[12]发明专利申请公布说明书
[21]申请号200810136892.2
[51]Int.CI.
H02J 17/00 (2006.01)
[43]公开日2009年1月7日[22]申请日2008.08.08[21]申请号200810136892.2
[71]申请人哈尔滨工业大学
地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街
92号[72]发明人朱春波 张小壮 逯仁贵 刘凯 于春来
任立涛
[11]公开号CN 101340113A
[74]专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事务所
代理人徐爱萍
权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页
[54]发明名称
带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置[57]摘要
带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置。它涉及无线能量传输领域。它是为了增大现有磁耦合谐振式无线能量传输技术的传输距离，发明的传输装置由增强型发射源和能量接收器组成；利用这两个具有相同的特定谐振频率的电磁系统，在相距一定的距离时，由于振动频率相同而产生共振，进行能量传递。在增强型发射源中加入了增强器，增强器与谐振发射电路产生强磁耦合，减小阻抗，调整发射波形，增大谐振电流，向外发射调整后的交变磁场，并与能量接收器产生共振。由于增强器的加入，该技术的能量传输距离有了非常大的提高，约为原来的5倍，还有可能更远。
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权 利 要 求 书
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1、带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于它包括增强型发射源(1)和能量接收器(2)；
所述的增强型发射源(1)由磁场谐振激发及驱动电路(1-1)、谐振发射电路(1-2)和增强器(1-3)组成；
磁场谐振激发及驱动电路(1-1)由驱动电路(1-1-1)和驱动开关管(1-1-2)组成，驱动电路(1-1-1)产生与设定的谐振发射频率相同或为谐振发射频率的1/n的驱动信号，驱动开关管(1-1-2)接收驱动信号；驱动开关管(1-1-2)的开关频率与谐振发射频率相同或为谐振发射频率的1/n，用于将直流电源的能量补充给谐振发射电路(1-2)，其中的n为正整数；
谐振发射电路(1-2)由谐振发射线圈(1-2-1)和谐振发射电容(1-2-2)组成，谐振发射线圈(1-2-1)与谐振发射电容(1-2-2)构成谐振系统，能量分别在谐振发射线圈(1-2-1)与谐振发射电容(1-2-2)以磁场和电场形式交换；在谐振发射线圈(1-2-1)中产生与设定的谐振发射频率相同的谐振电流；谐振发射线圈(1-2-1)中的谐振电流形成交变磁场；
增强器(1-3)由谐振增强线圈(1-3-1)和谐振增强电容(1-3-2)组成，增强器(1-3)的谐振增强线圈(1-3-1)接收谐振发射线圈(1-2-1)中所发射出的交变磁场形成谐振电流，谐振增强线圈(1-3-1)和谐振增强电容(1-3-2)串联成闭合回路，用于调整发射源的波形并增大接收到的谐振电流，调整后的谐振电流再通过谐振增强线圈(1-3-1)向接收器发射调整后的交变磁场，并与能量接收器(2)产生共振；
所述的能量接收器(2)由谐振接收电路(2-1)和高频整流电路(2-2)组成； 谐振接收电路(2-1)用于接收增强器(1-3)传输过来的磁场能量；谐振接收电路(2-1)由谐振接收线圈(2-1-1)和谐振接收电容(2-1-2)组成，谐振接收线圈(2-1-1)和谐振接收电容(2-1-2)用于设定谐振接收频率，设定的谐振接收频率与设定的谐振发射频率相同；
高频整流电路(2-2)，将谐振接收电路(2-1)所接收的电能进行整流输出。 2、根据权利要求1所述的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于直流电源的一端连接磁场谐振激发及驱动电路(1-1)的输入端，磁场谐振激发及驱动电路(1-1)的输出端连接谐振发射电路(1-2)的输入端，谐振发射
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电路(1-2)的输出端连接直流电源的另一端构成回路；磁场谐振激发及驱动电路(1-1)中的驱动电路(1-1-1)的信号输出端连接驱动开关管(1-1-2)的栅极，驱动开关管(1-1-2)的漏极为磁场谐振激发及驱动电路(1-1)的输入端，驱动开关管(1-1-2)的源极为磁场谐振激发及驱动电路(1-1)的输出端。
