本發(fā)明涉及一種冰箱內(nèi)部多級中繼耦合磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)，屬無線電能傳輸
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：近年來，隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展，新的無線能量傳輸機理的提出和人們對真正可以“無線使用”的便攜式設(shè)備和綠色能源系統(tǒng)的需求的增長，對于無線能量傳輸技術(shù)的研究和應(yīng)用已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的焦點。業(yè)界已經(jīng)開始嘗試將該技術(shù)應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ钪械牡凸碾娮赢a(chǎn)品中，來替代原有的電源線實現(xiàn)對設(shè)備的無線充電，給人們的生活帶來額外的便利，例如基于磁感應(yīng)耦合技術(shù)的無線充電牙刷和無線充電毯。然而無線能量傳輸技術(shù)的應(yīng)用價值和市場潛力遠遠不止于此。例如無線電能傳輸技術(shù)可被應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域，以住宅為平臺，利用中距離無線電能傳輸技術(shù)、隱藏布線技術(shù)以及自動控制技術(shù)來徹底移除家居生活區(qū)域內(nèi)所有的電源線，對傳統(tǒng)家電及新興3C設(shè)備(Computer電腦、Communication通信設(shè)備和Consumerelectronics消費電子產(chǎn)品)進行無線充電或者持續(xù)電能供給，提升家居安全性、便利性、舒適性和藝術(shù)性，構(gòu)建高效、環(huán)保、節(jié)能的智能居住環(huán)境。若將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用在家電領(lǐng)域，對家電內(nèi)部的用電設(shè)備和傳感模塊進行無線供電，可以解決傳統(tǒng)家電中照明、換氣、傳感等小功耗設(shè)備的布線及持續(xù)供電問題，有效降低產(chǎn)品的生產(chǎn)、組裝和后期維保成本，延長產(chǎn)品的使用壽命，徹底消除漏電、電弧導(dǎo)致的用電安全隱患和火災(zāi)隱患。無線電能傳輸技術(shù)還可以被應(yīng)用于新興電子產(chǎn)業(yè)，解決包括機器人、無人機、VR、可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品的無線充電問題。另外，對于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的可用于診療的可植入醫(yī)療設(shè)備來說，考慮到對其進行有線持續(xù)供電或充電的不方便性、不可行性甚至高危險性，無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用也顯得極為重要和關(guān)鍵；除此之外，無線電能傳輸技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用也勢在必行。一方面，無線能量采集和傳輸技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)四大核心技術(shù)之一的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(WirelessSensorNetworks)中的應(yīng)用，可以捕獲空間中的無線電磁能量并通過磁耦合的方式實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的無線供電，大大降低WSN的運營和維護成本，提高傳感測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃?；另一方面，無線電能傳輸技術(shù)還可被用于物聯(lián)網(wǎng)中的射頻識別(RFID)系統(tǒng)，以提高無源RFID標簽的讀取范圍和讀取效率，并實現(xiàn)對有源標簽和RFID讀取器的無線充電或供電。無線能量傳輸模式和機理大體可分為磁感應(yīng)耦合、電磁輻射和磁諧振耦合三種方式。和電磁輻射方式相比，磁諧振耦合方式在安全性、傳輸效率和成本上都具有優(yōu)勢；與磁感應(yīng)耦合方式相比，它在傳輸距離和穩(wěn)定性上具有優(yōu)勢。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是，為了給電冰箱內(nèi)部的用電設(shè)備提供一個均衡、穩(wěn)定和高效的無線供電和充電系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)家電中照明、換氣、傳感等小功耗設(shè)備的布線及持續(xù)供電問題，本發(fā)明提供一種冰箱內(nèi)部多級中繼耦合磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種冰箱內(nèi)部多級中繼耦合磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射模塊、中繼耦合模塊、磁場均衡分布模塊和接收模塊。