[发明专利]一种基于单线电能传输的无线供电装置

说明书

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种基于单线电能传输的无线供电装置。

背景技术

在很多场合，电子器件的供电采用有线供电或电池供电，导致使用不方便甚至不可能实现。如在智能楼宇中的无线传感器大量植入在材料、墙体中，当电池耗尽时无法更换电池；在野外农业中用于检测农作物生长的无线传感器，更换电池要花费大量人力物力；在植入式医疗中植入体内的医疗器件，更换电池可能给人体带来痛苦和风险等。无线供电是解决此问题的途径之一。但现有的无线供电平台设计中，存在两个问题：1)能量发送线圈和能量接收线圈间的距离很大程度上受到传输效率的限制；2)传统无线供电平台采用双线供电的模式为平台提供电能，其在制造成本和连接方式上与传统有线供电相同。在实际应用中，如何增大发射线圈与接收线圈的距离即扩大接收端的工作范围，实现较高的接收端用电自由度(这里，自由度指接收端在发射端附近能正常工作的区域范围)，以及如何减少系统制造成本是需要解决的关键问题。

基于特斯拉线圈的单线电能传输方案，国内外都有不同程度的研究。目前较为普遍的单线电能传输方案依靠两个连接球形或环形大电容的特斯拉线圈实现单线电能传输。该方案所提出的单线电能传输方案传输距离较短。在传输较大功率电能时，发射和接收端须有较大的电感值，这往往通过增大特斯拉线圈体积来实现。故传输较大功率时发射和接收装置体积过于庞大。同时，传统单线电能传输方案中依赖两个等尺寸的特斯拉线圈这使得系统的制作成本较高。在实际应用中，如何增大单线电能传输的传输距离，以及如何降低单线电能传输系统的制造成本同样是需要解决的关键问题。

发明内容

针对现有方案的不足，本发明提出了一种基于单线电能传输的无线供电装置。

一种基于单线电能传输的无线供电装置，包括交流功率源、平面导体、单根导线和特斯拉线圈；所述的交流功率源的阳极通过单根导线连接平面导体构成无线充电平台；其中特斯拉线圈的底端距离平面导体之间的垂直距离小于等于5厘米；特斯拉线圈的底端与平面导体边缘的水平距离小于等于5厘米；负载与特斯拉线圈的顶部连接，负载与特斯拉线圈连接的线圈匝数占特斯拉线圈总匝数的1/5；其中交流功率源的频率等于特斯拉线圈的谐振频率。

所述的特斯拉线圈的谐振频率通过计算线圈的电感和寄生电容得到，下面给出寄生电容及寄生电感的计算公式：

特斯拉线圈的寄生电感计算公式为：

其中

μ为真空中磁导率，N为绕制匝数，s为螺线管横截面积，h为螺线管绕制高度，R为螺线管半径。

特斯拉线圈的寄生电容计算公式为：

其中h＝N(w+d)，ε₀＝8.85×10^-12，w为螺旋线直径，d为匝间距。

再通过谐振频率计算公式

可计算出特斯拉线圈的自谐振频率。

本发明将单线电能传输与无线供电平台相结合，实现了较大供电自由度的无线供电平台。发射端单线供能的模式及只需单个特斯拉线圈即可完成能量接收的特性，极大的节约了系统的成本。

附图说明

图1为接收端细节图，接收端由特斯拉线圈组成，接收端上方连接所需供电负载；

图2为接收端与无线供电平台接触时系统结构示意图；

图3为接收端与无线供电平台不接触时系统结构示意图；

图4为接收端与无线供电平台接触时系统工作原理图；

图5为接收端与无线供电平台不接触时系统工作原理图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，一种基于单线电能传输的无线供电装置，包括交流功率源、平面导体、单根导线和特斯拉线圈；所述的交流功率源的阳极通过单根导线连接平面导体构成无线充电平台；其中特斯拉线圈的底端距离平面导体之间的垂直距离小于等于5厘米；特斯拉线圈的底端与平面导体边缘的水平距离小于等于5厘米；负载与特斯拉线圈的顶部连接，负载与特斯拉线圈连接的线圈匝数占特斯拉线圈总匝数的1/5；其中交流功率源的频率等于特斯拉线圈的谐振频率。

如图2是系统接收端底部与平面导体接触时的系统模型示意图。图3是系统接收端底部与平面导体不接触时的系统模型示意图。两种工作状态下，交流功率源的输出频率均设计为接收端的谐振频率。平面导体上方可同时为多个负载供电。