采用磁感应和磁共振混合模式耦合的无线充电中继结构的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于无线供电或配电的系统，尤其涉及一种采用磁感应磁共振混合模式耦合的无线充电中继结构。


背景技术：

2.随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的家电设备和消费电子产品、移动通信设备等已得到了广泛普及，然而传统的家用电器依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，采用内置电池的电子设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，因此我们随处能看到为这些电子设备提供电能供给的电线。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，而且产生了安全用电的隐患。所以，随着人们对可以完全无线使用的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点。目前业内公认的无线充电技术主要分为三类，一种是wpc联盟主推的qi标准，另一种是airfuel联盟主推的磁谐振耦合技术，还有一种是电磁辐射式无线输能技术。三种技术中，磁感应技术发展较早，在消费电子领域中已有较成熟的商业化应用。但由于磁感应技术的紧密耦合的特点，目前已公开的用于消费电子设备的磁感应无线充电技术存在传输距离近的缺陷，收发天线垂直距离很近时传输效率较高，但是随着收发天线之间垂直距离的增加，传输效率会出现急剧下降，特别是当收发天线尺寸差异较大时，传输效率下降更明显。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种采用磁感应磁共振混合模式耦合的无线充电中继结构，解决了磁感应无线充电技术存在的传输距离近和近距离传输时发射天线和中继天线之间过耦合的问题。
4.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
5.本实用新型提供一种采用磁感应和磁共振混合模式耦合的无线充电中继结构，所述无线充电中继结构包括用于屏蔽其上下方磁场的磁屏蔽层、与发射天线磁共振耦合的第一中继天线、第二中继天线，与接收天线磁感应耦合的第三中继天线；第一中继天线第二中继天线设置在磁屏蔽层下方，即靠近发射天线的一方，第三中继天线置在磁屏蔽层的上方，即靠近接收天线的一方，第二中继天线设置在第一中继天线内匝的内侧且绕线方向与第一中继天线相反，第一中继天线、第二中继天线与第三中继天线通过中继天线谐振电容串联形成回路。
6.优选的，第一中继天线和第二中继天线贴地设置在磁屏蔽层下表面，第三中继天线贴地设置在磁屏蔽层的上表面。
7.优选的，所述磁屏蔽层为铁氧体片。
8.优选的，所述第一中继天线的最外匝端点与中继天线谐振电容的一端连接，所述第一中继天线最内匝端点与所述第二中继天线最外匝端点连接，所述第二中继天线的最内
匝端点通过铁氧体片上的孔铁氧体片另一侧的第三中继天线一端连接，第三中继天线另一端与中继天线谐振电容的另一端连接。
9.为了增加中继天线的q值及其与接收天线的耦合系数，所述第三中继天线采用多层绕线。
10.优选的，所述第二中继天线与第一中继天线尺寸比为0.2-0.8。
11.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
12.本实用新型的发射天线与中继结构采用磁共振耦合，中继结构与接收天线采用磁感应耦合，将磁共振耦合和磁感应耦合相结合，在收发端充分利用了两种无线充电耦合技术的优势，将磁共振技术传输距离远和水平自由度高的特点引入磁感应技术，实现磁感应技术的远距离无线充电，有效的增加了无线充电的传输距离和传输效率，解决了磁感应无线充电技术存在的传输距离近的问题。本实用新型采用与第一中继天线绕向相反的第二中继天线，解决了引入中继结构后，低距离情况下中继天线与发射天线之间的过耦合的问题，并且位于第一中继天线、第二中继天线和第三中继天线之间的磁屏蔽层能够完全的屏蔽发射天线和第三中继天线、接收天线之间的耦合，同时屏蔽第一中继天线、第二中继天线和接收天线之间的耦合，避免了在发射天线和多个中继天线以及接收天线之间形成多种混合的耦合模式。
附图说明
13.图1为本实施中收发天线和中继天线结构图；
14.图2为本实施例中发射天线和中继天线远距离耦合的磁力线图；