所述發(fā)射模塊包括電源適配器、射頻功放源和發(fā)射板。所述發(fā)射模塊用于無線電能的發(fā)射。所述中繼耦合模塊包含三塊相同的中繼耦合板，即一號中繼耦合板、二號中繼耦合板和三號中繼耦合板；所述中繼耦合模塊用于無線電能的多層傳遞，增加無線電能的傳輸距離。所述磁場均衡分布模塊包含二塊相同的磁場均衡分布反射板，即一號磁場均衡分布反射板和二號磁場均衡分布反射板。所述磁場均衡分布模塊，用于無線電能的反射，并均衡分布于冰箱內(nèi)部空間。所述接收模塊，用于無線電能的接收和輸出。所述發(fā)射模塊安裝在冰箱冷鮮室與冷藏室之間的夾層內(nèi)；所述中繼耦合模塊的一號中繼耦合板和二號中繼耦合板分別安裝在冷藏室的第一層隔板和第二層隔板內(nèi)；一號磁場均衡分布反射板安裝在冷藏室的頂部位置；三號中繼耦合板和二號磁場均衡分布反射板分別安裝在冷鮮室的第一層抽屜內(nèi)和第二層抽屜底部；由所述發(fā)射模塊、中繼耦合模塊、磁場均衡分布模塊和接收模塊組成多級中繼磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)；通過對安裝或放置于冰箱內(nèi)部不同位置的用電設(shè)備加載接收模塊，接收磁場能量并轉(zhuǎn)換成電能，從而實現(xiàn)對冰箱內(nèi)部用電設(shè)備的高效、穩(wěn)定的無線供電和充電。所述發(fā)射模塊的發(fā)射板包含三層介質(zhì)基板和三層印刷電路，可通過印刷電路工藝加工；在第一層介質(zhì)基板的頂面印刷有發(fā)射諧振線圈，在第二層介質(zhì)基板的頂面印刷有寄生諧振線圈，在第三層介質(zhì)基板的底面印刷有激勵線圈；所述第一層介質(zhì)基板頂面的發(fā)射諧振線圈和第二層介質(zhì)基板頂面的寄生諧振線圈同為矩形螺旋環(huán)形，金屬通孔將寄生諧振線圈結(jié)構(gòu)與諧振線圈相連接；第三層介質(zhì)基板底面的激勵線圈為缺損的矩形環(huán)形，激勵線圈的中心正對諧振線圈的中心。所述中繼耦合模塊包含三塊中繼耦合板，均為平板型結(jié)構(gòu)且設(shè)計相同，每塊中繼耦合板包含三層介質(zhì)基板和三層印刷電路，通過印刷電路工藝加工；其中在第一層介質(zhì)基板的頂面印刷有中繼耦合諧振線圈，在第二層介質(zhì)基板的頂面印刷有寄生諧振線圈，在第三層介質(zhì)基板的底面印刷有匹配線圈；所述一號中繼耦合板、二號中繼耦合板和三號中繼耦合板的第一層介質(zhì)基板頂面的諧振線圈和第二層介質(zhì)基板頂面的寄生諧振線圈同為矩形螺旋環(huán)形，金屬通孔將寄生諧振線圈與諧振線圈相連接，第三層介質(zhì)基板底面的匹配線圈為缺損的矩形環(huán)形。所述磁場均衡分布模塊包含兩塊磁場均衡分布反射板，均為平板型結(jié)構(gòu)且設(shè)計相同，每塊磁場均衡分布反射板包含三層介質(zhì)基板和三層印刷電路，通過印刷電路工藝加工；其中在第一層介質(zhì)基板的頂面印刷有諧振線圈陣列，在第二層介質(zhì)基板的頂面印刷有寄生諧振線圈陣列，在第三層介質(zhì)基板的底面印刷有匹配線圈和用于并聯(lián)諧振線圈陣列中各諧振線圈的微帶線；所述一號磁場均衡分布反射及二號磁場均衡分布反射板的第一層介質(zhì)基板頂面的諧振線圈和第二層介質(zhì)基板頂面的寄生諧振線圈都由多個諧振線圈單元呈二維陣列式排列，單個諧振線圈單元為四方螺旋環(huán)形，金屬通孔將寄生諧振線圈與諧振線圈相連接，第三層介質(zhì)基板底面的匹配線圈為缺損的四方環(huán)形。所述接收模塊為平板型結(jié)構(gòu)，共包含三層介質(zhì)基板和四層印刷電路，通過印刷電路工藝加工；其中在第一層介質(zhì)基板的頂面上印刷有接收諧振線圈和集成電路接地面，在第二層介質(zhì)基板的頂面上印刷有集成電路微帶線，在第三層介質(zhì)基板的頂面上印刷有寄生諧振線圈，在第三層介質(zhì)基板的底面上印刷有整流穩(wěn)壓集成電路，集成電路上焊接電路元器件及芯片；所述接收模塊的第一層介質(zhì)基板頂面的接收諧振線圈為矩形螺旋環(huán)形，第二層介質(zhì)基板頂面的寄生諧振線圈同樣為矩形螺旋環(huán)形，第三層介質(zhì)基板底面為整流穩(wěn)壓集成電路，集成電路位于接收諧振線圈內(nèi)部的空白區(qū)域處；金屬通孔將寄生線圈與接收諧振線圈相連接。所述發(fā)射板、中繼耦合板和磁場均衡分布反射板的幾何設(shè)計參數(shù)和電氣設(shè)計參數(shù)在一定范圍內(nèi)調(diào)整，以符合不同尺寸、規(guī)格和型號的冰箱的內(nèi)部空間分布和隔板布局，無線電能傳輸系統(tǒng)的整體能量傳輸效率均保持在70％以上；所述發(fā)射板的幾何設(shè)計參數(shù)和電氣設(shè)計參數(shù)如下：發(fā)射板印刷電路板長度LRes_Tx為350-450mm；發(fā)射板印刷電路板寬度HRes_Tx為280-340mm；發(fā)射板諧振線圈中的微帶線的寬度WRes_Tx為6-10mm；發(fā)射板諧振線圈中的相鄰微帶線之間的間距SRes_Tx為1-3mm；發(fā)射板激勵線圈的長度Lloop_Tx為280-320mm；發(fā)射板激勵線圈的寬度Hloop_Tx為180-220mm；發(fā)射板激勵線圈中的微帶線的寬度Wloop_Tx為6-10mm；發(fā)射板諧振電容值為5-40(pF)；所述中繼耦合板的幾何設(shè)計參數(shù)和電氣設(shè)計參