一种用磁电耦合抵消抑制频率分裂的无线输能线圈系统

摘要

本发明公开了一种用磁电耦合抵消抑制频率分裂的无线输能线圈系统，包括一个能量发射线圈，一个能量接收线圈以及四个加载环形金属片；发射线圈和接收线圈之间通过分别加载第一环形金属片和第二环形金属片以及第三环形金属片和第四环形金属片来拓展功率传输的可变距离范围。本发明设计的接收和发射线圈系统，使线圈工作于磁耦合‑电耦合状态；从远距离向近距离的移动过程中，线圈间耦合系数变化平缓，仍然能保持一个较低的耦合度从而不产生频率分裂现象，系统间均能保持高效率能量传输。本发明在传统无线能量传输线圈系统的磁耦合工作模式基础上引入电耦合，使得传统的对距离敏感的能量传输系统变为距离可变的高效率能量传输系统。

说明书

技术领域

本发明涉及涉及距离可变的高效率无线输电系统技术领域，具体涉及用磁电耦合抵消抑制频率分裂的无线输能线圈系统。

背景技术

传统的电能传输方式主要是通过导线连接的形式进行传输，但是导线会占

用大量的空间资源，消耗大批金属资源，同时易产生接触电火花，给生存和生活

带来很大的安全隐患；除此以外，在某些运用场合，无法运用导线输电，而电池

的使用又很大程度限制了器件使用期限。在这些背景之下，人们开始尝试一种新

的电能传输技术—无线输电技术。

2007 年，麻省理工大学的科研人员首次利用磁谐振耦合原理，在距离为 2 m 的情况下完全点亮了 60 W 的灯泡。该技术被命名为WiTricity技术，并为中程距离无线电能传输技术的发展开辟了一个崭新的方向。但是，该系统的缺点是需要固定距离，当距离改变时，系统效率会大幅度下降。后续的很多研究都基于此进行了改善。2008 年 8 月，Intel西雅图实验室的 Joshua R. Smith课题组，利用磁谐振耦合无线能量传输技术设计出可为小型电子设备充电的平面型无线电能传能装置，展示的系统实现了6 0c m的距离上点亮了40 W的灯泡，并在2011年Industrial Electronics Society杂志上发表了一篇高水平的SCI论文。该系统是基于频率跟踪的距离可变系统，可以实现在70cm距离内实现75%以上的高效率传输。但是该系统需要在原有的WiTricity系统上加入了频率测量电路，锁相环电路和电压采样控制电路等电路，增加了系统的复杂度，给实现调试和应用带来了一定的困难。2014年，在文献《Lee W, Oh K, Yu J，“Distance-Insensitive Wireless Power Transferand Near-Field Communication Using a Current-Controlled Loop With a LoadedCapacitance，” IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2014, 62(2):936 -940.》中，提出一种采用正反向绕制的线圈，在0到7cm的距离内实现60%以上的效率传输，这类线圈系统的反向线圈限制了系统的传输距离。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出了一种应用于近距离或中距离无线能量传输的线圈系统。本发明中，线圈间距离由远及近过程中，环形金属片之间分别存在电容耦合，线圈之间存在电感耦合，由于磁电耦合的抵消，抑制了总体耦合系数变大的趋势，从而抑制了频率分裂现象的产生，并在一定距离内耦合系数基本不变，保持高效率功率传输；由近到远距离的过程中，环形金属片的电容耦合急剧下降，线圈间的耦合主要是电感耦合，耦合较弱，不会出现频率分裂现象，仍然保持高效率传输；本线圈系统可以实现一定距离的高效率能量传输，依靠的是线圈间的磁电耦合自适应调整，和同类设计相比，不会增加原有电路系统的复杂度，系统更为简单和易调试，同时电容耦合的距离比较近，同样不会影响远距离的能量传输，具有更远的可变距离范围。

