貼近式無線輸電裝置結構的製作方法
2023-04-23 13:15:11 2
專利名稱：貼近式無線輸電裝置結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的內容應該屬於低壓供電技術領域，是一種利用高頻脈衝實現無接觸式的輸電裝置，與開關電源技術密切相關。可用於不適宜採用導線直接輸電的場合，如密閉容器內外的輸電等。
二.
背景技術：
傳統的電能輸送是利用導體連接實現，對於交流電，也包括採用一體化的變壓器進行電能輸送，都發球接觸式輸電方式，網絡間總是有導體相互連接的。對於大多數場合傳統輸電方式完全滿足輸電要求。但採用電線連接方式對於某些用電設備存在一些不方便之處，如密閉容器內、外的輸電，植入生物體內的電子設備，以及手機、筆記本電腦等設備的充電，可攜式無電源的電子設備等。如果改用只要靠近就可輸電的無接觸器輸電方式，心定會在使用上帶來及大方便。目前在無接觸刷卡系統中已得到了廣泛應用，只是這一系統所能輸送的電能非常微小。鑑於無線電能輸送的便捷性，目前許多技術人員開始探索各種技術手段，儘量提高其輸電功率、輸電距離等。其中之一是將電能轉換成磁場能量，輻射至接收方，再將磁能轉換成電能。無接觸刷卡系統就是依靠這一手段得以實現，是一種行之有效的方式。但是電磁場失去導電體、導磁體約束後，成為開放形式，輸電的效率降低，同時還會造成嚴重的空間電磁幹擾。特別是輸電功率加大後，需要重點考慮降低空間電磁幹擾的措施。電磁幹擾源主要來自於電與磁之間的轉換裝置，因此，電磁能轉換、輸送裝置的結構是有效實現無線輸電關鍵所在。載流線圈周圍一定有磁場產生，其磁場的輻射範圍與激勵線圈尺寸成正比。獨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，磁場強度越高； 距線圈越遠，磁力線越疏，磁場強度越小。為了提高傳輸距離，一般採用橫向磁場耦合，同時加長其形成磁場的尺度，其原理如附圖1所示。這種方式中，磁場耦合量較小，且電磁幹擾特別嚴重。為了限制電磁幹擾程度，可以採用縱向磁場耦合方式，其原理如附圖2所示。對於半徑為R的空心線圈所輻射的磁場，在距離線圈χ處的磁感應強度B可以由下式計算。可見，隨著距離χ增大，磁感應強度衰減很快。
n_ MqNR2I1當距離χ比較小時，可獲得比較多的磁場耦合量，但這種方式也只能做近距離的電能傳輸，適合貼近式輸電場合。
三.發明內容在無線輸電方式中，要提高輸電效率，就是要使磁場輻射線圈產生的磁力線儘量多穿越接收線圈。輻射磁場利用得越充分，對空間的電磁幹擾也就越小。提高輻射磁場的利用率是一個核心問題。為了達到這一目的，本實用新型所採用的技術方案是磁場激勵線圈採用完全開放的結構，由開放式激勵線圈、反射板、接收線圈、扁罐型磁芯四個必要部件組成，接收線圈固定於扁罐型磁芯凹槽中組成接收器，反射板與接收器分置於開放式激勵線圈的兩側，其中面積大於激勵線圈的反射板與開放式激勵線圈相間一定距離固定在一起，如附圖3所示。其整體組成結構的立體模型如附圖4所示。這一技術處理方案是基於在開磁路中，磁力線總是沿最小磁阻的路徑通過。開放線圈本身產生的磁場分布基本均稱，在緊貼激勵線圈的空間，必定存在路徑較短的磁力線分布，這些磁力線不會經過接收器，對電能輸送起不到作用，如附圖2所示。針對於縱向磁場耦合方式，在接收線圈外側加裝磁芯後，對磁力線分布狀態有所改變。由於鐵氧體磁芯的磁導率高，磁阻小，激勵線圈所產生的磁場中，可以有更多的磁力線經過該磁芯形成迴路。 也就是這一磁芯起到收集磁力線的作用。接收線圈外側加入磁芯後，磁力線分布狀態如附圖5所示。同樣，在激勵線圈中心處再安置一個小磁芯，能夠將磁力線分布密度向線圈中心處引導，有利於增加穿越接收線圈的磁力線的比例數，但這一小磁芯對整體影響較小，是非必要的部件。設置在激勵線圈背面的反射器的作用為激勵線圈在背面的脈衝磁場輻射到達良導體後，在導體中就感應出電渦流，這一電渦流產生新的磁場，抵消了原來的磁場輻射，使高頻電磁場以難以穿越良導體，這樣達到阻止背面電磁輻射的目的。反射器的導電性能越好，其電渦流的損耗也越小。因此，反射器採用銅、鋁板等良導體材料，一般採用薄銅片，而且需要有足夠的厚度。實際材料厚度1與激勵脈衝頻率相關，依據電磁波在導電體中的穿透深度公式計算I > 5030λ (cm)
M "J算式中P為導體電阻率，用Ω 為單位代入；μ^為導體相對磁導率；f為交變磁場頻率(Hz)。對於銅材料而言，P=I. 7 X 10-6 ( Ω . cm), μ r = 0. 9999，if= IOOkHz 時，用作反射器的薄銅片厚度應大於0. 2mm。if = 50kHz時，用作反射器的薄銅片厚度應大於0.4mm。設計中，反射板的面積要求明顯大於激勵線圈的面積。反射器與激勵線圈之間必須留有間隙d，以保證有足夠的空間分布激勵線圈所產生的磁場。間隙d應該隨線圈直徑的增大有所增大，一般應大於5mm。如果間隙d過小，會抑制激勵線圈產生磁場的能力，降低輸送的功率值。從磁路磁阻方面考慮，過小的間隙d會增加磁路的磁阻，降低激勵線圈的電感量。本實用新型的外形呈扁薄形，體積較小，有利於減小無線輸電裝置的體積。本實用新型的有益效果是，脈衝磁場分布相對比較集中，脈衝磁場耦合量相對較大，可以實現比較大的輸送功率，具有較小的空間電磁場輻射，特別是反射板與接收端磁芯兩個邊界以外空間的電磁幹擾較弱。
四.