數(shù)如下：中繼耦合板印刷電路板長度LRes_Rc為300-500mm；中繼耦合板印刷電路板寬度HRes_Rc為200-400mm；中繼耦合板諧振線圈801中微帶線的寬度WRes_Rc為8mm；中繼耦合板諧振線圈801中相鄰微帶線之間的間距SRes_Rc為1-3mm；中繼耦合板匹配線圈1001的長度Lloop_Rc為220-380mm；中繼耦合板匹配線圈的寬度Hloop_Rc為150-260mm；中繼耦合板匹配線圈中微帶線的寬度Wloop_Rc為8mm；中繼耦合板諧振電容值為1-60pF；所述磁場均衡分布反射板的幾何設(shè)計參數(shù)和電氣設(shè)計參數(shù)如下：磁場均衡分布反射板印刷電路板邊長LArray為290-310mm；磁場均衡分布反射板的諧振線圈單元的長度LRes_Array為140-160mm；磁場均衡分布反射板的諧振線圈單元的微帶線寬度WArray為10mm；磁場均衡分布反射板的諧振線圈單元中相鄰微帶線之間的間距WGap_Array為1mm；磁場均衡分布反射板中兩相鄰諧振線圈單元之間的間距SGap_Array為2mm；磁場均衡分布反射板的匹配線圈的內(nèi)徑Lloop_Array為185-200mm；磁場均衡分布反射板的匹配線圈的寬度Wloop_Array為8mm；磁場均衡分布反射板的諧振電容值為550-750pF；所述發(fā)射板與中繼耦合板之間的間距、相鄰兩塊中繼耦合板之間的間距以及中繼耦合板與磁場均衡分布反射板之間的間距在10-20cm范圍內(nèi)調(diào)整，以符合不同尺寸、規(guī)格和型號的冰箱的內(nèi)部空間分布和隔板布局；無線電能傳輸系統(tǒng)的整體能量傳輸效率均保持在70％以上；放置于冷藏室的頂部和冷鮮室底部的接收模塊橫向移動時，系統(tǒng)的整體能量傳輸效率穩(wěn)定；接收模塊縱向移動時，系統(tǒng)的整體能量傳輸效率隨距離的增大緩慢下降，下降幅度較采用單對單諧振線圈設(shè)計的平板型磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)低十倍以上。所述磁場均衡分布模塊中的磁場均衡分布反射板采用了陣列型諧振線圈設(shè)計，使得系統(tǒng)在有效傳輸距離范圍內(nèi)能產(chǎn)生均衡分布的磁場；當接收模塊沿傳輸方向移動時，由傳輸距離過近引起的過耦合或傳輸距離過遠引起的欠耦合均可以得到有效緩解，使得系統(tǒng)的傳輸效率隨傳輸距離的增加下降幅度不大，下降幅度較采用單對單諧振線圈設(shè)計的平板型磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)低十倍以上，系統(tǒng)仍可以保持較為高效的無線電能傳輸；當接收模塊在與傳輸方向垂直的平面上橫向移動時，系統(tǒng)的整體能量傳輸效率保持穩(wěn)定。所述接收模塊添加了整流穩(wěn)壓集成電路，集成電路采用低壓差線性穩(wěn)壓電路設(shè)計，頻率在5-20MHz的電磁能量從冰箱冷藏室和冷鮮室夾層的發(fā)射板發(fā)射后，經(jīng)過中繼耦合板層層傳遞、然后由磁場均衡分布反射板反射，再由接收模塊整流穩(wěn)壓輸出；接收模塊提供3.3V-12V多種電壓輸出接口，以符合不同用電設(shè)備的輸入電壓要求，系統(tǒng)提供的無線供電總功率可達100w，可同步為冰箱內(nèi)部各類不同電子、電氣設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的無線電能供給；系統(tǒng)接收端的集成度高、尺寸小，可用于LED燈、換氣風扇、傳感器、監(jiān)控等小型電子、電氣設(shè)備的無線充電或持續(xù)電能供給。所述發(fā)射模塊中的反射板采用了由單個激勵線圈驅(qū)動單個諧振線圈的設(shè)計，給發(fā)射板的背面留出大量空間，用于添加匹配集成電路和可調(diào)電子元器件來優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸性能和實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制。所述接收模塊可根據(jù)應(yīng)用需求，采用不同尺寸、設(shè)計的接收諧振線圈和不同型號、規(guī)格的整流穩(wěn)壓芯片，當應(yīng)用于LED燈、換氣風扇、傳感器、監(jiān)控等小型電子、電氣設(shè)備時，所述接收模塊的幾何設(shè)計參數(shù)和電氣設(shè)計參數(shù)如下：接收模塊所處的矩形印刷電路板長度LRes_Rx為70mm；接收模塊所處的矩形印刷電路板寬度HRes_Rx為50mm；接收模塊諧振線圈中的微帶寬度WRes_Rx為2mm；接收模塊諧振線圈中的相鄰微帶線之間的間距SRes_Rx為0.5mm；接收模塊諧振電容值為100pF。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用了多級中繼耦合、磁場反射和磁場均衡分布設(shè)計方案，通過系統(tǒng)發(fā)射板發(fā)射電磁能量,并通過多級中繼耦合板分別向上和向下逐層傳遞能量，能量到達頂層和底層的磁場均衡分布反射板處被反射并均衡分布于冰箱內(nèi)部空間，從而在冰箱內(nèi)部空間構(gòu)建起一個均衡的磁場能量場；通過對安裝或放置于冰箱內(nèi)部不同位置的用電設(shè)備如LED燈、換氣風扇、溫度濕度傳感器等加載接收模塊，接收磁場能量并轉(zhuǎn)換成電能，從而實現(xiàn)對冰箱內(nèi)部各用電設(shè)備的高效、穩(wěn)定的無線供電和充電，另外因為采用了多級中繼耦合和磁場均衡分布設(shè)計，冰箱內(nèi)部不同位置處的無線電能傳輸效率均勻，用電設(shè)備的安裝位置可自由移動。