[發明專利]一種磁耦合諧振式無線電能多向傳輸三維空心線圈

有效

• 申請號: 201510035853.3
• 申請日: 2015-01-26
• 公開（公告）號: CN104617681B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 羅斌
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;H01F38/14
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司36115
• 代理人: 施秀瑾

技術領域

本發明屬于無線電能傳輸系統技術領域。

背景技術

近幾年發展起來的磁耦合諧振式無線電能傳輸技術，利用發射端電感線圈和接收端電感線圈的近場磁耦合諧振在中程距離高效、非輻射地傳輸電能，具有方便、安全、干凈等優點，廣受人們關注。

目前該領域已有的大多數專利都是單發射端、單接收端的無線充電結構。對應的，作為發射端和接收端諧振器重要部件的空心電感線圈通常是矩形或圓形等平面型的二維結構，這種二維線圈具有較強的方向性，通常只在某一特定方向上具有最大的傳輸效率，不利于沿多個不同的方向對多個負載進行電能傳輸。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提出一種磁耦合諧振式無線電能多向傳輸三維空心線圈，利用這種結構的電感線圈制作的LC諧振器可在空間沿著多個方向上進行無線電能傳輸，或者同時對多個放置于不同方向的負載進行無線充電。

本發明是通過以下技術方案實現的。

將導線沿著正立方體或長方體的六條棱纏繞若干圈，構成一個非平面結構的三維空心線圈。

本發明將上述三維空心線圈兩根引線與調諧電容相連接，即可構成充當能量中轉的無線電能多向傳輸中繼端，擴充無線電能傳輸的覆蓋范圍。

本發明將上述三維空心線圈兩根引線與調諧電容與和逆變電源串聯，可構成無線電能多向傳輸發射端，可為多個不同方向的負載接收端提供電能。

本發明將上述三維空心線圈兩根引線與調諧電容和負載串聯，可構成無線電能多向傳輸負載端，以便接收來自多個不同方向的無線電能。

本發明對小功率應用，可采用漆包銅線密繞的方式。對大功率應用，應采用大線徑的銅線繞制，并在每圈導線間預留一定空隙。

本發明提出了一種三維的空心電感線圈，其結構簡單、制作方便。易于和商場、工廠、家庭等周圍環境中的墻壁拐角、家具拐角等共形。利用該三維線圈與調諧電容連接所構成的諧振器可以在多諧振器的無線電能傳輸系統中充當發射端諧振器、中繼端諧振器或負載接收端諧振器，靈活改變無線電能的傳播方向，為位于不同方位的負載進行無線電能傳輸。

附圖說明

圖1為本發明沿正方體六條棱纏繞了兩匝的三維空心電感線圈的示意圖。1為三維空心電感線圈，11為兩根引線。

圖2為本發明三維空心電感線圈沿上下左右前后6個方向進行等互感的無線電能 傳輸示意圖。

圖3為本發明三維空心電感線圈在水平面上的多向傳輸特性。其中，1為三維空心電感線圈，2為平面矩形線圈。

圖4是圖3中的Φ從0°到360°變化時，三維空心電感線圈和平面矩形線圈之間的互電感值。

圖5為本發明以三維空心電感線圈作為組件的無線電能多向傳輸發射端示意圖。

圖6為本發明以三維空心電感線圈作為組件的無線電能多向傳輸中繼端示意圖。

圖7為本發明以三維空心電感線圈作為組件的無線電能多向傳輸負載接收端示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。

圖1所示的三維線圈由導線沿著正立方體框架的六條棱纏繞若干圈而成。對小功率應用，該線圈可采用漆包銅線密繞的方式。對大功率應用，該線圈應采用大線徑的銅線繞制，并在每圈導線間預留一定空隙。三維線圈引出兩根引線11作為與調諧電容、逆變電源或負載相連接的接口。研究表明，若將平面矩形線圈以相同距離如圖2所示放置于該三維線圈所處正立方體的上方、下方、左方、右方、前方以及后方六個方向、并與正立方體正對面平行時，平面矩形線圈和該三維線圈的互電感大小一致，這是該三維線圈多向傳輸的理論依據。

而該三維線圈的多向傳輸特性并不局限在上述6個方向上。如圖3所示，將矩形線圈(視應用場合可以作為負載接收線圈也可以作為源發射線圈)垂直放置在三維線圈所處框架正立方體的xOy水平面處，框架正立方體的中心和坐標原點重合，矩形線圈的中心P與坐標原點O連線OP與矩形測試線圈垂直，當OP和x軸夾角Φ從0°增大至360°,即矩形線圈繞z軸旋轉一周時，在-20°～110°以及160°～290°的大角度范圍內，互電感變化非常平穩。圖4給出了三維空心電感線圈的框架正方體邊長20cm、匝數3圈，平面矩形線圈邊長16cm、匝數3圈，r＝20cm時的仿真結果。結果表明在處于(-20°～110°)以及(160°～290°)大角度范圍內，上述兩個線圈之間的互電感大小取值在0.22μH-0.24μH之間，變化幅度小于10％。