專利名稱：一種基于電磁共振的無線輸電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及無線輸電領(lǐng)域，尤其是涉及基于電磁共振的無線輸電裝置。
背景技術(shù)：
早在18世紀(jì)，物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就已經(jīng)做了無線輸電的實(shí)驗(yàn)。但因當(dāng)時(shí)財(cái)力不足，特斯拉的大膽構(gòu)想并未得到實(shí)現(xiàn)。日前，隨著電力電子設(shè)備的普及，人們對(duì)于生活質(zhì)量要求的日益提高，舍去復(fù)雜繁重的傳輸電纜，實(shí)現(xiàn)無線能量的傳輸成為近年研究的熱點(diǎn)。鑒于實(shí)際環(huán)境中各種復(fù)雜因素的影響，電磁波在空間傳播的過程中面臨嚴(yán)重的能量損耗，高效能量轉(zhuǎn)移幾乎不可能。至今國(guó)內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究還都處于不成熟的階段，導(dǎo)致無線能量傳輸技術(shù)目前尚未在人們的日常生活中得以應(yīng)用。

實(shí)用新型內(nèi)容為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出了一種基于電磁共振的無線輸電裝置，采用雙環(huán)聯(lián)振的電磁共振結(jié)構(gòu)，利用電磁波，以較低的電磁共振頻率，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。本實(shí)用新型提供的基于電磁共振的無線輸電裝置，包括發(fā)射設(shè)備及接收設(shè)備；其中，發(fā)送設(shè)備為發(fā)射回路與第一共振回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)，發(fā)射回路由電源、電阻及聯(lián)振電感環(huán)a組成，第一共振回路由第一電容與聯(lián)振電感環(huán)b組成，聯(lián)振電感環(huán)a與聯(lián)振電感環(huán)b平行設(shè)置并固定在一起組成雙環(huán)；接收設(shè)備為第二共振回路與接收回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)，第二共振回路由第二電容與聯(lián)振電感環(huán)c組成，接收回路由聯(lián)振電感環(huán)d與用電負(fù)載組成，聯(lián)振電感環(huán)c與聯(lián)振電感環(huán)d平行設(shè)置并固定在一起組成雙環(huán)；聯(lián)振電感環(huán)b與聯(lián)振電感環(huán)c能夠形成共振。本實(shí)用新型基于電磁波在媒介傳播過程中會(huì)與同頻率回路產(chǎn)生電磁共振現(xiàn)象的基礎(chǔ)，著力于研究最佳的共振模式，共振回路結(jié)構(gòu)以及共振頻率，提出了雙環(huán)聯(lián)振的電磁共振結(jié)構(gòu)，利用電磁波，以較低的電磁共振頻率，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，能夠適應(yīng)家庭用電的供電需求。

圖I為本實(shí)用新型基于電磁共振的無線輸電裝置的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備的線圈沒有共振形成時(shí)，磁通感應(yīng)示意圖；圖3為采用本實(shí)用新型進(jìn)行無線輸電的應(yīng)用示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供的基于電磁共振的無線輸電裝置，包括發(fā)射設(shè)備及接收設(shè)備。如圖I所示，發(fā)送設(shè)備為發(fā)射回路與第一共振回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)，發(fā)射回路由電源、電阻Rl及聯(lián)振電感環(huán)a組成，第一共振回路由電容Cl與聯(lián)振電感環(huán)b組成，聯(lián)振電感環(huán)a與聯(lián)振電感環(huán)b平行設(shè)置并固定在一起組成雙環(huán)；接收設(shè)備為第二共振回路與接收回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)，第二共振回路由電容C2與聯(lián)振電感環(huán)c組成，接收回路由聯(lián)振電感環(huán)d與用電負(fù)載組成，聯(lián)振電感環(huán)c與聯(lián)振電感環(huán)d平行設(shè)置并固定在一起組成雙環(huán)；聯(lián)振電感環(huán)b與聯(lián)振電感環(huán)c能夠形成共振。下面分別通過傳輸原理、初始裝置及參數(shù)、設(shè)計(jì)過程、結(jié)構(gòu)定型及作用四個(gè)方面來具體說明該實(shí)用新型的設(shè)計(jì)原理及工作步驟。I、傳輸原理電力能夠由磁感線切割導(dǎo)線產(chǎn)生的。當(dāng)兩個(gè)設(shè)備中分別使用了一個(gè)相同自身頻率具備振蕩電路特性的銅線圈組成一對(duì)收發(fā)天線，讓其中一個(gè)天線發(fā)送能量，另一個(gè)天線則接收能量。