此設(shè)計使得冰箱側(cè)板和內(nèi)壁之間不再需要布置電源線，只需對冰箱內(nèi)部各用電設(shè)備安裝接收模塊，即可實現(xiàn)家用冰箱內(nèi)部多個電子、電氣設(shè)備的同步無線供電和充電，有效降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)、組裝和后期維保成本，延長產(chǎn)品的使用壽命，徹底消除漏電、電弧導(dǎo)致的用電安全隱患和火災(zāi)隱患。另外，本設(shè)計所提供的無線供電總功率可達100w,多種傳感、監(jiān)測和控制設(shè)備均可被應(yīng)用到冰箱內(nèi)，可真正實現(xiàn)冰箱設(shè)計的智能化和人性化。附圖說明圖1為冰箱冷藏室和冷鮮室整體結(jié)構(gòu)圖；圖2為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)的安裝示意圖；圖3為安裝于冷藏室和冷鮮室內(nèi)的冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)的剖視圖；圖4為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)發(fā)射板第一層頂面即正面結(jié)構(gòu)圖；圖5為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)發(fā)射板第二層頂面結(jié)構(gòu)圖；圖6為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)發(fā)射板第三層底面即背面結(jié)構(gòu)圖；圖7為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)發(fā)射板側(cè)視圖；圖8為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號、三號中繼耦合板第一層頂面結(jié)構(gòu)圖(正面圖)；圖9為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號、三號中繼耦合板第二層頂面結(jié)構(gòu)圖；圖10為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號、三號中繼耦合板第四層底面結(jié)構(gòu)圖(背面圖)；圖11為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號、三號中繼耦合板側(cè)視圖；圖12為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號磁場均衡分布反射板第一層頂面結(jié)構(gòu)圖(正面圖)；圖13為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號磁場均衡分布反射板第二層頂面結(jié)構(gòu)圖；圖14為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號磁場均衡分布反射板第三層底面結(jié)構(gòu)圖(背面圖)；圖15為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號磁場均衡分布反射板側(cè)視圖；圖16為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)接收模塊第一層結(jié)構(gòu)圖(正面圖)；圖17為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)接收模塊的第二層結(jié)構(gòu)圖；圖18為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)接收模塊的第三層頂面結(jié)構(gòu)圖；圖19為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)接收模塊第三層底面結(jié)構(gòu)圖(背面圖)；圖20為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)接收模塊側(cè)視圖；圖21為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)整流穩(wěn)壓電路原理圖；圖22為接收模塊離冰箱冷藏室頂層不同距離時的無線電能傳輸效率曲線。具體實施方式本發(fā)明的具體實施方式如附圖所示。圖1所示為冰箱冷藏室和冷鮮室整體結(jié)構(gòu)圖。其中101為冷藏室的底板，102為冷藏室的第一層玻璃隔板，103為冷藏室的第二層玻璃隔板，106為冷藏室的頂層，104為冷鮮室的第一層抽屜，105為冷鮮室的第二層抽屜。圖2所示為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)的安裝示意圖。冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)的發(fā)射板安裝于冰箱冷藏室的底層201；一號中繼耦合板安裝于冰箱冷藏室第一層玻璃隔板202內(nèi)；二號中繼耦合板安裝于冰箱冷藏室第二層玻璃隔板203內(nèi)；三號中繼耦合板安裝于冰箱冷鮮室的第一層抽屜204內(nèi)；一號磁場均衡分布反射板安裝于冰箱冷藏室的頂層206；二號磁場均衡分布反射板安裝于冰箱冷鮮室的第二層抽屜205的底部；射頻功放源和電源適配器安裝于冰箱冷藏室和冷鮮室的夾層207內(nèi)。圖3所示為安裝于冷藏室和冷鮮室內(nèi)的冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)的剖視圖。發(fā)射板301安裝于冰箱冷藏室底層內(nèi)；一號中繼耦合板302安裝于冰箱冷藏室第一層玻璃隔板內(nèi)；二號中繼耦合板303安裝于冰箱冷藏室第二層玻璃隔板內(nèi)；三號中繼耦合板304安裝于冰箱冷鮮室第一層抽屜內(nèi)；二號磁場均衡分布反射板305安裝于冰箱冷鮮室第二層抽屜底部；一號磁場均衡分布反射板306安裝于冰箱冷藏室的頂層；射頻功放源和電源適配器307安裝于冰箱冷藏室和冷鮮室夾層內(nèi)。圖4所示為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)發(fā)射板第一層頂面即正面圖。其中，401為印刷于發(fā)射板第一層介質(zhì)基板頂面的諧振線圈；402為連接諧振線圈401和寄生諧振線圈501的通孔；同樣的結(jié)構(gòu)在發(fā)射板的左上、左下、右下均有；403為連接諧振線圈401和603的通孔；LRes_Tx為諧振線圈401的外部長度，HRes_Tx為諧振線圈401的外部寬度，WRes_Tx為諧振線圈401中微帶線的寬度，SRes_Tx為諧振線圈401中相鄰微帶線之間的間距。圖5所示為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)發(fā)射板第二層頂面結(jié)構(gòu)圖。其中501為印刷于發(fā)射板第二層介質(zhì)基板頂面的寄生諧振線圈；502為將寄生諧振線圈501和諧振線圈401相連接的通孔，同樣的結(jié)構(gòu)在發(fā)射板的左上、左下、右下均有；503為連接寄生諧振線圈501和微帶線603的通孔；LRes_Tx2為寄生諧振線圈501的外部長度，HRes_Tx2為寄生諧振線圈501的外部寬度，WRes_Tx2為寄生諧振線圈501中微帶線的寬度，SRes_Tx2為寄生諧振線圈501中相鄰微帶線之間的間距。圖6所示為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)發(fā)射板第三層底面即背面結(jié)構(gòu)圖。其中，601為印刷于發(fā)射板第三層介質(zhì)基板底面的激勵線圈，其結(jié)構(gòu)為帶缺口的矩形微帶環(huán)；602為連接諧振線圈401和寄生諧振線圈501的通孔，同樣的結(jié)構(gòu)在發(fā)射板的左上、左下、右下均有；603為印刷于發(fā)射板第三層介質(zhì)基板底面、用以連接諧振電容的微帶線；604為連接諧振線圈401、寄生諧振線圈501和微帶線603的通孔；605為微帶線603上連接諧振電容的端口；606為激勵線圈601上的電磁能量輸入端口；Lloop_Tx為激勵線圈601的外部長度，Hloop_Tx為激勵線圈601的外部寬度，Wloop_Tx為激勵線圈601中微帶線的寬度。圖7所示為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)發(fā)射板側(cè)視圖。其中，701為發(fā)射板第一層介質(zhì)基板；702為發(fā)射板的第二層介質(zhì)基板；703為發(fā)射板的第三層介質(zhì)基板；LRes_Tx為發(fā)射板的長度，D為發(fā)射板的厚度。圖8所示為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號、三號中繼耦合板第一層頂面結(jié)構(gòu)圖(正面圖)。其中，801為印刷于一號、二號、三號中繼耦合板第一層介質(zhì)基板頂面的諧振線圈；802為連接諧振線圈801和寄生諧振線圈901的通孔，同樣的結(jié)構(gòu)在一號，二號，三號中繼耦合板的左上、左下、右下均有；803為連接諧振線圈801和微帶線1003的通孔；LRes_Rc為諧振線圈801的外部長度，HRes_Rc為諧振線圈801的外部寬度，WRes_Rc為諧振線圈801中微帶線的寬度，SRes_Rc為諧振線圈801中相鄰微帶線之間的間距。圖9所示為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號、三號中繼耦合板第二層頂面結(jié)構(gòu)圖。其中，901為印刷于一號，二號，三號中繼耦合板第二層介質(zhì)基板頂面的寄生諧振線圈；902為連接寄生諧振線圈901和諧振線圈801的通孔，同樣的結(jié)構(gòu)在一號，二號，三號中繼耦合板的左上、左下、右下均有；903為連接寄生諧振線圈901和微帶線1003的通孔；LRes_Rc2為寄生諧振線圈901的外部長度，HRes_Rc2為寄生諧振線圈901的外部寬度，WRes_Rc2為寄生諧振線圈901中微帶線的寬度，SRes_Rc2為寄生諧振線圈901中相鄰微帶線之間的間距。圖10所示為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號、三號中繼耦合板第四層底面結(jié)構(gòu)圖(背面圖)。