[實用新型]數(shù)字控制的自諧振、超靜音無線供電系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201920823141.1
• 申請日: 2019-05-31
• 公開（公告）號: CN210536355U
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段發(fā)階;李旭;蔣佳佳;傅驍;葉德超
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉國威

本實用新型涉及電能傳輸領(lǐng)域，為提出一種數(shù)字控制的自諧振、超靜音無線供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過檢測發(fā)射線圈的電壓零點，調(diào)整開關(guān)電源的開關(guān)頻率，實現(xiàn)諧振頻率的自動跟蹤，提升供電功率和效率，降低對外電磁干擾。為此，本實用新型采取的技術(shù)方案是，數(shù)字控制的自諧振、超靜音無線供電系統(tǒng)，包括：電源、扼流圈、電容、發(fā)射線圈、磁芯、接收線圈、全波整流橋、穩(wěn)壓電容、諧振電容、耦合器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制器和開關(guān)。本實用新型主要應(yīng)用于電能傳輸設(shè)備的設(shè)計制造場合。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及電能傳輸領(lǐng)域，尤其是涉及非接觸式供電領(lǐng)域。

背景技術(shù)

旋轉(zhuǎn)測量設(shè)備例如激光雷達系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機械遙測系統(tǒng)等在工作狀態(tài)下實現(xiàn)水平360°掃描，傳統(tǒng)的導線供電方式會出現(xiàn)導線纏繞問題，無法滿足供電要求。同時，設(shè)備在工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)速普遍較高，若采用接觸式供電如滑環(huán)、電刷等進行供電，則系統(tǒng)的使用壽命將會受到限制，根據(jù)文獻報道，采用滑環(huán)供電的激光雷達使用壽命約為一千小時，需要定期進行維護。為了提高其使用壽命，供電方式應(yīng)選擇非接觸式供電。

常見的非接觸式供電方式有電磁耦合諧振無線供電和感應(yīng)耦合無線供電，磁耦合諧振式無線供電的優(yōu)勢在于能夠?qū)㈦娔軅魉椭凛^遠距離，但磁耦合諧振無線供電方式效率低、電磁干擾大，并且當傳輸功率較大時，線圈的尺寸也較大，不利于集成化。與此同時，在上述應(yīng)用中，供電距離并不大，約為1mm，因此本系統(tǒng)可以進一步降低發(fā)射線圈和接收線圈的距離，轉(zhuǎn)而采用感應(yīng)耦合的方式。

在采用感應(yīng)耦合方式進行供電時，為了增大耦合系數(shù)、提升供電效率、降低對外電磁干擾，應(yīng)引入磁芯收束線圈產(chǎn)生的磁力線，同時采用電流型并聯(lián)諧振開關(guān)電源，并使電路工作在電路的自然頻率下。根據(jù)以上原則設(shè)計的電路以其低干擾的特點，被稱為超靜音變換器。但在旋轉(zhuǎn)設(shè)備供電的應(yīng)用中，線圈距離會產(chǎn)生微小的變換，而由于引入磁芯，發(fā)射線圈和接受線圈處于緊耦合和松耦合之間，這些微小的距離變化會影響系統(tǒng)的諧振頻率，使系統(tǒng)無法長期工作在諧振狀態(tài)。傳統(tǒng)的靜音變換器一般工作在靜止工況下，無法實現(xiàn)頻率的跟蹤，為了彌補這個不足，應(yīng)增加頻率跟蹤系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的靜音變換器改進為自諧振、超靜音無線供電系統(tǒng)。而目前常用的頻率跟蹤方法，一般需要比較原邊線圈電壓和電流相位差或者原邊線圈電壓和副邊線圈電壓相位差，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)諧，但都較為復雜。為了保證該供電系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài)，降低電路復雜程度，設(shè)計一種數(shù)字控制的自諧振、超靜音無線供電系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型旨在提出一種數(shù)字控制的自諧振、超靜音無線供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過檢測發(fā)射線圈的電壓零點，調(diào)整開關(guān)電源的開關(guān)頻率，實現(xiàn)諧振頻率的自動跟蹤，提升供電功率和效率，降低對外電磁干擾。為此，本實用新型采取的技術(shù)方案是，數(shù)字控制的自諧振、超靜音無線供電系統(tǒng)，包括：電源、扼流圈、電容、發(fā)射線圈、磁芯、接收線圈、全波整流橋、穩(wěn)壓電容、諧振電容、耦合器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制器和開關(guān)；

電源與扼流圈的第一個引腳連接，扼流圈的第二個引腳與電容的第一個引腳連接，電容的第二個引腳接地；

扼流圈的第二個引腳與發(fā)射線圈的中心抽頭連接，發(fā)射線圈通過磁芯與接收線圈耦合，接收線圈與由4只同樣型號的二極管組成全波整流橋連接；

整流橋的輸出與穩(wěn)壓電容連接，為負載提供功率；

發(fā)射線圈為中心抽頭電感，與諧振電容并聯(lián)，構(gòu)成諧振腔；

發(fā)射線圈的中心抽頭通過耦合器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與控制器相連，控制器與兩個開關(guān)的柵極相連；

兩個開關(guān)的源極分別接地，兩個開關(guān)的漏極分別接在發(fā)射線圈的兩端。

扼流圈通過選取電感值來保證所有狀態(tài)下通過電路的電流是連續(xù)的；通過采用磁芯提高發(fā)射線圈與接收線圈的耦合系數(shù)，同時屏蔽發(fā)射線圈與接收線圈的磁力線，減少發(fā)射線圈與接收線圈對外的電磁干擾。