[發(fā)明專利]一種基于特斯拉線圈的改良型無線供電系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710850522.4
• 申請日: 2017-09-20
• 公開（公告）號: CN107634587A
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱書豪;姚鴻;仲正
• 申請（專利權(quán)）人: 揚(yáng)州芯智瑞電子科技有限公司
• 主分類號: H02J50/10
• 分類號: H02J50/10;H02J50/12;H01F38/14
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責(zé)任公司32102
• 代理人: 陳棟智

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無線供電系統(tǒng)，特別涉及一種用于可穿戴設(shè)備的無線供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)

對于以特斯拉線圈為基礎(chǔ)的無線供電系統(tǒng)而言，其電路模型都可以簡化為兩個(gè)通過空氣電感耦合的諧振電路，如圖1所示，這個(gè)模型中的初級電路由火花間隙和與之串聯(lián)的初級電容C1、初級線圈L1和電路等效電阻R1組成；其中的火花間隙代表了一切可以輸出高頻電壓信號的元器件或電路；次級電路主要由次級線圈L2、電路等效電阻R2和次級線圈頂端的寄生電容C2組成；寄生電容C2主要由次級線圈與接收端之間的空氣組成。初級電路和次級電路通過電感耦合聯(lián)系在一起，其互感系數(shù)為M。

當(dāng)在電路無損耗的理想狀態(tài)下，次級電路中可產(chǎn)生的發(fā)射電壓可以表達(dá)為：

；

這其中k是初級線圈和次級線圈的耦合系數(shù)而ω₁和ω₂是未耦合時(shí)初級線圈和次級線圈的諧振頻率，叫做開路頻率；T是調(diào)諧率，定義為未耦合時(shí)兩諧不振頻率之比的平方。V₁是初級電容C1的初始電壓，v₂是產(chǎn)生于寄生電容C2的交變電壓，w₁和w₂是初級線圈和次級線圈耦合時(shí)二者的諧振頻率。

這個(gè)公式顯示出如果L2遠(yuǎn)大于L1，即次級線圈的匝數(shù)遠(yuǎn)高于初級線圈，那么次級線圈產(chǎn)生的電壓在零時(shí)刻將會(huì)遠(yuǎn)高于初級線圈的電壓。這意味著根據(jù)此原理可以產(chǎn)生一種高頻高壓的信號，而這種信號可以幫助無線充電發(fā)射平臺把更多電能傳遞到更遠(yuǎn)的地方。由于高頻電流的趨膚效應(yīng)，該發(fā)明發(fā)射的電能在一定的能量范圍內(nèi)到達(dá)人體后只會(huì)在人體皮膚表皮傳導(dǎo)而不會(huì)深入內(nèi)部，從而避免了人體觸電的可能。

現(xiàn)有的基于磁耦合原理的無線電力傳輸裝置普遍需要發(fā)射端與接收端緊密貼合或相距極近才能實(shí)現(xiàn)有效的電力傳輸。這就限制了一些可穿戴式設(shè)備的靈活性和可移動(dòng)性。而在傳統(tǒng)的特斯拉線圈中，其發(fā)射端的信號發(fā)生電路與電源為一體式結(jié)構(gòu)，不便于維護(hù)和硬件升級以及之后的功能拓展。并且其發(fā)射天線是全向天線，不能調(diào)整發(fā)射方向，這在一定場景如墻角等處會(huì)影響傳輸效率。另外，傳統(tǒng)的特斯拉線圈也缺少與之配套的可移動(dòng)式接收端。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于特斯拉線圈的改良型無線供電系統(tǒng)，使得能量發(fā)射方向可方便調(diào)節(jié)，且不損失傳播能量。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于特斯拉線圈的改良型無線供電系統(tǒng)，包括發(fā)射單元和接收單元；所述發(fā)射單元用以向空間發(fā)射能量信號，所述接收單元用以接收發(fā)射單元發(fā)出的能量信號，所述發(fā)射單元包括振蕩器、功率放大器、電源以及發(fā)射線圈，所述發(fā)射線圈包括初級線圈、次級線圈以及設(shè)置在次級線圈頂部的均壓器，初級線圈與功率放大器相連，所述均壓器為一個(gè)剖面呈圓環(huán)狀的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，所述均壓器經(jīng)至少兩段圓弧結(jié)構(gòu)嵌套而成，所述均壓器展開后為一個(gè)整圓環(huán)，嵌套收縮后為一個(gè)圓弧段。

本發(fā)明工作時(shí)，振蕩器產(chǎn)生一個(gè)高頻信號，通過功率放大器提升高頻信號功率后傳給發(fā)射天線以向空間中發(fā)射能量信號，電源為振蕩器和功率放大器提供外部能源輸入，接收單元可直接接收到能量信號，并將其進(jìn)行儲存或直接使用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明通過將均壓器加工成可相互嵌套的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，使用時(shí)，可通過嵌套圓弧結(jié)構(gòu)來改變能量信號的發(fā)射方向，改變發(fā)射方向的同時(shí)，由于是嵌套結(jié)構(gòu)，能量強(qiáng)度并不會(huì)改變，從而大大提高了能量的傳輸效率。本發(fā)明可用于可穿戴式設(shè)備的無線充電中。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述接收單元包括接收線圈、電感和后端電路，所述接收線圈為一根彈性金屬帶，彈性金屬帶的一端連接有電感相連，形成諧振電路，諧振電路中電感的兩端作為輸出端接后端電路。由于發(fā)射單元直接發(fā)射電能，所以通過彈性金屬帶這種導(dǎo)體就可以直接接收，與一些磁耦合無線傳輸方案中的接收端需要電容和電感來構(gòu)成諧振電路不同；由于此發(fā)明直接接收以電場為主導(dǎo)的能量信號，所以不需要電容而只需要一個(gè)電感即可構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)，從而節(jié)約成本，同時(shí)還能保證能量的傳輸效率。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述彈性金屬帶展開時(shí)為長條狀結(jié)構(gòu)，卷曲后可纏繞在身體的手腕、腿部或頭部。將彈性金屬帶加工成長條狀結(jié)構(gòu)配合彈性性能，使得接收單元的穿戴更加方便。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述彈性金屬帶的表面貼有絕緣膜。避免彈性金屬帶對人體皮膚造成劃傷。