利用兩個(gè)銅線圈為共振器，發(fā)射端加以一定的頻率振動(dòng)，其天線周圍產(chǎn)生的不是彌漫于各處的普通電磁波，而是一種“非輻射”的電磁場(chǎng)，它在兩個(gè)線圈間形成一種無形的 “能量通道”，通過相同頻率共振向處于一定距離之外的另一根天線傳輸電力，從而實(shí)現(xiàn)了電力的無線傳輸，即所謂的“隔空供電”。當(dāng)兩個(gè)線圈擁有相同的共振頻率時(shí)，彼此間的能量轉(zhuǎn)移將更為強(qiáng)烈，周圍不具備此振動(dòng)頻率的物體都無法對(duì)這一過程產(chǎn)生影響。電磁共振無線輸電就是依據(jù)這一原理而產(chǎn)生的。根據(jù)電磁共振原理設(shè)計(jì)出了雙環(huán)聯(lián)振的共振模式，通過共振回路結(jié)構(gòu)以及共振頻率實(shí)現(xiàn)電能的高效率無線傳輸。2、初始裝置及參數(shù)裝置正弦信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)作為電源，示波器一臺(tái)，銅制線圈若干個(gè)，臺(tái)燈一臺(tái)。元器件電容，電阻，開關(guān)，發(fā)光二極管若干。公式￡ = ·%
Cl( i )注公式⑴為前人總結(jié)的線圈繞電感計(jì)算公式
,_ I·' ^
一。(2)注公式⑵為L(zhǎng)C回路自身頻率公式N-線圈匝數(shù)(匝)；L_電感系數(shù)(亨)；C_電容參數(shù)(法)；f_共振頻率(Hz)；μ Q = 4 X 1(Γ7-真空磁導(dǎo)率，(H/m) ；R-線圈半徑(m) ;a_導(dǎo)體截面半徑(m)。3、設(shè)計(jì)過程根據(jù)上述相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出使得兩個(gè)銅線圈能達(dá)到共振的頻率，通過信號(hào)發(fā)生器將頻率調(diào)到所需要的數(shù)值，用示波器觀察其輸出的幅值是否滿足要求，使其達(dá)到共振的效果，使得輸出距離最遠(yuǎn)，能量的利用率最高。根據(jù)電磁共振原理我們初步設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，我們選取雙環(huán)聯(lián)振的結(jié)構(gòu)以形成共振電路，如圖I所示首先根據(jù)線圈電感經(jīng)驗(yàn)公式及電感電容回路頻率公式計(jì)算所需繞線半徑、匝數(shù)
坐寸ο[0032]其中Rl = 5 歐 Cl = C2 = 330pf我們選用IMHz為測(cè)試頻率，通過頻率公式將頻率套入反推電感大小。聯(lián)振電感環(huán)a頻率由電源決定，我們選用5匝線圈。聯(lián)振電感環(huán)b頻率貼近IMHz，由公式⑵得出Lb = 85. 9 μ H聯(lián)振電感環(huán)c頻率貼近IMHz，由公式⑵得出Lc = 85. 9 μ H聯(lián)振電感環(huán)d頻率接近1MHz，由于用電器電感未知，需要帶入反推。將計(jì)算出的電感帶入線圈電感經(jīng)驗(yàn)公式反推，得出線圈匝數(shù)由公式(I)銅導(dǎo)線截面半徑O. 00075m線圈半徑O. 15m線圈匝數(shù)聯(lián)振電感環(huán)a的線圈匝數(shù)4匝，聯(lián)振電感環(huán)b的線圈匝數(shù)9匝，聯(lián)振電感環(huán)c的線圈匝數(shù)9匝，聯(lián)振電感環(huán)d的線圈匝數(shù)7匝。如果沒有共振的形成，線圈的磁通是向四周發(fā)散的，磁能大部分都會(huì)損失掉，接收線圈只能感應(yīng)到極小部分的磁通，如圖2所示。但是一旦產(chǎn)生共振，就會(huì)在發(fā)送設(shè)備的聯(lián)振電感環(huán)b與接收設(shè)備的聯(lián)振電感環(huán)c兩個(gè)線圈間形成一種無形的不需要傳播介質(zhì)的“能量通道”，將能量以共振的形式從發(fā)射環(huán)節(jié)，通過共振環(huán)節(jié)傳輸給接收環(huán)節(jié)，如圖3所示。能量傳輸在一定的距離范圍內(nèi)移動(dòng)對(duì)傳輸效率影響不大，一旦遠(yuǎn)出正常傳輸距離，共振將無法形成。4、結(jié)構(gòu)定型及作用基于雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)的無線輸電，以無線小臺(tái)燈為例。線路結(jié)構(gòu)如圖3所示，電源、電阻Rl及聯(lián)振電感環(huán)a組成發(fā)射回路，電容Cl與聯(lián)振電感環(huán)b組成第一個(gè)共振回路，這兩個(gè)回路由聯(lián)振電感環(huán)a與聯(lián)振電感環(huán)b感應(yīng)，組成發(fā)射端的雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)。電容C2與聯(lián)振電感環(huán)c組成第二個(gè)共振回路，聯(lián)振電感環(huán)d與用電負(fù)載組成用電器接收回路，這兩個(gè)回路由聯(lián)振電感環(huán)c與聯(lián)振電感環(huán)d感應(yīng)，組成用電器接收端的雙環(huán)結(jié)構(gòu)。其中聯(lián)振電感環(huán)a與聯(lián)振電感環(huán)b平行，間距為15cm，組成發(fā)射端的雙環(huán)結(jié)構(gòu)。聯(lián)振電感環(huán)c與聯(lián)振電感環(huán)d平行，間距10cm，組成接收端的雙環(huán)結(jié)構(gòu)。每組雙環(huán)固定在一起。該實(shí)施例中，用電負(fù)載為一小臺(tái)燈。電源15V O. 913MHz交流電源。