圖1是橫向磁場耦合原理圖。圖2是橫向磁場耦合原理圖。圖3是本實用新型結構示意圖。圖中1.脈衝磁場反射板，2.磁場激勵線圈，3.磁場接收線圈，4.接收端扁罐型磁
4芯。圖4是本實用新型裝置中磁場輻射器和接收器布局立體模型圖。圖中1.脈衝磁場反射板，2.磁場激勵線圈，3.磁場接收線圈，4.接收端扁罐型磁芯。圖5是本實用新型裝置磁場分布狀態示意圖。圖6是本實用新型裝置磁場接收器應用實例。
五.具體實施方式
本實用新型分作兩個獨立部件脈衝磁場激勵器和接收器，見附圖4。脈衝磁場激勵器由脈衝磁場輻射線圈、脈衝磁場反射板、線圈中部的小磁芯三者構成。脈衝磁場輻射線圈、反射板、小磁芯三者之間使用不影響磁場分布的絕緣物體加以固定，一般做成同心圓結構。脈衝磁場輻射線圈的尺寸由實際需要決定，線圈直徑最好大於耦合距離的5倍，脈衝磁場反射板材料可取用0. 5mm厚以上的紫銅片，也可以採用鋁板等良導體材料。在脈衝磁場頻率較高時，反射板表面可以採用鍍銀等方法增加其導電能力，降低損耗。反射板的尺寸要大於激勵線圈的尺寸，線圈與磁場反射板間的間隙應該大於5mm。線圈中心的小磁芯一般採用鐵氧體材料，相對磁導率不小於2000，其厚度與線圈的厚度相當，直徑小於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。激勵電路可以置於反射板的背面。脈衝磁場接收器由接收線圈、扁罐型磁芯二者構成，線圈置於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輻射線圈相當。磁芯材料一般選用鐵氧體，也可以是其他高頻高導磁材料。附圖6是本實用新型接收器的樣例。電壓輸出電路可以置於磁芯的背面。本實用新型只確定尺寸大小與相對位置，兩個線圈的匝數等參數由激勵電路的要求決定。要注意的是由於磁場反射板的加入，磁場激勵線圈的電感量相對其空心線圈的電感量小，在繞制時須要適當增加匝數。為了強大磁場輻射能力，對激勵線圈所施加的脈衝電流頻率應該在50kHz以上，以頻率高為優。
權利要求1. 一種貼近式無線輸電裝置結構，具有以下特徵由開放式激勵線圈、反射板、接收線圈、扁罐型磁芯四個必要部件組成，接收線圈固定於扁罐型磁芯凹槽中組成接收器，反射板與接收器分置於開放式激勵線圈的兩側，其中面積大於激勵線圈的反射板與開放式激勵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構，具有以下特徵由開放式激勵線圈、反射板、接收線圈、扁罐型磁芯四個必要部件組成，接收線圈固定於扁罐型磁芯凹槽中組成接收器，反射板與接收器分置於開放式激勵線圈的兩側，其中面積大於激勵線圈的反射板與開放式激勵線圈相間一定距離固定在一起。本實用新型適用於貼近式非接觸小功率輸電，在可攜式小型電子裝置、不適宜採用導體接觸的輸電場合中得以應用。
文檔編號H02J17/00GK201947065SQ20102056312
公開日2011年8月24日 申請日期2010年10月18日 優先權日2010年10月18日
發明者樓然苗, 陳庭勳 申請人:樓然苗, 陳庭勳