2.本发明通过将整个装置的输入端与工频电源相连接，工频交流电通过带功率因数校正器(pfc)的ac-dc变换器变为直流电并使电路的功率因数达到0.99以上，该直流电通过dc-ac高频变换器变为高频交流电并发送到发射线圈，发射线圈发送电能；接收线圈接收到的电能，通过高频ac-dc变换器为负载供电，从而实现了无线充电功能。
附图说明
29.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
30.图1为本发明一种实施例的充电技术原理图；
31.图2为本发明一种实施例的充电装置电路图；
32.图3为本发明一种实施例的无线传能装置磁场图；
33.图4为本发明一种实施例的无线传能装置磁芯磁场分布云图；
34.图5为本发明一种实施例的无线传能装置正视图；
35.图6为本发明一种实施例的无线传能装置左视图；
36.图7为本发明一种实施例的无线传能装置俯视图；
37.图8为本发明一种实施例的发射线圈的主视图。
38.图中：1、静电绝缘板；2、u型磁芯组；3、发射线圈；4、发射线圈绝缘板；5、固定支架；6、i型磁芯组；7、接收线圈；8、接收线圈绝缘板；9、电源；12、整流器；13、阻抗变换器；14、负载。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
40.请参阅图1-8所示，一种小功率无线传能方法，该方法包括以下步骤：
41.s1：组装试验所需设备，包括充电装置以及检测装置；
42.s2：主电路连接后，将发射线圈接入电源，且接收线圈接入负载；
43.s3：检查所有线路，并使用lcr测试仪测量电感、电容以及电阻参数；
44.s4：启动电源，并调节电源的输出电压、电流以及频率参数；
45.s5：测量步骤s4调节后的线圈功率，并测量系统各部分的工作温度。
46.作为本发明的一种实施方式，所述s1中，充电装置包括：pfc整流器、高频逆变器、阻抗变化器、高频整流器、发射线圈、接收线圈、负载、电源、u型磁芯组以及i型磁芯组；
47.其中pfc整流器主要提供稳定直流电源，提高整流功率因数；
48.高频逆变器主要将直流电源逆变成高频交流电流；
49.阻抗变化器主要将高频逆变器输出的交流电源进行lc谐振，产生数百倍的磁场能量，通过优化磁路结构和线圈结构，使能量从发射线圈高效传递给接收线圈；
50.高频整流器主要将接收线圈接收的高频交流电源变化成直流电源，供负载使用。
51.具体的，该传能方法的关键在于：组合u型磁芯组以及i型磁芯组，配合设置的屏蔽结构，能够将磁场能量集中在发射线圈以及接收线圈，能够实现同时满足传输总功率大于等于1kw、传输距离大于等于1m，且系统转换效率大于等于88％的无线电能传输需求，同时解决了现有电磁线圈磁场能量较为分散，对周围器件电磁影响较大的问题；
52.此外，如图1所示，仿真发射侧和接收侧同时谐振运行状态下的电磁场，负荷实际运行工况，区别于接收侧开路和短路状态下的电磁场。
53.作为本发明的一种实施方式，所述s2中，试验装置中采用双发射线圈以及单接收线圈结构，且单个发射线圈由直径6毫米高频线绕制六圈而成，而单个接收线圈由直径6毫米高频线绕十二匝制成。
54.具体的，除了采用u型磁性组以及i型磁芯组之外，在发射线圈以及接收线圈的外侧应当适当的增加磁屏蔽，吸收不必要的漏磁，并在最外侧增设电屏蔽，进一步降低线圈漏磁的影响，在线圈的适当位置设置反磁屏蔽，阻止部分漏磁的通过；
55.此外，如图3所示，优化两个发射线圈的形状、匝数、位置以及发射磁芯位置，以及优化接收线圈的宽度、长度、匝数等参数，配合磁路优化，实现无线传能功率的最大化。
56.作为本发明的一种实施方式，所述s1中，电源指代30kw无线传能电源，而u型磁芯组由116块100
×
25
×
25毫米铁氧体磁芯垒积而成，而i型磁芯组由96片外形尺寸100
×