3、根据权利要求2所述的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于谐振发射电路(1-2)中的谐振发射线圈(1-2-1)和谐振发射电容(1-2-2)采用串联或并联连接。
4、根据权利要求3所述的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于增强器(1-3)距离谐振发射电路(1-2)是谐振发射电路(1-2)距离谐振接收电路(2-1)的五分之一。
5、根据权利要求3所述的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于增强器(1-3)与谐振发射电路(1-2)之间的距离为1～20cm。 6、根据权利要求3所述的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于增强器(1-3)与谐振发射电路(1-2)之间的距离为10cm。 7、根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于增强型发射源(1)还包括电源变换电路(1-4)，电源变换电路(1-4)用于将交流电转换为直流电并传输给磁场谐振激发及驱动电路(1-1)和谐振发射电路(1-2)。
8、根据权利要求7所述的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于谐振接收电路(2-1)中的谐振接收线圈(2-1-1)和谐振接收电容(2-1-2)采用串联或并联连接。
9、根据权利要求1、2或8所述的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于设定的谐振接收频率和设定的谐振发射频率范围在0.05MHz～50MHz之间。
10、根据权利要求9所述的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置，其特征在于磁耦合谐振式无线能量传输装置中有多个能量接收器(2)。
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说 明 书
带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置
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技术领域
本发明涉及无线能量传输领域。背景技术
当前几乎所有的用电设备都必须要使用有形介质(如：使用金属导线、电线电缆)作为主要连接才能进行电力传输或能量的传输，即使是短距离电力传输(比如计算机、电视、台灯等)，也必须经过电源线连接以及铺线或拉线的烦琐过程，使得需要以电力作为动力的电子、电器设备，其摆设位置受到影响。如果可以研发出更为优良的无线能量传输技术及装置，实现不受外物或周围环境影响的有效电力传输，就可以通过无线的传输方式来达到电力的传输，那么在使用这些电器设备时，必定能更加得心应手。另外，在一些特殊的应用场所，如水下作业、医用植入设备、无线网络等不方便或不能使用导线供电的场合都具有非常实际的应用价值。
根据能量传输原理，目前，在国内外研究的无线能量传输技术向着磁耦合谐振的方向发展，磁耦合谐振式能量传输技术，是利用两个具有相同的特定谐振频率的电磁系统，在相距一定的距离时，由于振动频率相同而产生共振，进行能量传递。由谐振发射线圈产生非辐射磁场，当谐振接收线圈进入该磁场作用区域时，由于谐振接收线圈与该磁场具有相同的振荡频率而产生磁共振，谐振接收线圈中的能量不断聚集，电压不断升高，经过后续的能量接收及转换电路后，即可将能量提供给负载使用。一般来说，相距一定距离的电磁系统，相互之间是弱耦合，但若两个系统的固有谐振频率相同，则会产生强电磁共振，构成一个电磁共振系统，若有多个谐振体在有效范围内，则同样可以加入该共振系统，如果某一端连接电源不断为该共振系统提供能量，而另一方消耗能量，则实现了能量的传输。之所以称其为“磁耦合谐振式”，是因为空间进行能量交换的媒介是交变磁场，而我们日常环境中的物体，包括生物体受磁场的影响很小(电场则会发生危险)。虽然现有的磁耦合谐振式无线能量传输的装置已经能够完成较大距离的无线传输功能，但在一些特殊的环境中，如在水下或两悬崖之间等特殊的情况下需要加大其传输距离。
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发明内容
本发明是为了增大现有磁耦合谐振式无线能量传输技术的传输距离，而提供一种带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置。
本发明的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置包括增强型发射源和能量接收器；
