專利名稱：貼近式無線輸電裝置結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的內(nèi)容應(yīng)該屬于低壓供電技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用高頻脈沖實(shí)現(xiàn)無接觸式的輸電裝置，與開關(guān)電源技術(shù)密切相關(guān)?？捎糜诓贿m宜采用導(dǎo)線直接輸電的場(chǎng)合，如密閉容器內(nèi)外的輸電等。
二.
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電能輸送是利用導(dǎo)體連接實(shí)現(xiàn)，對(duì)于交流電，也包括采用一體化的變壓器進(jìn)行電能輸送，都發(fā)球接觸式輸電方式，網(wǎng)絡(luò)間總是有導(dǎo)體相互連接的。對(duì)于大多數(shù)場(chǎng)合傳統(tǒng)輸電方式完全滿足輸電要求。但采用電線連接方式對(duì)于某些用電設(shè)備存在一些不方便之處，如密閉容器內(nèi)、外的輸電，植入生物體內(nèi)的電子設(shè)備，以及手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備的充電，便攜式無電源的電子設(shè)備等。如果改用只要靠近就可輸電的無接觸器輸電方式，心定會(huì)在使用上帶來及大方便。目前在無接觸刷卡系統(tǒng)中已得到了廣泛應(yīng)用，只是這一系統(tǒng)所能輸送的電能非常微小。鑒于無線電能輸送的便捷性，目前許多技術(shù)人員開始探索各種技術(shù)手段，盡量提高其輸電功率、輸電距離等。其中之一是將電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能量，輻射至接收方，再將磁能轉(zhuǎn)換成電能。無接觸刷卡系統(tǒng)就是依靠這一手段得以實(shí)現(xiàn)，是一種行之有效的方式。但是電磁場(chǎng)失去導(dǎo)電體、導(dǎo)磁體約束后，成為開放形式，輸電的效率降低，同時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的空間電磁干擾。特別是輸電功率加大后，需要重點(diǎn)考慮降低空間電磁干擾的措施。電磁干擾源主要來自于電與磁之間的轉(zhuǎn)換裝置，因此，電磁能轉(zhuǎn)換、輸送裝置的結(jié)構(gòu)是有效實(shí)現(xiàn)無線輸電關(guān)鍵所在。載流線圈周圍一定有磁場(chǎng)產(chǎn)生，其磁場(chǎng)的輻射范圍與激勵(lì)線圈尺寸成正比。獨(dú)立空心線圈在線圈平面上的磁力線分布基本均勻；距線圈越近，磁力線越密，磁場(chǎng)強(qiáng)度越高； 距線圈越遠(yuǎn)，磁力線越疏，磁場(chǎng)強(qiáng)度越小。為了提高傳輸距離，一般采用橫向磁場(chǎng)耦合，同時(shí)加長其形成磁場(chǎng)的尺度，其原理如附圖1所示。這種方式中，磁場(chǎng)耦合量較小，且電磁干擾特別嚴(yán)重。為了限制電磁干擾程度，可以采用縱向磁場(chǎng)耦合方式，其原理如附圖2所示。對(duì)于半徑為R的空心線圈所輻射的磁場(chǎng)，在距離線圈χ處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可以由下式計(jì)算?？梢?，隨著距離χ增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減很快。
n_ MqNR2I1當(dāng)距離χ比較小時(shí)，可獲得比較多的磁場(chǎng)耦合量，但這種方式也只能做近距離的電能傳輸，適合貼近式輸電場(chǎng)合。