其中，1001為印刷于一號，二號，三號中繼耦合板第三層介質(zhì)基板底面的匹配線圈，其結(jié)構(gòu)為帶缺口的矩形微帶環(huán)；1002為連接諧振線圈801和寄生諧振線圈901的通孔，同樣的結(jié)構(gòu)在一號，二號，三號中繼耦合板的左上、左下、右下均有；1003為印刷于一號，二號，三號中繼耦合板第三層介質(zhì)基板底面、用以連接諧振電容的微帶線；1004為連接諧振線圈801、寄生諧振線圈901和微帶線1003的通孔；1005為微帶線1003上連接諧振電容的端口；1006為匹配線圈1001上連接匹配電容的端口；Lloop_Rc為匹配線圈1001的外部長度，Hloop_Rc為匹配線圈1001的外部寬度，Wloop_Rc為匹配線圈1001中微帶線的寬度。圖11所示為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號、三號中繼耦合板側(cè)視圖。其中，1101為一號，二號，三號中繼耦合板的第一層介質(zhì)基板；1102為一號，二號，三號中繼耦合板的第二層介質(zhì)基板；1103為一號，二號，三號中繼耦合板的第三層介質(zhì)基板；LRes_Rc為一號，二號，三號中繼耦合板的長度，D為一號，二號，三號中繼耦合板的厚度。圖12所示為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號磁場均衡分布反射板第一層頂面結(jié)構(gòu)圖(正面圖)。其中，1201為印刷于一號、二號磁場均衡分布反射板第一層介質(zhì)基板頂面左上角的諧振線圈；其結(jié)構(gòu)為四方螺旋環(huán)形；1202為印刷于一號、二號磁場均衡分布反射板第一層介質(zhì)基板頂面右上角的諧振線圈，其結(jié)構(gòu)為四方螺旋環(huán)形；1203為印刷于一號、二號磁場均衡分布反射板第一層介質(zhì)基板頂面左下角的諧振線圈，其結(jié)構(gòu)為四方螺旋環(huán)形；1204為印刷于一號，二號磁場均衡分布反射板第一層介質(zhì)基板頂面右下角的諧振線圈，其結(jié)構(gòu)為四方螺旋環(huán)形；1205為連接諧振線圈1204和寄生諧振線圈1304的通孔，同樣的結(jié)構(gòu)在諧振線圈1204的左上、左下、右上均有，另外在諧振線圈1201、諧振線圈1202和諧振線圈1203上均有相同的通孔，將其分別連接到寄生諧振線圈1301、寄生諧振線圈1302和寄生諧振線圈1303；1206為將諧振線圈1201、諧振線圈1202、諧振線圈1203、諧振線圈1204諧振線圈的始端連接到1404的通孔；1207為將諧振線圈1201、諧振線圈1202、諧振線圈1203、諧振線圈1204諧振線圈的末端連接到1403的通孔。LArray為一號、二號磁場均衡分布反射板諧振線圈陣列的總長度，LRes_Array為單個諧振線圈的長度，WArray為單個諧振線圈微帶線的寬度，WGap_Array為單個諧振線圈微帶線之間的間隔寬度，SGap_Array為單個諧振線圈之間的間隔寬度。圖13為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號磁場均衡分布反射板第二層頂面結(jié)構(gòu)圖。其中，1301為印刷于一號、二號磁場均衡分布反射板第二層介質(zhì)基板頂面左上的寄生諧振線圈，其結(jié)構(gòu)為四方螺旋環(huán)形；1302為印刷于一號、二號磁場均衡分布反射板第二層介質(zhì)基板頂面右上角的寄生諧振線圈，其結(jié)構(gòu)為四方螺旋環(huán)形；1303為印刷于一號、二號磁場均衡分布反射板第二層介質(zhì)基板頂面左下角的寄生諧振線圈，其結(jié)構(gòu)為四方螺旋環(huán)形；1304為印刷于一號、二號磁場均衡分布反射板第二層介質(zhì)基板頂面右下角的寄生諧振線圈，其結(jié)構(gòu)為四方螺旋環(huán)形；1305為連接寄生諧振線圈1304和諧振線圈1204的通孔，同樣的結(jié)構(gòu)在1304的左上、左下、右上均有，另外在寄生諧振線圈1301、寄生諧振線圈1302和寄生諧振線圈1303上均有相同的通孔，將其分別連接到諧振線圈1201、諧振線圈1202和諧振線圈1203；1306為將寄生諧振線圈1301、寄生諧振線圈1302、寄生諧振線圈1303、寄生諧振線圈1304的始端連接到1404的通孔；1307為將寄生諧振線圈1301、寄生諧振線圈1302、寄生諧振線圈1303、寄生諧振線圈1304的末端連接到1403的通孔。LArray為一號，二號磁場均衡分布反射板的寄生諧振線圈陣列的總長度，LRes_Array為單個寄生諧振線圈的長度，WArray為單個寄生諧振線圈微帶線的寬度，WGap_Array為單個寄生諧振線圈微帶線之間的間隔寬度，SGap_Array為單個寄生諧振線圈之間的間隔寬度。圖14為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號磁場均衡分布反射板第三層底面結(jié)構(gòu)圖(背面圖)。