所述的增强型发射源由磁场谐振激发及驱动电路、谐振发射电路和增强器组成；
磁场谐振激发及驱动电路由驱动电路和驱动开关管组成，驱动电路产生与设定的谐振发射频率相同或为谐振发射频率的1/n的驱动信号，驱动开关管接收驱动信号；驱动开关管的开关频率与谐振发射频率相同或为谐振发射频率的1/n，用于将直流电源的能量补充给谐振发射电路，其中的n为正整数； 谐振发射电路由谐振发射线圈和谐振发射电容组成，谐振发射线圈与谐振发射电容构成谐振系统，能量分别在谐振发射线圈与谐振发射电容以磁场和电场形式交换；在谐振发射线圈中产生与设定的谐振发射频率相同的谐振电流；谐振发射线圈中的谐振电流形成交变磁场；
增强器由谐振增强线圈和谐振增强电容组成，增强器的谐振增强线圈接收谐振发射线圈中所发射出的交变磁场形成谐振电流，谐振增强线圈和谐振增强电容串联成闭合回路，用于调整发射源的波形并增大接收到的谐振电流，调整后的谐振电流再通过谐振增强线圈向接收器发射调整后的交变磁场，并与能量接收器产生共振；
所述的能量接收器由谐振接收电路和高频整流电路组成； 谐振接收电路用于接收增强器传输过来的磁场能量；谐振接收电路由谐振接收线圈和谐振接收电容组成，谐振接收线圈和谐振接收电容用于设定谐振接收频率，设定的谐振接收频率与设定的谐振发射频率相同；
高频整流电路，将谐振接收电路所接收的电能进行整流输出。 本发明的增强器能够调整发射源的电压波形。如图2所示，发射源两端的电压波形并不是标准的正弦波，这是由于发射源的结构和耦合电感所决定，由于该波形不是标准的正弦波，这就决定了能量不能传输很远。加入增强器后，由于其和发射源的频率相同，与发射源产生共振，形成了如图4所示正弦波，
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由于增强器和发射源离得很近，我们间接的可以把增强器作为新的发射源，这样我们就得到了我们所期望的正弦波发射源。该增强器还能够增强谐振电流，以增强发射磁场强度，扩大了磁场作用范围，从而使能量传输距离得到提高。由于增强器的加入，该磁耦合谐振能量传输的距离有了非常大的提高，约为原来的5倍，还有可能更远。附图说明
图1是本发明的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置的结构示意图；图2是未加增强器时发射器的线圈两端的电压波形；图3是未加增强器时接收器的线圈两端的电压波形；图4是带有增强器的增强型发射源的谐振增强线圈两端的电压波形；图5是接收带有增强器的增强型发射源时接收器的线圈两端的电压波形。 具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的带有增强器的磁耦合谐振式无线能量传输装置由增强型发射源1和能量接收器2组成； 所述的增强型发射源1由磁场谐振激发及驱动电路1-1、谐振发射电路1-2和增强器1-3组成；
磁场谐振激发及驱动电路1-1由驱动电路1-1-1和驱动开关管1-1-2组成，驱动电路1-1-1产生与设定的谐振发射频率相同或为谐振发射频率的1/n的驱动信号，驱动开关管1-1-2接收驱动信号；驱动开关管1-1-2的开关频率与谐振发射频率相同或为谐振发射频率的1/n，用于将直流电源的能量补充给谐振发射电路1-2，其中的n为正整数；
谐振发射电路1-2由谐振发射线圈1-2-1和谐振发射电容1-2-2组成，谐振发射线圈1-2-1与谐振发射电容1-2-2构成谐振系统，能量分别在谐振发射线圈1-2-1与谐振发射电容1-2-2以磁场和电场形式交换；在谐振发射线圈1-2-1中产生与设定的谐振发射频率相同的谐振电流；谐振发射线圈1-2-1中的谐振电流形成交变磁场；
增强器1-3由谐振增强线圈1-3-1和谐振增强电容1-3-2组成，增强器1-3的谐振增强线圈1-3-1接收谐振发射线圈1-2-1中所发射出的交变磁场形成谐振电流，谐振增强线圈1-3-1和谐振增强电容1-3-2串联成闭合回路，用于调
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整发射源的波形并增大接收到的谐振电流，增强器1-3与谐振发射电路1-2产生强磁耦合，发生共振，减小增强器1-3中的阻抗，调整谐振发射电路1-2的发射波形，增大接收到的谐振电流，进而增大了交变磁场的强度，扩大了磁场的作用范围，调整后的谐振电流再通过谐振增强线圈1-3-1向接收器发射调整后的交变磁场，并与能量接收器2产生共振；进而增加能量传输距离；增强器1-3的谐振增强线圈1-3-1和谐振增强电容1-3-2的参数与发射源和接收器中的线圈和电容参数一致，这样就保证了它们有一个共同的谐振频率。 所述的能量接收器2由谐振接收电路2-1和高频整流电路2-2组成； 谐振接收电路2-1用于接收增强器1-3传输过来的磁场能量；谐振接收电路2-1由谐振接收线圈2-1-1和谐振接收电容2-1-2组成，谐振接收线圈2-1-1和谐振接收电容2-1-2用于设定谐振接收频率，设定的谐振接收频率与设定的谐振发射频率相同；