为实现本发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用磁电耦合抵消抑制频率分裂的无线输能线圈系统，包括一个能量发射线圈，一个能量接收线圈以及四个加载环形金属片；发射线圈和接收线圈之间通过分别加载第一环形金属片和第二环形金属片以及第三环形金属片和第四环形金属片来拓展功率传输的可变距离范围；由于磁耦合与电耦合极性相反可以抵消，总的耦合强度等于磁耦合强度减去电耦合强度，当两个线圈之间靠近间距变小时，发射线圈和接收线圈之间的电感耦合增大，第一环形金属片和第三环形金属片，第二环形金属片和第四环形金属片之间的电容耦合也增大，由于磁-电耦合的反相抵消作用可以使总的耦合系数在一定距离内保持基本不变，从而防止耦合系数过大产生频率分裂现象保持高效率功率传输；当发射线圈和接收线圈距离较远时，电容耦合下降较快变得很小，总耦合强度主要取决于螺旋管间的电感耦合，也会随着距离的增大而逐步减小，不会出现频率分裂现象；因此本线圈系统可以实现一定距离内的高效率能量传输；

进一步地，第一环形金属片，第二环形金属片，第三环形金属片和第四环形金属片的加载方式以及发射线圈的馈电方式和接收线圈的馈电方式共同构成了磁电抵消的充分条件；发射线圈顺时针绕向，接收线圈逆时针绕向，两线圈绕向相反，加载在发射线圈的第一环形金属片和发射线圈绕向相反，其末端通过导线与发射线圈末端相连，加载在发射线圈的第二环形金属片的绕向和发射线圈相反，其末端通过导线和发射线圈相连；加载在接收线圈的第三环形金属片和接收线圈绕向相反，其末端通过导线和接收线圈相连，加载在接收线圈的第四环形金属片的绕向和接收线圈相反，其末端通过导线和接收线圈相连，这共同使得发射线圈和接收线圈相互之间的电场矢量和磁场矢量相反，构成了磁电抵消的必要条件；并且，发射线圈的匝数为奇数，从上往下分别为为第一匝和最后一匝，顺时针绕向，两端开路，中间的一圈从中间断开作为高频率功率源的馈电口，发射线圈的匝数为奇数，从上往下分别为为第一匝和最后一匝，逆时针绕向，两端开路，中间的一圈从中间断开作为接收能量的馈电口，这种方式让线圈的末端开放，使得末端电场效应加强；

进一步地，发射线圈和接收线圈的谐振方式构成了磁电抵消的基本条件；发射线圈和接收线圈的长度是一致的，均为工作频率的四分之一波长，这样使线圈能够利用自身杂散电容谐振于工作频率附近，并且等效于串联谐振；因此，线圈系统不必额外加载谐振电容，尽可能地降低了自身谐振电容的大小，而提高了线圈间的互容系数，使其达到与互感系统相同数量级，从而使互容系数与互感系数相互抵消，形成磁电抵消特性；

进一步地，加载的第一环形金属片，第二环形金属片，第三环形金属片，第四环形金属片的宽度决定了拓展的传输距离范围；发射线圈和接收线圈间的耦合电容主要由加载的第一环形金属片和第三环形金属片，以及第二环形金属片和第四环形金属片之间的电容串联构成；为了使线圈间的耦合电容最大化足以抵消耦合电感能量，环形金属片宽度保持一致，并且通过调整该宽度，可以调整线圈间互容系数的大小，进而直接调整电耦合对磁耦合的抵消的程度，由于总体耦合等于磁耦合减去电耦合，最终得以使总体耦合系数随距离变化平缓而拓展了可变距离范围；