其中，1401為印刷于一號、二號磁場均衡分布反射板第三層介質(zhì)基板底面的匹配線圈，其結(jié)構(gòu)為帶缺口的四方環(huán)形；1402為匹配線圈1401上連接匹配電容的端口；1403為將諧振線圈1201、諧振線圈1202、諧振線圈1203、諧振線圈1204與寄生諧振線圈1301、寄生諧振線圈1302、寄生諧振線圈1303、寄生諧振線圈1304的末端相連的微帶線；1404為將諧振線圈1201、諧振線圈1202、諧振線圈1203、諧振線圈1204與寄生諧振線圈1301、寄生諧振線圈1302、寄生諧振線圈1303、寄生諧振線圈1304的始端相連的微帶線；1405為連接諧振線圈1201、諧振線圈1202、諧振線圈1203、諧振線圈1204、寄生諧振線圈1301、寄生諧振線圈1302、寄生諧振線圈1303、寄生諧振線圈1304始端的通孔；1406為連接諧振線圈的諧振電容；1407為連接諧振線圈1201、諧振線圈1202、諧振線圈1203、諧振線圈1204、寄生諧振線圈1301、寄生諧振線圈1302、寄生諧振線圈1303、寄生諧振線圈1304末端的通孔；1408為連接第一層介質(zhì)基板頂面的諧振線圈和第二層介質(zhì)基板頂面的寄生諧振線圈的通孔。圖15為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)一號、二號磁場均衡分布反射板側(cè)視圖。圖中，1501為一號，二號磁場均衡分布反射板的第一層介質(zhì)基板；1502為一號、二號磁場均衡分布反射板的第二層介質(zhì)基板；1503為一號、二號磁場均衡分布反射板的第三層介質(zhì)基板；LArray為一號、二號磁場均衡分布反射板的長度，D為一號、二號磁場均衡分布反射板的厚度。圖16為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)接收模塊第一層結(jié)構(gòu)圖(正面圖)。1601為連接寄生諧振線圈1704和諧振線圈1904的通孔；1602和1604為印刷于接收板第一層介質(zhì)基板頂面上的集成電路的貼片電容；1603為印刷于接收板第一層介質(zhì)基板頂面上的集成電路的貼片電感；1605為集成電路的貼片電阻；1606為集成電路的二極管；1607為印刷于接收板第一層介質(zhì)基板頂面用以連接諧振電容的微帶線；1608為連接微帶線1607、寄生諧振線圈1704和諧振線圈1904的通孔。圖17為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)接收模塊的第二層結(jié)構(gòu)圖。圖中，1701為連接寄生諧振線圈1704和諧振線圈1904的通孔；1702為連接寄生諧振線圈1704和微帶線1607的通孔；1703為接收模塊印刷集成電路的接地孔；1704為印刷于接收板第二層介質(zhì)基板頂面的寄生諧振線圈，其結(jié)構(gòu)為矩形螺旋環(huán)形。圖18為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)接收模塊的第三層頂面結(jié)構(gòu)圖。其中，1801為連接寄生諧振線圈1704和諧振線圈1904的通孔；1802為連接微帶線1607、寄生諧振線圈1704和諧振線圈1904的通孔；1803為連接集成電路元器件的通孔。圖19為冰箱內(nèi)部無線供電系統(tǒng)接收模塊第三層底面結(jié)構(gòu)圖(背面圖)，其中，1901為連接諧振線圈1904和寄生諧振線圈1704的通孔；1902為接收模塊印刷集成電路的接地孔；1903為連接諧振線圈1904和微帶線1607的通孔；諧振線圈1904為印刷于接收第三層介質(zhì)基板底面的諧振線圈；LRes_Rx為1904的長度，HRes_Rx為諧振線圈1904的寬度，WRes_Rx為諧振線圈1904中微帶線的寬度，SRes_Rx為諧振線圈1904中相鄰微帶線之間的間距，LRs為整流穩(wěn)壓集成電路所占區(qū)域的長度，HRs為整流穩(wěn)壓集成電路所占區(qū)域的寬度。圖20為接收板的側(cè)面剖視圖，其中，2001為接收板的第一層介質(zhì)基板；2002為接收板的第二層介質(zhì)基板；2003為接收板的第三層介質(zhì)基板；LRes_Rx為接收板的長度，D1為接收板的厚度。本實施例一種冰箱內(nèi)部多級中繼耦合磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射模塊、中繼耦合模塊、磁場均衡分布模塊和接收模塊。所述發(fā)射模塊包括電源適配器、射頻功放源和發(fā)射板。所述發(fā)射模塊用于無線電能的發(fā)射。中繼耦合模塊包含三塊相同的中繼耦合板，即一號中繼耦合板、二號中繼耦合板和三號中繼耦合板；所述中繼耦合模塊用于無線電能的多層傳遞，增加無線電能的傳輸距離。磁場均衡分布模塊包含二塊相同的磁場均衡分布反射板，即一號磁場均衡分布反射板和二號磁場均衡分布反射板。所述磁場均衡分布模塊，用于無線電能的反射，并均衡分布于冰箱內(nèi)部空間。接收模塊，用于無線電能的接收和輸出。本發(fā)明實施例中所有結(jié)構(gòu)均為平面化結(jié)構(gòu)，均采用印刷電路板工藝加工而成，在設(shè)定發(fā)射板諧振線圈和激勵線圈、中繼耦合板諧振線圈和匹配線圈、磁場均衡分布反射板諧振線圈陣列和匹配線圈，以及接收板諧振線圈的設(shè)計方案以后，通過在激勵線圈和相關(guān)匹配線圈中添加匹配電路，在接收板中添加整流穩(wěn)壓集成電路和相關(guān)元器件以構(gòu)成完整的無線電能傳輸系統(tǒng)。本發(fā)明實施例中應(yīng)用于冰箱內(nèi)部用電設(shè)備的無線電能傳輸系統(tǒng)是由發(fā)射模塊、中繼耦合模塊、磁場反射模塊和接收模塊四部分組成，發(fā)射模塊包含電源適配器、射頻功放源和用于發(fā)射無線電能的發(fā)射板，中繼耦合模塊包含用于磁場能量傳遞的多級中繼耦合板，磁場反射模塊包含用于反射磁場能量的磁場均衡分布反射板，接收模塊包含用于接收無線電能的接收板和整流穩(wěn)壓集成電路。