專利名稱：一種基于電磁共振的無線輸電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及無線輸電領域，尤其是涉及基于電磁共振的無線輸電裝置。
背景技術：
早在18世紀，物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就已經做了無線輸電的實驗。但因當時財力不足，特斯拉的大膽構想并未得到實現(xiàn)。日前，隨著電力電子設備的普及，人們對于生活質量要求的日益提高，舍去復雜繁重的傳輸電纜，實現(xiàn)無線能量的傳輸成為近年研究的熱點。鑒于實際環(huán)境中各種復雜因素的影響，電磁波在空間傳播的過程中面臨嚴重的能量損耗，高效能量轉移幾乎不可能。至今國內外在此領域的研究還都處于不成熟的階段，導致無線能量傳輸技術目前尚未在人們的日常生活中得以應用。

實用新型內容為解決上述技術問題，本實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)振的電磁共振結構，利用電磁波，以較低的電磁共振頻率，實現(xiàn)電能的無線傳輸。本實用新型提供的基于電磁共振的無線輸電裝置，包括發(fā)射設備及接收設備；其中，發(fā)送設備為發(fā)射回路與第一共振回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結構，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平行設置并固定在一起組成雙環(huán)；接收設備為第二共振回路與接收回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結構，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與用電負載組成，聯(lián)振電感環(huán)c與聯(lián)振電感環(huán)d平行設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。本實用新型基于電磁波在媒介傳播過程中會與同頻率回路產生電磁共振現(xiàn)象的基礎，著力于研究最佳的共振模式，共振回路結構以及共振頻率，提出了雙環(huán)聯(lián)振的電磁共振結構，利用電磁波，以較低的電磁共振頻率，實現(xiàn)電能的無線傳輸，能夠適應家庭用電的供電需求。

圖I為本實用新型基于電磁共振的無線輸電裝置的基本結構示意圖；圖2為發(fā)送設備與接收設備的線圈沒有共振形成時，磁通感應示意圖；圖3為采用本實用新型進行無線輸電的應用示意圖。
具體實施方式
本實用新型提供的基于電磁共振的無線輸電裝置，包括發(fā)射設備及接收設備。如圖I所示，發(fā)送設備為發(fā)射回路與第一共振回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結構，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平行設置并固定在一起組成雙環(huán)；接收設備為第二共振回路與接收回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結構，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與用電負載組成，聯(lián)振電感環(huán)c與聯(lián)振電感環(huán)d平行設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)、設計過程、結構定型及作用四個方面來具體說明該實用新型的設計原理及工作步驟。I、傳輸原理電力能夠由磁感線切割導線產生的。當兩個設備中分別使用了一個相同自身頻率具備振蕩電路特性的銅線圈組成一對收發(fā)天線，讓其中一個天線發(fā)送能量，另一個天線則接收能量。利用兩個銅線圈為共振器，發(fā)射端加以一定的頻率振動，其天線周圍產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，它在兩個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，從而實現(xiàn)了電力的無線傳輸，即所謂的“隔空供電”。當兩個線圈擁有相同的共振頻率時，彼此間的能量轉移將更為強烈，周圍不具備此振動頻率的物體都無法對這一過程產生影響。電磁共振無線輸電就是依據(jù)這一原理而產生的。根據(jù)電磁共振原理設計出了雙環(huán)聯(lián)振的共振模式，通過共振回路結構以及共振頻率實現(xiàn)電能的高效率無線傳輸。2、初始裝置及參數(shù)裝置正弦信號發(fā)生器一臺作為電源，示波器一臺，銅制線圈若干個，臺燈一臺。元器件電容，電阻，開關，發(fā)光二極管若干。公式￡ = ·%
Cl( i )注公式⑴為前人總結的線圈繞電感計算公式
,_ I·' ^
