一种基于单线电能传输的无线供电装置的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

交流功率源ps的阳极通过单根导线，以传导电流的形式将电流传导至平面导体。当接收端特斯拉线圈底部端点与导体平面接触时，传导电流通过特斯拉线圈传导到负载的一端即图1中的a端。负载的另外一端即图1中b端，经过特斯拉线圈对地的寄生电容即图4中c1及c2，传输位移电流回到大地即交流功率源的阴极，从而形成完整回路，其工作原理图如图4所示。而当接收端与导体平面不接触时，交流功率源ps的阳极同样通过单根导线以传导电流的形式，将电流传输到导体平面。此时，电流通过特斯拉线圈与导体平面之间的寄生电容即图5中的c3，传输位移电流到负载的a端，负载b端同样经特斯拉线圈对地的寄生电容即图5中c1，c2，传输位移电流回到大地,形成完整回路，其工作原理图如图5所示。交流功率源与平台之间单线连接，单根导线电阻较小故传导电流在导线上的损耗较小，与有线电能传输在传输距离上类似其传输距离足够满足现实需要。同时，单根导线传输电能的方式在成本上要远低于有线电能传输。

本发明所采用的技术方案是：以单根导线连接无线供电平台的方式，实现单线电能传输与无线供电平台的高效结合。系统接收端特斯拉线圈在接收端谐振频率点处以电容耦合的方式使系统形成电流回路。

本发明中所提出的单线传输系统正常工作的关键是使交流功率源的频率等于螺旋线圈的谐振频率。谐振频率的获得可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。

以下结合附图4、附图5和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

以直径为0.71mm的漆包线绕制的接收端为例。该接收端紧密缠绕在直径为7cm，高度为24cm的绝缘空心圆柱上，绕制匝数为280匝。最终形成如图3所示特斯拉线圈。线圈成形后，经由寄生电感及寄生电容计算公式算出该接收端寄生电感值为l＝1.27mh，寄生电容值为c＝4.045pf。由谐振频率计算公式可计算出接收端的谐振频率为2.22mhz。

能量发送端包括一个信号源及一个功率放大模块。信号源为一个最大输出频率为80mhz，最大输出电压峰值为10v的函数信号发生器(tektronixafg3053c)。功率放大模块为一个最大输出功率为20w，最大输出频率为10mhz的功率放大器。信号源输出设置为2.22mhz的正弦波，经由功率放大器放大后单线连接方形铝箔(导体平面)。测试时单根导线取长度为15.6m，直径为0.71mm的漆包线作为传输介质验证单线传输距离(由于场地限制未做更长距离的测试)。系统连接完毕后，将接有15瓦功率小灯泡的接收端与无线供电平台接触，15瓦小灯泡正常工作。接着将该接收端绝缘架空于平台正上方5cm处，15w的灯泡依旧正常工作。经测试两种模式(接收端与平台接触以及接收端与平台不接触)下系统均能实现多负载功能。

可见，本发明所述方法能够为接收端提供较高能量接收自由度及能量接收效率，同时平台单线供能的方案既节省了系统制作成本又增大了单线电能传输的传输距离。