基于旋轉(zhuǎn)磁場的非接觸式充電設(shè)備及充電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線充電技術(shù)(Wirelesscharging technology ； Wire I ess chargetechnology)，也叫非接觸式無線充電技術(shù)，尤其涉及一種可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離充電的非接觸式充電設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]無線充電技術(shù)(Wireless charging technology ； Wire less charge technology)源于無線電能傳輸技術(shù)，現(xiàn)有的無線電充電技術(shù)主要有以下三種方式:
1.電磁感應(yīng)式無線充電設(shè)備
主要應(yīng)用于小功率的電子設(shè)備，如對手機(jī)充電的Qi方式。電磁感應(yīng)式無線充電設(shè)備的工作原理在于:初級線圈通以一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。電磁感應(yīng)式充電方式是目前最為常見的非接觸式充電解決方案，其中比亞迪公司早在2005年12月就申請了相關(guān)的非接觸感應(yīng)式充電器專利，使用的就是電磁感應(yīng)技術(shù)。
[0003]但是，電磁感應(yīng)式設(shè)備的初級線圈與次級線圈的距離必須要保持很近，需要在約毫米量級的范圍內(nèi)，屬于近場能量傳輸，當(dāng)兩個線圈距離拉開時，能量傳輸就會中斷，無法滿足中遠(yuǎn)距離傳輸需求。
[0004]2.磁場共振式無線充電設(shè)備
該設(shè)備由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術(shù)，由麻省理工學(xué)院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊利用該技術(shù)點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡，并將其取名為WiTrici ty。該實驗中使用的線圈直徑達(dá)到50cm，還無法實現(xiàn)商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。
[0005]由此可見，磁場共振技術(shù)具有中遠(yuǎn)距離能量傳輸能力，能將一兩米外的60瓦燈泡點亮，具有較大的功率傳輸能力，但是發(fā)射和接收裝置體積過大，不適合便攜式電子產(chǎn)品的要求。
[0006]3.無線電波式
還有一種無線電能收集技術(shù)，這是發(fā)展較為成熟的技術(shù)，類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器。此種技術(shù)可進(jìn)行能量的遠(yuǎn)距離傳輸，但傳送能量非常弱，只適合超低功耗的電子設(shè)備使用，類似太陽能供電。而現(xiàn)今如手機(jī)等常用便攜電子設(shè)備，功耗都遠(yuǎn)高于此項技術(shù)所能傳輸之電能，因此無法應(yīng)用上述技術(shù)。
[0007]因此，如何提供一種傳輸效率高、可進(jìn)行中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆墙佑|充電裝置是業(yè)界亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提出一種基于旋轉(zhuǎn)磁場的非接觸式充電設(shè)備，包括:
能量發(fā)射器，用于連接外部電源，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；
至少一個能量接收器，其包括軟磁體，圍繞在軟磁體上經(jīng)旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割后產(chǎn)生電流的線圈，用于儲存所述電流的整流電能儲存裝置，與整流電能儲存裝置電連接的充電電路。
[0009]優(yōu)選的，所述圍繞在軟磁體上的線圈為多組繞線方向不同的線圈，各線圈不同的繞線方向使能量接收器具有可供磁力線切割的導(dǎo)線方向涵蓋X、Y、Z三個空間軸向。