进一步地，加载的第一环形金属片，第二环形金属片和发射线圈相互嵌合以及第三环形金属片，第四环形金属片和接收线圈相互嵌合，不会大幅度增加原有线圈的体积；发射线圈开口两端分别加载第一环形金属片和第二环形金属片，两环形金属片均与线圈最后一匝同一平面，分别为180度的半圆环形，内径比线圈略大，以不接触线圈为准，而内径向外拓展形成一定宽度的环形金属片；第一环形金属片和第二环形金属片相互间隔一段距离，首尾不相连；如此加载方式，不会增加发射线圈的厚度，而在发射线圈的径向方向上也只是增加了金属片的宽度，而实际上该宽度和线圈半径相比很小；故，加载金属片的方式本身不会很大幅度增大线圈体积；接收线圈开口两端分别加载第一环形金属片和第二环形金属片，两环形金属片均与线圈最后一匝同一平面，分别为180度的半圆环形，内径比线圈略大，以不接触线圈为准，而内径向外拓展形成一定宽度的环形金属片；第三环形金属片第四环形金属片相互间隔一段距离，首尾不相连；如此加载方式，不会增加接收线圈的厚度，而在接收线圈的径向方向上也只是增加了金属片的宽度，而实际上该宽度和线圈半径相比很小；故，加载金属片的方式本身不会很大幅度增大线圈体积；。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明的无线输电线圈系统可以根据传输距离自适应调整线圈间的耦合度来保持高效率，不需要增加额外的控制电路，因此也不会增加系统成本，同时，系统也更为简单便于调试与应用。

（2）本发明仅仅在线圈周围加载了一段宽度较小的环形金属片，在距离变化保持高效率的同时也保证了体积不会大幅度增加，使线圈更易于与实际系统互相嵌入。

附图说明

图1是本发明一种用磁电耦合抵消抑制频率分裂的无线输能线圈系统结构图。

图2 是一种用磁电耦合抵消抑制频率分裂的无线输能线圈系统的尺寸标注图。

图3是线圈系统传输效率随距离变化的仿真结果。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种用磁电耦合抵消抑制频率分裂的无线输能线圈系统，包括两个接收和发射线圈和加载环形金属片；两个线圈是绕向相反相互对称的，线圈间的距离为无线输电传输距离；发射线圈3开口两端分别加载第一环形金属片1和第二环形金属片2，两环形金属片均与线圈最后一匝同一平面，分别为180度的半圆环形，内径比线圈略大，以不接触线圈为准，而内径向外拓展形成一定宽度的环形金属片；第一环形金属片1和第二环形金属片2相互间隔一段距离，首尾不相连；如此加载方式，不会增加发射线圈的厚度，而在发射线圈的径向方向上也只是增加了金属片的宽度，而实际上该宽度和线圈半径相比很小；故，加载金属片的方式本身不会很大幅度增大线圈体积；接收线圈10开口两端分别加载第一环形金属片6和第二环形金属片7，两环形金属片均与线圈最后一匝同一平面，分别为180度的半圆环形，内径比线圈略大，以不接触线圈为准，而内径向外拓展形成一定宽度的环形金属片；第三环形金属片6和第四环形金属片7相互间隔一段距离，首尾不相连；由远及近过程中，第一环形金属片1和第三环形金属片3，第二环形金属片2和第四环形金属片4之间分别存在电容耦合，发射线圈3和接收线圈10之间存在电感耦合，由于磁电耦合的抵消，可以在一定距离内保持耦合系数基本不变，保持高效率功率传输；在远距离主要是线圈间的电感耦合，耦合较弱，不会出现频率分裂，仍然保持高效率传输；因此本线圈系统可以实现一定距离内的高效率能量传输。

实施例

一种用磁电耦合抵消抑制频率分裂的无线输能线圈系统的结构如图1所示，有关尺寸如图2所示，所选用的金属片的厚度为2mm，线圈间距离为dis，具体电路尺寸选择如下：线圈直径d=185mm,金属片宽度a=25mm，线圈厚度c=30mm，线圈铜线直径r=2mm，整体尺寸为235mm×235 mm。

图3是线圈系统传输效率随距离变化的仿真结果，可以看出原来的线圈只有从8到14cm内有80%以上的效率，可变距离范围只有6cm，靠近时效率急剧下降。而改进后的线圈在0到10cm距离内均有高于80%的传输效率，可变距离范围有10cm。本发明提供了一种应用在近距离或者中距离距离可变的无线能量传输系统发射和接收线圈设计，在保持高效率的同时，也增加了传输距离。

以上所描述的实施例是本发明中的一个教好的实施例，并不用以限制本发明。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，基于本发明所做的任何修改，等同替换，改进所获得的其他实施例，都属于本发明实施例的保护范围。