其中電源電壓可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求調(diào)整，頻率固定。用電負(fù)載10V小臺(tái)燈。其中小臺(tái)燈電壓可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要調(diào)整。電阻 Rl = 5 Ω，電容 Cl = 330pF, C2 = 330pF。聯(lián)振電感環(huán)a、b、C、d為自制電感。其中，聯(lián)振電感環(huán)a :線圈半徑O. 15m,銅線截面半徑O. 00075m,線圈阻數(shù)5膽，電感大小=26. 5 μ H,聯(lián)振電感環(huán)b :線圈半徑O. 15m,銅線截面半徑O. 00075m,線圈阻數(shù)10膽，電感大小=106. I μ H,聯(lián)振電感環(huán)c :線圈半徑O. 15m,銅線截面半徑O. 00075m,線圈阻數(shù)9 0L電感大小=85. 9 μ H,聯(lián)振電感環(huán)d :線圈半徑O. 15m,銅線截面半徑O. 00075m,線圈阻數(shù)8 0L電感大小=67. 8 μ Ho聯(lián)振電感環(huán)a、b、c為雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)中的固定環(huán)，聯(lián)振電感環(huán)d為雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)中的用電器環(huán)，其參數(shù)由實(shí)際應(yīng)用中的用電負(fù)載參數(shù)來定。本實(shí)用新型可以適用于低功率用電負(fù)載,也可以適用于大功率用電負(fù)載。目前驗(yàn)證驗(yàn)證傳輸電壓為50v以下的情況下，高效傳輸距離為1.0m，傳輸效率65%，最遠(yuǎn)傳輸距離為1. 5mο本實(shí)用新型基于電磁波在媒介傳播過程中會(huì)與同頻率回路產(chǎn)生電磁共振現(xiàn)象的基礎(chǔ)，著力于研究最佳的共振模式，共振回路結(jié)構(gòu)以及共振頻率，提出了雙環(huán)聯(lián)振的電磁共 供電需求。最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求1.一種基于電磁共振的無線輸電裝置，包括發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備，其特征在于， 發(fā)送設(shè)備為發(fā)射回路與第一共振回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)，發(fā)射回路由電源、電阻及聯(lián)振電感環(huán)(a)組成，第一共振回路由第一電容與聯(lián)振電感環(huán)(b)組成，聯(lián)振電感環(huán)(a)與聯(lián)振電感環(huán)(b)平行設(shè)置并固定在一起； 接收設(shè)備為第二共振回路與接收回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)，第二共振回路由第二電容與聯(lián)振電感環(huán)(C)組成，接收回路由聯(lián)振電感環(huán)⑷與用電負(fù)載組成，聯(lián)振電感環(huán)(C)與聯(lián)振電感環(huán)(d)平行設(shè)置并固定在一起； 聯(lián)振電感環(huán)(b)與聯(lián)振電感環(huán)(C)能夠形成共振。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁共振的無線輸電裝置，其特征在于，所述用電負(fù)載為家用電器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于電磁共振的無線輸電裝置，包括發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備，其中，發(fā)送設(shè)備為發(fā)射回路與第一共振回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)，發(fā)射回路由電源、電阻及聯(lián)振電感環(huán)(a)組成，第一共振回路由第一電容與聯(lián)振電感環(huán)(b)組成，聯(lián)振電感環(huán)(a)與聯(lián)振電感環(huán)(b)平行設(shè)置并固定在一起；接收設(shè)備為第二共振回路與接收回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結(jié)構(gòu)，第二共振回路由第二電容與聯(lián)振電感環(huán)(c)組成，接收回路由聯(lián)振電感環(huán)(d)與用電負(fù)載組成，聯(lián)振電感環(huán)(c)與聯(lián)振電感環(huán)(d)平行設(shè)置并固定在一起；聯(lián)振電感環(huán)(b)與聯(lián)振電感環(huán)(c)能夠形成共振。本實(shí)用新型采用雙環(huán)聯(lián)振的電磁共振結(jié)構(gòu)，利用電磁波，以較低的電磁共振頻率，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。
文檔編號(hào)H02J17/00GK202663203SQ20122001775
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者宗廣志, 高興茹, 張騰蛟, 陳紅 申請(qǐng)人:北京聯(lián)合大學(xué)