一。(2)注公式⑵為LC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-真空磁導率，(H/m) ；R-線圈半徑(m) ;a_導體截面半徑(m)。3、設計過程根據(jù)上述相關參數(shù)，計算出使得兩個銅線圈能達到共振的頻率，通過信號發(fā)生器將頻率調到所需要的數(shù)值，用示波器觀察其輸出的幅值是否滿足要求，使其達到共振的效果，使得輸出距離最遠，能量的利用率最高。根據(jù)電磁共振原理我們初步設計出系統(tǒng)的基本結構，我們選取雙環(huán)聯(lián)振的結構以形成共振電路，如圖I所示首先根據(jù)線圈電感經驗公式及電感電容回路頻率公式計算所需繞線半徑、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。將計算出的電感帶入線圈電感經驗公式反推，得出線圈匝數(shù)由公式(I)銅導線截面半徑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，磁能大部分都會損失掉，接收線圈只能感應到極小部分的磁通，如圖2所示。但是一旦產生共振，就會在發(fā)送設備的聯(lián)振電感環(huán)b與接收設備的聯(lián)振電感環(huán)c兩個線圈間形成一種無形的不需要傳播介質的“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移動對傳輸效率影響不大，一旦遠出正常傳輸距離，共振將無法形成。4、結構定型及作用基于雙環(huán)聯(lián)振結構的無線輸電，以無線小臺燈為例。線路結構如圖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組成第一個共振回路，這兩個回路由聯(lián)振電感環(huán)a與聯(lián)振電感環(huán)b感應，組成發(fā)射端的雙環(huán)聯(lián)振結構。電容C2與聯(lián)振電感環(huán)c組成第二個共振回路，聯(lián)振電感環(huán)d與用電負載組成用電器接收回路，這兩個回路由聯(lián)振電感環(huán)c與聯(lián)振電感環(huán)d感應，組成用電器接收端的雙環(huán)結構。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)結構。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)結構。每組雙環(huán)固定在一起。該實施例中，用電負載為一小臺燈。電源15V O. 913MHz交流電源。其中電源電壓可根據(jù)實際應用需求調整，頻率固定。用電負載10V小臺燈。其中小臺燈電壓可根據(jù)實際應用需要調整。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)振結構中的固定環(huán)，聯(lián)振電感環(huán)d為雙環(huán)聯(lián)振結構中的用電器環(huán)，其參數(shù)由實際應用中的用電負載參數(shù)來定。本實用新型可以適用于低功率用電負載,也可以適用于大功率用電負載。目前驗證驗證傳輸電壓為50v以下的情況下，高效傳輸距離為1.0m，傳輸效率65%，最遠傳輸距離為1. 5mο本實用新型基于電磁波在媒介傳播過程中會與同頻率回路產生電磁共振現(xiàn)象的基礎，著力于研究最佳的共振模式，共振回路結構以及共振頻率，提出了雙環(huán)聯(lián)振的電磁共 供電需求。最后應說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。
權利要求1.一種基于電磁共振的無線輸電裝置，包括發(fā)射設備和接收設備，其特征在于， 發(fā)送設備為發(fā)射回路與第一共振回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結構，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)平行設置并固定在一起； 接收設備為第二共振回路與接收回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結構，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與用電負載組成，聯(lián)振電感環(huán)(C)與聯(lián)振電感環(huán)(d)平行設置并固定在一起； 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，所述用電負載為家用電器。
專利摘要本實用新型涉及一種基于電磁共振的無線輸電裝置，包括發(fā)射設備和接收設備，其中，發(fā)送設備為發(fā)射回路與第一共振回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結構，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)平行設置并固定在一起；接收設備為第二共振回路與接收回路組成的雙環(huán)聯(lián)振結構，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)與用電負載組成，聯(lián)振電感環(huán)(c)與聯(lián)振電感環(huán)(d)平行設置并固定在一起；聯(lián)振電感環(huán)(b)與聯(lián)振電感環(huán)(c)能夠形成共振。本實用新型采用雙環(huán)聯(lián)振的電磁共振結構，利用電磁波，以較低的電磁共振頻率，實現(xiàn)電能的無線傳輸。
文檔編號H02J17/00GK202663203SQ20122001775
公開日2013年1月9日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權日2012年1月16日
發(fā)明者宗廣志, 高興茹, 張騰蛟, 陳紅 申請人:北京聯(lián)合大學