[0010]能量發(fā)射器的第一實施例中，其結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)軸、可圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的磁鐵、位于磁鐵磁極兩端且電流方向相反的固定導(dǎo)線、與外部電源連接并控制導(dǎo)線電流方向的控制電路、用于檢測磁鐵磁場方向的霍爾感應(yīng)器;所述控制電路將固定導(dǎo)線通電后，使通電的固定導(dǎo)線與磁鐵相互作用推動磁鐵旋轉(zhuǎn)，并計算分析霍爾感應(yīng)器的檢測結(jié)果，來控制線圈中的電流方向，以確保磁鐵始終受到同方向的旋轉(zhuǎn)力矩，保持在這一方向勻速旋轉(zhuǎn)，同時由霍爾傳感器的信號可知磁鐵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時增大電流，轉(zhuǎn)速增加時減小電流，可確保磁鐵穩(wěn)定勾速旋轉(zhuǎn)。
[0011]能量發(fā)射器的第二實施例中，其結(jié)構(gòu)包括圓柱形電磁鐵、圍繞在電磁鐵上的三相繞組線圈，三個線圈兩兩投影在電磁鐵端面上所形成的最大夾角為120度。電磁鐵采用軟磁性材料制成。
[0012]進(jìn)一步較遠(yuǎn)距離傳輸時，能量發(fā)射器與能量接收器之間還可以設(shè)有至少一個能量中繼器，所述能量中繼器包括中繼轉(zhuǎn)動軸以及可圍繞中繼轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動的中繼磁鐵，所述中繼轉(zhuǎn)動軸與能量發(fā)射器發(fā)出的旋轉(zhuǎn)磁場的軸芯平行，所述中繼磁鐵在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下圍繞所述中繼轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生其自身的旋轉(zhuǎn)磁場。
[0013]在能量中繼器的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)行改進(jìn)形成中繼接收器，即能量中繼器還包括位于中繼磁鐵所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場內(nèi)可供磁力線切割的固定的能量接收導(dǎo)線，與固定的能量接收導(dǎo)線電性連接的中繼整流電能儲存裝置。
[0014]本發(fā)明還提出了一種基于旋轉(zhuǎn)磁場的非接觸式充電方法，其特征在于，包括如下步驟:
步驟1:能量發(fā)射器連接外接電源產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場；
步驟2:能量接收器的軟磁體利用軟磁性材料的特性改變磁場磁力線的局域分布，使纏繞在其上的線圈正對著旋轉(zhuǎn)磁場的部分始終位于較強磁力線分布中，被旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，所述線圈背對著旋轉(zhuǎn)磁場的部分被軟磁體的材料特性屏蔽了旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線，使線圈中產(chǎn)生凈感應(yīng)電動勢被整流電能儲存裝置存儲。
[0015]本發(fā)明利用電能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并且通過磁鐵之間同性相吸異性相斥的作用力，使得旋轉(zhuǎn)磁場可以一步步被傳遞至更遠(yuǎn)距離，然后通過旋轉(zhuǎn)磁場中運動的磁力線切割導(dǎo)線，產(chǎn)生電能，實現(xiàn)了較遠(yuǎn)距離的充電方式，并且傳送距離通過能量中繼器可以得到倍增。并且傳輸效率較高，可達(dá)90%以上。同時，能量接收器的體積可以不受限制，可大可小，可根據(jù)所需要的接收功率自由設(shè)計，非常適合微型便攜設(shè)備?；诒景l(fā)明的工作原理，不會產(chǎn)生對人體有害的高頻電磁輻射，形成大范圍旋轉(zhuǎn)磁場后，可同時對處于磁場中的多個能量接收設(shè)備進(jìn)行能量傳輸。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為能量發(fā)射器的第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明一實施例提供的基于旋轉(zhuǎn)磁場的非接觸式充電設(shè)備，具有一個能量發(fā)射器1、一個基于能量中繼器形成的中繼接收器2、一個能量接收器3。