系統(tǒng)的發(fā)射模塊和接收模塊分別連接了激勵電路和負載，發(fā)射模塊采用厚度為1.6mm的四層印刷電路板加工，接收模塊采用厚度為1mm的四層印刷電路板加工，圖4-圖7為發(fā)射板結(jié)構(gòu)圖，圖8-圖11為中繼耦合模塊結(jié)構(gòu)圖，圖12-圖15為磁場均衡分布反射模塊結(jié)構(gòu)圖，圖16-圖19為尺寸為接收模塊結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明實施例中的應(yīng)用于冰箱內(nèi)部無線傳輸系統(tǒng)的接收模塊采用如圖21所示的整流穩(wěn)壓集成電路，該集成電路采用低壓差線性穩(wěn)壓電路設(shè)計(LDO)；頻率在5-20MHz的電磁能量從冰箱冷藏室和冷鮮室夾層的發(fā)射板發(fā)射后，經(jīng)過中繼耦合板層層傳遞、然后由磁場均衡分布反射板反射，再由接收模塊整流穩(wěn)壓輸出；接收模塊提供3.3V-12V多種電壓輸出接口，以符合不同用電設(shè)備的輸入電壓要求，系統(tǒng)提供的無線供電總功率可達100w，可同步為電冰箱內(nèi)部的各類不同電子、電氣設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的無線電能供給。本實施例根據(jù)圖1所示的整體結(jié)構(gòu)，采用冰箱冷藏室和冷鮮室夾層的發(fā)射板輸出能量，向上經(jīng)過冷藏室的第一層隔板和第二層隔板的一號和二號中繼耦合板，頂層的一號磁場均衡分布板，再由接收模塊輸出，供電給電冰箱內(nèi)部的LED照明設(shè)備、排氣設(shè)備、傳感器等設(shè)備，向下經(jīng)過冷鮮室第一層抽屜的第三號中繼耦合板和第二層抽屜的二號磁場均衡分布反射板，再由接收模塊輸出，同樣供電給電冰箱內(nèi)部的LED照明設(shè)備、排氣設(shè)備、傳感器等設(shè)備。圖4-圖7為發(fā)射板單獨的結(jié)構(gòu)設(shè)計，圖8-圖11為中繼耦合板的單獨結(jié)構(gòu)，圖12-圖15為磁場均衡分布反射板的單獨結(jié)構(gòu)，圖16-圖20為接收模塊的單獨結(jié)構(gòu)，其接收模塊可用于冰箱內(nèi)部LED照明設(shè)備和排氣設(shè)備及其他傳感器設(shè)備的供電。由以上所述，構(gòu)成了應(yīng)用于冰箱內(nèi)部多設(shè)備無線供電、充電的無線電能傳輸系統(tǒng)。根據(jù)圖4-圖19所示的結(jié)構(gòu)圖中的符號標識，結(jié)合實際應(yīng)用需求，對此實施例中的設(shè)計采用如下幾何參數(shù)和電器參數(shù)：下表為實施例中發(fā)射板、中繼耦合板，磁場均衡分布反射板以及接收模塊的幾何設(shè)計參數(shù)和電氣設(shè)計參數(shù)：符號標識取值(范圍)LRes_Tx350-450(mm)HRes_Tx280-340(mm)WRes_Tx6-10(mm)Wloop_Tx6-10(mm)Hloop_Tx180-220(mm)Lloop_Tx280-320(mm)SRes_Tx1-3(mm)發(fā)射板諧振電容值5-40(pF)LRes_Rc300-500(mm)HRes_Rc200-400(mm)WRes_Rc8(mm)Wloop_Rc8(mm)Hloop_Rx150-260(mm)Lloop_Rc220-380(mm)SRes_Rc1-3(mm)一號、二號以及三號中繼耦合板諧振電容值1-60(pF)LArray290-310(mm)SGap_Array1mm(mm)LRes_Array140-160(mm)SGap_Array2(mm)Warray10(mm)Wloop_Array8(mm)Lloop_Array185-200(mm)一號、二號磁場均衡分布反射板諧振電容值550-750(pF)WRes_Rx2(mm)SRes_Rx0.5(mm)HRes_Rx70(mm)LRes_Rx50(mm)接收模塊諧振電容值100(pF)對發(fā)射板添加5-20MHz范圍內(nèi)射頻激勵，激勵信號在激勵線圈601上產(chǎn)生電磁振蕩。電磁能量先通過磁感應(yīng)耦合傳輸?shù)桨l(fā)射板的諧振線圈401，然后通過磁諧振耦合方式將傳輸?shù)揭患壷欣^耦合線圈的諧振線圈801和寄生諧振線圈901上，再以同樣的方式向上和向下傳遞到二號中繼耦合板和三號中繼耦合板上，通過第三次磁諧振耦合，傳遞到一號和二號磁場均衡分布反射板，經(jīng)過反射后，再以諧振耦合的方式將能量傳輸?shù)浇邮漳K的諧振線圈1704和寄生線圈1904上，電磁能量由諧振線圈1704和1904輸出，經(jīng)過整流穩(wěn)壓后傳輸給冰箱內(nèi)部的照明模塊、傳感器模塊以及其他設(shè)備，實現(xiàn)了冰箱內(nèi)部空間用電設(shè)備的無線電能供給和無線充電。下表為接收模塊緊貼冰箱冷藏室頂層(磁場均衡分布反射板)時的傳輸效率：接收模塊位于冷藏室頂層不同位置(如圖12所示)傳輸效率(％)A點位置85.30％B點位置83.93％C點位置85.31％D點位置83.97％E點位置84.95％F點位置84.32％G點位置84.65％H點位置83.27％I點位置85.07％圖21為接收模塊整流穩(wěn)壓集成電路原理圖。圖22為接收模塊離冰箱冷藏室頂層不同距離時的無線電能傳輸效率(％)。當前第1頁1 2 3