三.發(fā)明內(nèi)容在無線輸電方式中，要提高輸電效率，就是要使磁場(chǎng)輻射線圈產(chǎn)生的磁力線盡量多穿越接收線圈。輻射磁場(chǎng)利用得越充分，對(duì)空間的電磁干擾也就越小。提高輻射磁場(chǎng)的利用率是一個(gè)核心問題。為了達(dá)到這一目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是磁場(chǎng)激勵(lì)線圈采用完全開放的結(jié)構(gòu)，由開放式激勵(lì)線圈、反射板、接收線圈、扁罐型磁芯四個(gè)必要部件組成，接收線圈固定于扁罐型磁芯凹槽中組成接收器，反射板與接收器分置于開放式激勵(lì)線圈的兩側(cè)，其中面積大于激勵(lì)線圈的反射板與開放式激勵(lì)線圈相間一定距離固定在一起，如附圖3所示。其整體組成結(jié)構(gòu)的立體模型如附圖4所示。這一技術(shù)處理方案是基于在開磁路中，磁力線總是沿最小磁阻的路徑通過。開放線圈本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布基本均稱，在緊貼激勵(lì)線圈的空間，必定存在路徑較短的磁力線分布，這些磁力線不會(huì)經(jīng)過接收器，對(duì)電能輸送起不到作用，如附圖2所示。針對(duì)于縱向磁場(chǎng)耦合方式，在接收線圈外側(cè)加裝磁芯后，對(duì)磁力線分布狀態(tài)有所改變。由于鐵氧體磁芯的磁導(dǎo)率高，磁阻小，激勵(lì)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，可以有更多的磁力線經(jīng)過該磁芯形成回路。 也就是這一磁芯起到收集磁力線的作用。接收線圈外側(cè)加入磁芯后，磁力線分布狀態(tài)如附圖5所示。同樣，在激勵(lì)線圈中心處再安置一個(gè)小磁芯，能夠?qū)⒋帕€分布密度向線圈中心處引導(dǎo)，有利于增加穿越接收線圈的磁力線的比例數(shù)，但這一小磁芯對(duì)整體影響較小，是非必要的部件。設(shè)置在激勵(lì)線圈背面的反射器的作用為激勵(lì)線圈在背面的脈沖磁場(chǎng)輻射到達(dá)良導(dǎo)體后，在導(dǎo)體中就感應(yīng)出電渦流，這一電渦流產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，抵消了原來的磁場(chǎng)輻射，使高頻電磁場(chǎng)以難以穿越良導(dǎo)體，這樣達(dá)到阻止背面電磁輻射的目的。反射器的導(dǎo)電性能越好，其電渦流的損耗也越小。因此，反射器采用銅、鋁板等良導(dǎo)體材料，一般采用薄銅片，而且需要有足夠的厚度。實(shí)際材料厚度1與激勵(lì)脈沖頻率相關(guān)，依據(jù)電磁波在導(dǎo)電體中的穿透深度公式計(jì)算I > 5030λ (cm)
M "J算式中P為導(dǎo)體電阻率，用Ω 為單位代入；μ^為導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率；f為交變磁場(chǎng)頻率(Hz)。對(duì)于銅材料而言，P=I. 7 X 10-6 ( Ω . cm), μ r = 0. 9999，if= IOOkHz 時(shí)，用作反射器的薄銅片厚度應(yīng)大于0. 2mm。if = 50kHz時(shí)，用作反射器的薄銅片厚度應(yīng)大于0.4mm。設(shè)計(jì)中，反射板的面積要求明顯大于激勵(lì)線圈的面積。反射器與激勵(lì)線圈之間必須留有間隙d，以保證有足夠的空間分布激勵(lì)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。間隙d應(yīng)該隨線圈直徑的增大有所增大，一般應(yīng)大于5mm。如果間隙d過小，會(huì)抑制激勵(lì)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的能力，降低輸送的功率值。從磁路磁阻方面考慮，過小的間隙d會(huì)增加磁路的磁阻，降低激勵(lì)線圈的電感量。本實(shí)用新型的外形呈扁薄形，體積較小，有利于減小無線輸電裝置的體積。本實(shí)用新型的有益效果是，脈沖磁場(chǎng)分布相對(duì)比較集中，脈沖磁場(chǎng)耦合量相對(duì)較大，可以實(shí)現(xiàn)比較大的輸送功率，具有較小的空間電磁場(chǎng)輻射，特別是反射板與接收端磁芯兩個(gè)邊界以外空間的電磁干擾較弱。
四.