能量發(fā)射器I產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，通過同性相吸異性相斥的原理，推動能量中繼器/中繼接收器2的中繼磁鐵旋轉(zhuǎn)，能量接收器3的線圈的一部分被中繼磁鐵產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割，產(chǎn)生電能，這就是本發(fā)明該實施例的原理。在其他實施例中，可以只設(shè)置能量發(fā)射器和能量接收器，或者根據(jù)需要設(shè)置中繼接收器、能量接收器的個數(shù)，并不局限于圖1所示的模型。
[0019]圖1中示出的是能量發(fā)射器的第一實施例，該實施例中，能量發(fā)射器I包含一個旋轉(zhuǎn)軸11，旋轉(zhuǎn)軸11摩擦力要盡可能小，以減少機(jī)械損耗，磁鐵12可以高速圍繞該旋轉(zhuǎn)軸11機(jī)械旋轉(zhuǎn)，該磁鐵12可以是高強永磁磁鐵還可以是電磁鐵，磁鐵12磁極兩端設(shè)置了兩根電流方向相反的固定導(dǎo)線13，這兩根固定導(dǎo)線13是一個簡單示例，實際應(yīng)用中還可以是兩組固定導(dǎo)線，這兩組固定導(dǎo)線可以是一個線圈的相對的兩部分導(dǎo)線，控制電路與這些固定導(dǎo)線電性連接(圖中未示出)，且連接外部電源為固定導(dǎo)線13提供電流并控制固定導(dǎo)線13的電流方向，在磁鐵12的周圍還設(shè)置了用于檢測磁鐵磁場方向的霍爾感應(yīng)器14。
[0020]控制電路為固定導(dǎo)線13通電后，電流方向如圖1所示，左側(cè)導(dǎo)線的電流方向朝外，右側(cè)導(dǎo)線的電流方向朝內(nèi)，根據(jù)左手定則，位于磁場內(nèi)的通電導(dǎo)線將會受到作用力，左側(cè)導(dǎo)線受到向下的作用力，右側(cè)導(dǎo)線受到向上的作用力，磁鐵12磁極兩端會受到相應(yīng)的反作用力，由于通電導(dǎo)線固定，會推動磁鐵12圍繞旋轉(zhuǎn)軸11順時針旋轉(zhuǎn)。待磁鐵12旋轉(zhuǎn)180度后，控制電路控制兩側(cè)固定導(dǎo)線的電流方向互換(或給線圈通以反方向電流)，從而給磁鐵12繼續(xù)實施方向相同的反作用力，持續(xù)推動磁鐵12高速旋轉(zhuǎn)，以在能量發(fā)射器I周邊方圓?I米的范圍內(nèi)形成高強度高速旋轉(zhuǎn)磁場。
[0021]霍爾感應(yīng)器14用來感受磁場方向，以控制固定導(dǎo)線13的電流方向，保證磁鐵12往一個方向轉(zhuǎn)動。同時，通過測量霍爾信號的頻率，也可以得知磁鐵12的轉(zhuǎn)速。由此一來，用上述閉環(huán)控制系統(tǒng)便可實現(xiàn)磁鐵12在某一轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，從而在周邊區(qū)域形成穩(wěn)定可控的旋轉(zhuǎn)磁場。
[0022]假設(shè)圖1中能量發(fā)射器的磁場覆蓋了能量接收器所在的區(qū)域，此時可以不設(shè)置能量中繼器或中繼接收器2，先介紹未設(shè)置能量中繼器或中繼接收器2時，能量發(fā)射器與能量接收器3之間的相互作用。
[0023]圖1中示出了能量接收器的一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該能量接收器3包括一塊軟磁性材料制成的軟磁板31，軟磁板31上沿圖中的縱向方向繞了一圈線圈32，線圈32電性連接著整流電能儲存裝置33，整流電能儲存裝置33電性連接著充電電路。軟鐵性材料的軟磁板可以改變旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的局域分布，使得纏繞在其上的線圈32面對旋轉(zhuǎn)磁場的部分始終處于較強磁力線分布中，即圖中位于上方的部分導(dǎo)線，背對著旋轉(zhuǎn)磁場的部分則由于軟鐵性材料的磁屏蔽作用而感受不到磁力線，被屏蔽了旋轉(zhuǎn)磁場，即圖中位于下方的部分導(dǎo)線將不會被旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割。磁鐵12旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割上方部分導(dǎo)線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，下方的導(dǎo)線感受