[實(shí)用新型]一種基于磁電層合材料的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320266305.8
• 申請(qǐng)日: 2013-05-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN203251149U
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丁健民;潘昭光;韓金池;于歆杰;吳天逸
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J17/00
• 分類號(hào): H02J17/00
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種基于磁電層合材料的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，屬于無(wú)線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)情況下，電能接入主要通過(guò)導(dǎo)線連接、接插件模式等直接電接觸的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這存在靈活性差、接觸不可靠和安全性不高的缺陷。于是，針對(duì)移動(dòng)設(shè)備的便捷、安全、綠色的供電需求，無(wú)線電能傳輸技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。

傳統(tǒng)民用的無(wú)線電能傳輸技術(shù)主要有電磁感應(yīng)和強(qiáng)耦合磁諧振兩種。

電磁感應(yīng)方式(ICPT,Inductive?Contactless?Power?Transmission)，基于法拉第電磁感應(yīng)定律，將兩組相對(duì)位置很接近的線圈通過(guò)電感耦合實(shí)現(xiàn)近距離較大功率的無(wú)線電能傳輸。其缺點(diǎn)在于，耦合系數(shù)的高要求決定了其對(duì)于線圈位置對(duì)正要求高，相對(duì)位置角度稍有偏移，傳輸功率即大幅下降。

強(qiáng)耦合磁諧振方式(ERPT,Electro-magnetic?Resonant?Power?Transmission)，基于磁諧振原理，發(fā)射端和接收端線圈處于磁共振狀態(tài)，能量可以定向從發(fā)射線圈傳輸?shù)浇邮站€圈。其缺點(diǎn)在于，線圈體積較大且笨重。

兩種方式各自所存在的缺點(diǎn)，都不能很好地滿足小功率應(yīng)用場(chǎng)合中對(duì)于輕便易用性的追求。

隨著巨磁電效應(yīng)在磁電層合材料中的發(fā)現(xiàn)，利用其實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)成為研究的關(guān)注點(diǎn)。磁電層合材料主要由磁致伸縮相材料和壓電相材料粘接構(gòu)成。在交變磁場(chǎng)的作用下，外層的磁滯伸縮相材料受力形變，帶動(dòng)內(nèi)層的壓電相材料使其產(chǎn)生電荷并向兩極積累。其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)了從磁場(chǎng)→力→電場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程。

磁電層合材料的體積較小，對(duì)于位置角度的小幅度偏移不敏感，這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)很適合將其應(yīng)用于無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域。如果磁電層合材料能夠作為無(wú)線電能傳輸裝置的接收端，只要磁場(chǎng)足夠大，對(duì)電荷的收集電路效率足夠高，就可以實(shí)現(xiàn)一定距離和功率的無(wú)線電能傳輸，完全可以在追求輕便易用性的小功率應(yīng)用場(chǎng)合取得廣泛的應(yīng)用。

然而磁電層合材料的應(yīng)用目前還局限于信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，用于無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的研究很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)未能得到應(yīng)有的重視。

直至2008年麻省理工學(xué)院的O’Handley課題組才完成了L-T模式下的200mW的功率傳輸(100Ω負(fù)載，60kHz激勵(lì)，交流磁場(chǎng)20Oe)。重慶大學(xué)的文玉梅課題組于2010年用PZT材料和Terfenlo-D材料實(shí)現(xiàn)了交流1Oe磁場(chǎng)下20μW的功率傳輸。

對(duì)于磁電層合材料在小功率應(yīng)用場(chǎng)合下的無(wú)線電能傳輸，上述兩項(xiàng)研究或是尚停留在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試階段，未能真正進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，或是傳輸功率停滯于mW量級(jí)以下。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的是提出一種基于磁電層合材料的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，將磁電層合材料引入無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域，論證了這種新型的無(wú)線電能傳輸方式在追求輕便易用性的小功率應(yīng)用場(chǎng)合下的可行性和實(shí)用性。

本實(shí)用新型提出的基于磁電層合材料的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括：

交流信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生交流正弦信號(hào)；

功率放大器，用于接收交流正弦信號(hào)，并對(duì)交流正弦信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的交流正弦信號(hào)作為交流電源，功率放大器與交流信號(hào)發(fā)生器相連；

磁場(chǎng)發(fā)生器，用于產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，磁場(chǎng)發(fā)生器由磁芯、線圈和補(bǔ)償電容組成，線圈繞制在磁芯上，線圈與補(bǔ)償電容串聯(lián)，線圈與補(bǔ)償電容串聯(lián)后與所述的交流電源的兩端相連；

磁電層合片，用于接收空間磁場(chǎng)的能量，并將接收的能量轉(zhuǎn)化為電能；

能量收集器，用于收集磁電層合片產(chǎn)生的電能，并為直流負(fù)載供電，能量收集器由整流橋和儲(chǔ)能電容組成，整流橋和儲(chǔ)能電容并聯(lián)，整流橋和儲(chǔ)能電容并聯(lián)后與磁電層合片兩端相連。

上述傳輸系統(tǒng)中，所述的磁電層合片由磁滯伸縮材料片、壓電材料片和磁滯伸縮材料片依次用粘合劑粘合而成。

本實(shí)用新型提出的基于磁電層合材料的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是：

1、相對(duì)于已有的發(fā)射線圈和接收線圈相對(duì)位置對(duì)正要求苛刻的電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸裝置，本實(shí)用新型的傳輸系統(tǒng)中，允許接收端進(jìn)行大角度偏移，對(duì)于3.0cm長(zhǎng)度的磁電層合片，最大無(wú)損偏移角度可達(dá)30°，通過(guò)多個(gè)磁電層合片交叉并聯(lián)的方式，這一最大無(wú)損偏移角度還可進(jìn)一步增大，降低了應(yīng)用于小功率場(chǎng)合時(shí)對(duì)接收端位置角度對(duì)正的要求，更加易用。