圖1是橫向磁場(chǎng)耦合原理圖。圖2是橫向磁場(chǎng)耦合原理圖。圖3是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.脈沖磁場(chǎng)反射板，2.磁場(chǎng)激勵(lì)線圈，3.磁場(chǎng)接收線圈，4.接收端扁罐型磁
4芯。圖4是本實(shí)用新型裝置中磁場(chǎng)輻射器和接收器布局立體模型圖。圖中1.脈沖磁場(chǎng)反射板，2.磁場(chǎng)激勵(lì)線圈，3.磁場(chǎng)接收線圈，4.接收端扁罐型磁芯。圖5是本實(shí)用新型裝置磁場(chǎng)分布狀態(tài)示意圖。圖6是本實(shí)用新型裝置磁場(chǎng)接收器應(yīng)用實(shí)例。
五.具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型分作兩個(gè)獨(dú)立部件脈沖磁場(chǎng)激勵(lì)器和接收器，見附圖4。脈沖磁場(chǎng)激勵(lì)器由脈沖磁場(chǎng)輻射線圈、脈沖磁場(chǎng)反射板、線圈中部的小磁芯三者構(gòu)成。脈沖磁場(chǎng)輻射線圈、反射板、小磁芯三者之間使用不影響磁場(chǎng)分布的絕緣物體加以固定，一般做成同心圓結(jié)構(gòu)。脈沖磁場(chǎng)輻射線圈的尺寸由實(shí)際需要決定，線圈直徑最好大于耦合距離的5倍，脈沖磁場(chǎng)反射板材料可取用0. 5mm厚以上的紫銅片，也可以采用鋁板等良導(dǎo)體材料。在脈沖磁場(chǎng)頻率較高時(shí)，反射板表面可以采用鍍銀等方法增加其導(dǎo)電能力，降低損耗。反射板的尺寸要大于激勵(lì)線圈的尺寸，線圈與磁場(chǎng)反射板間的間隙應(yīng)該大于5mm。線圈中心的小磁芯一般采用鐵氧體材料，相對(duì)磁導(dǎo)率不小于2000，其厚度與線圈的厚度相當(dāng)，直徑小于線圈直徑的四分之一以下。輻射端面的包裝材料尺寸以薄為好，表面處理平整。激勵(lì)電路可以置于反射板的背面。脈沖磁場(chǎng)接收器由接收線圈、扁罐型磁芯二者構(gòu)成，線圈置于罐型磁芯的凹槽中間。接收線圈先繞制在線圈骨架上，再與磁芯相固定。接收線圈的直徑與磁場(chǎng)輻射線圈相當(dāng)。磁芯材料一般選用鐵氧體，也可以是其他高頻高導(dǎo)磁材料。附圖6是本實(shí)用新型接收器的樣例。電壓輸出電路可以置于磁芯的背面。本實(shí)用新型只確定尺寸大小與相對(duì)位置，兩個(gè)線圈的匝數(shù)等參數(shù)由激勵(lì)電路的要求決定。要注意的是由于磁場(chǎng)反射板的加入，磁場(chǎng)激勵(lì)線圈的電感量相對(duì)其空心線圈的電感量小，在繞制時(shí)須要適當(dāng)增加匝數(shù)。為了強(qiáng)大磁場(chǎng)輻射能力，對(duì)激勵(lì)線圈所施加的脈沖電流頻率應(yīng)該在50kHz以上，以頻率高為優(yōu)。
權(quán)利要求1. 一種貼近式無線輸電裝置結(jié)構(gòu)，具有以下特征由開放式激勵(lì)線圈、反射板、接收線圈、扁罐型磁芯四個(gè)必要部件組成，接收線圈固定于扁罐型磁芯凹槽中組成接收器，反射板與接收器分置于開放式激勵(lì)線圈的兩側(cè)，其中面積大于激勵(lì)線圈的反射板與開放式激勵(lì)線圈相間一定距離固定在一起。
專利摘要一種貼近式無線輸電裝置結(jié)構(gòu)，具有以下特征由開放式激勵(lì)線圈、反射板、接收線圈、扁罐型磁芯四個(gè)必要部件組成，接收線圈固定于扁罐型磁芯凹槽中組成接收器，反射板與接收器分置于開放式激勵(lì)線圈的兩側(cè)，其中面積大于激勵(lì)線圈的反射板與開放式激勵(lì)線圈相間一定距離固定在一起。本實(shí)用新型適用于貼近式非接觸小功率輸電，在便攜式小型電子裝置、不適宜采用導(dǎo)體接觸的輸電場(chǎng)合中得以應(yīng)用。
文檔編號(hào)H02J17/00GK201947065SQ20102056312
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18日
發(fā)明者樓然苗, 陳庭勛 申請(qǐng)人:樓然苗, 陳庭勛