高频整流电路2-2，将谐振接收电路2-1所接收的电能进行整流输出。 具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于直流电源的一端连接磁场谐振激发及驱动电路1-1的输入端，磁场谐振激发及驱动电路1-1的输出端连接谐振发射电路1-2的输入端，谐振发射电路1-2的输出端连接直流电源的另一端构成回路；磁场谐振激发及驱动电路1-1中的驱动电路1-1-1的信号输出端连接驱动开关管1-1-2的栅极，驱动开关管1-1-2的漏极为磁场谐振激发及驱动电路1-1的输入端，驱动开关管1-1-2的源极为磁场谐振激发及驱动电路1-1的输出端。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于谐振发射电路1-2中的谐振发射线圈1-2-1和谐振发射电容1-2-2采用串联或并联连接；其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。 谐振发射电路1-2的谐振频率由如下公式确定：
其中C1为谐振发射电容1-2-2的电容，如果电路中同时存在多个电容，则需要根据具体电路，根据电容的串、并联关系计算出等效电容；L1是谐振发射线圈1-2-1的电感。根据实际的能量传输需要，确定谐振发射电路1-2的谐振发射
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线圈1-2-1的电感L1和谐振发射电容1-2-2的电容C1，则电路的谐振发射频率即可由式(4)确定，由此可以确定驱动开关管1-1-2的驱动信号的频率，通过对驱动开关管1-1-2开通和关断的控制，在谐振发射线圈1-2-1中产生具有需要频率的电流，此电流产生磁场。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于增强器1-3距离谐振发射电路1-2是谐振发射电路1-2距离谐振接收电路2-1的五分之一。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。 具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于增强器1-3与谐振发射电路1-2之间的距离为1～20cm。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于增强器1-3与谐振发射电路1-2之间的距离为10cm。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一至六不同点在于增强型发射源1增加了电源变换电路1-4，电源变换电路1-4用于将交流电转换为直流电并传输给磁场谐振激发及驱动电路1-1和谐振发射电路1-2；其它组成和连接方式与具体实施方式一至六相同。 具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同点在于谐振接收电路2-1中的谐振接收线圈2-1-1和谐振接收电容2-1-2采用串联或并联连接；其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。 能量接收器2根据设定的谐振发射频率设计或调整谐振接收电路2-1的谐振接收频率。谐振接收电路2-1由谐振接收频率来确定谐振接收线圈2-1-1和谐振接收电容2-1-2，根据实际的用电设备的需要来确定谐振接收线圈2-1-1的尺寸、材料和电感值，然后根据式
计算谐振接收电容2-1-2的电
容，确保与增强型发射源1的磁场产生谐振，从而可以实现能量的传输。谐振接收电路2-1所接收的能量经过整流滤波后即可提供给负载使用。 具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二或八不同点在于设定的谐振接收频率和设定的谐振发射频率为0.05MHz～50MHz。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二或八相同。本发明所使用的谐振频率，可以根据传输距离及传输功率等方面的需要选择不同
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的频率点或频率段。
具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式九不同点在于磁耦合谐振式无线能量传输装置中有多个能量接收器2。其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。
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图4
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