100
×
2.5毫米磁片粘接而成。
57.具体的，通过u型磁芯组以及i型磁芯组的引入，发射线圈与接收线圈的磁场能量在两极能够更有效的集中，使得接收侧磁芯组在1m距离处远距离获取有发射线圈产生的磁场；
58.如图4可得发射磁芯与接收磁芯中的磁场分布情况，因此能够进一步的优化谐振频率，进而合理设计发射磁芯以及接收磁芯的磁通密度，实现磁芯用量和磁芯损耗的最优化匹配。
59.作为本发明的一种实施方式，所述s1中，检测装置包括：信号发生器、示波器、lcr测试仪、电压表、电流表以及红外热成像仪。
60.作为本发明的一种实施方式，所述s4中，主电路的工作频率调节在20-150khz范围内；所述s5中，对系统各部分的工作温度进行测量需要使用红外热成像仪进行测量。
61.具体的，系统谐振频率为82.5khz，当工作频率设置在20-150khz范围内，接收线圈的传输功率达到100w-7.7kw。
62.一种小功率无线传能装置，包括放置于地面上的静电绝缘板1；所述静电绝缘板1的中部设置有若干组u型磁芯组2；若干组所述u型磁芯组2垒积在静电绝缘板1的中部；所述静电绝缘板1的表面上设置有两组固定支架5，且所述固定支架5的中部固接有发射线圈绝缘板4；所述发射线圈绝缘板4上绕制有发射线圈3；所述u型磁芯组2设置于固定支架5的底部；所述固定支架5的顶部固接有接收线圈绝缘板8；所述接收线圈绝缘板8上设置有i型磁芯组6；所述发射线圈3的末端连通有电源9，且所述接收线圈7的末端连通有负载14。
63.具体的，其中静电绝缘板1为外形尺寸为2100
×
1000
×
2毫米长方形的绝缘橡胶板，固定支架5由50
×
50毫米层压木加工制成，各部分采用卯榫结构连接，而发射线圈3安装的位置需要距离地面高度600毫米，且发射线圈3与接收线圈7之间的距离需要大于等于1m；
64.具体的，电源9与发射线圈3之间还设置有功率因数校正器以及dc-ac逆变器。
65.作为本发明的一种实施方式，所述接收线圈7与负载14之间设置有阻抗变换器13以及整流器12，且所述接收线圈7连通在整流器12上，所述阻抗变换器13分别连通整流器12以及负载14。
66.工作原理：
67.在主电路连接完成后，将发射线圈3接入电源9，接收线圈7接入负载14，检查所有线路、使用lcr测试仪测量系统中的电感、电容、电阻参数，启动电源9，调节电源9的输出电
压、电流、频率等参数，测量接收线圈7的功率，使用红外热成像仪测量系统各部分的工作温度，当工作频率设置在20-150khz范围内，接收线圈7的传输功率达到100w-7.7kw；
68.3.通过开发一种具有ui型磁芯的电磁线圈结构和屏蔽结构，能够将磁场能量集中在发射线圈3和接收线圈7，直流电通过高频逆变器转换为高频交流电，通过lc谐振，使发射线圈3在周围一定距离内产生一个高频变化的强磁场，而接收线圈7位于这个磁场中时，发射线圈3磁通量的高频变化在接收线圈7侧会产生一定强度的高频感应电动势，此电动势经过接收侧谐振电路进行增强，然后通过接收侧整流装置，变换成直流电给负载14充电；进而通过将整个装置的输入端与工频电源9相连接，工频交流电通过带功率因数校正器(pfc)的ac-dc变换器变为直流电并使电路的功率因数达到0.99以上，该直流电通过dc-ac高频变换器变为高频交流电并发送到发射线圈3，发射线圈3发送电能；接收线圈7接收到的电能，通过高频ac-dc变换器为负载14供电，从而实现了无线充电功能；无线电能传输技术采用电磁感应耦合的方式进行电能传输，消除了摩擦、触电的危险，提高了系统电能传输的灵活性，显著减小了用电系统的重量和体积。
69.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。
70.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。