15.图3为本实施例中发射天线和中继天线近距离耦合的磁力线图；
16.图4为本实施例中中继天线结构俯视图；
17.图5为本实施例中中继天线结构仰视图；
18.图6为本实施例中收发天线和中继天线等效电路图；
19.图7为本实施例中收发天线加中继与磁感应收发天线效率对比图。
20.其中，101-发射天线，201-中继结构，301-接收天线，202-铁氧体片，203-第一中继天线，204-第二中继天线，205-第三中继天线，206-铁氧体片上的孔。
具体实施方式
21.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.在对本实施例作说明前，对以下天线几何参数进行说明，如表1所示，表1为本实施例中天线的几何参数。其中tx_l为发射天线101的长度； tx_h为发射天线101的宽度；relay1_r为第一中继天线203的外半径；relay2_r为第二中继天线204的外半径；relay3_r为第三中继天线205的外半径。
23.表1
[0024][0025]
如图1-5所示，本实用新型的无线充电中继结构201包括用于屏蔽其上下方磁场的磁屏蔽层、与发射天线101磁共振耦合的第一中继天线203和第二中继天线204，与接收天线磁感应耦合的第三中继天线205，第一中继天线203和第二中继天线204紧贴地设置在磁屏蔽层下表面，即靠近发射天线101的一面，第三中继天线205紧贴地设置在磁屏蔽层的上表面，即靠近接收天线301的一面，第二中继天线204设置在第一中继天线203最内匝的内侧且绕线方向与第一中继天线相反，第一中继天线203、第二中继天线204与第三中继天线205通过中继天线谐振电容c2串联形成回路。具体来说，所述磁屏蔽层为铁氧体片202；第二中继天线204位于第一中继天线203最内匝的内侧，轴心重合；如图5所示，逆着磁屏蔽层的法向看，第一中继天线203从内到外逆时针绕线，第二中继天线从内到外顺时针绕线，如图4所示，第三中继天线从内到外顺时针绕线；所述第一中继天线203的最外匝端点与中继天线谐振电容c2的一端连接，所述第一中继天线203的最内匝端点与所述第二中继天线204的最外匝端点连接，所述第二中继天线204的最内匝端点通过铁氧体片202上的孔206与铁氧体片202另一侧的第三中继天线205的一端连接，第三中继天线205的另一端与中继天线谐振电容的另一端连接；所述第二中继天线204与第一中继天线203的最佳尺寸比范围为0.2-0.8。
[0026]
本实施例的第二中继天线204、第三中继天线205的轴心与第一中继天线203的轴心重合，第二中继天线204的最外匝位于第一中继天线203最内匝的内侧，在其他实施例中，第二中继天线204、第三中继天线205的位置不仅限于中心与第一中继天线203重合，根据应用场景，第二中继天线204、第三中继天线205的位置可以有一定幅度的偏移，但是第二中继天线204始终保持在第一中继203天线最内匝的范围内。
[0027]
图2为本实施例中发射天线和中继天线远距离耦合的磁力线图，如图2所示，当中继结构离发射天线101较远时，第一中继天线203的磁力线绝大部分都能够穿过发射天线101，由于第一中继天线203和第二中继天线204紧贴于铁氧体片202下方第一中继天线203和第二中继天线204发出的磁力线基本不能穿过铁氧体片202，因此第一中继天线203的磁力线分布于铁氧体片202的下方。由于发射天线101与中继结构之间的距离较远，而第二中继天线204的尺寸较小，因此第二中继天线204发出的磁力线基本不能穿过发射天线101；因为第二中继天线204的磁力线无法穿过发射天线101，因此第二中继天线204的磁力线对第
一中继天线101的磁力线不存在抵消作用。
[0028]
图3为本实施例中发射天线和中继天线近距离耦合的磁力线图，如图3所示，当发射天线101与中继结构的距离较近时，第一中继天线203和第二中继天线204的磁力线都能穿过发射天线101，且第一中继天线203与发射天线101之间的耦合系数远大于第二中继天线204与发射天线101之间的耦合系数，但是由于第二中继天线204与第一中继天线203的绕线方向相反，第一中继天线203与第二中继天线204的磁力线方向也相反，因此第二中继天线204对于第一中继天线203的磁力线具有部分抵消作用，从而降低第一中继天线203与发射天线101之间的耦合系数，达到降低发射天线与中继天线之间低距离时的过耦合的目的。
[0029]
图6为本实施例中收发天线和中继天线等效电路图，如图6所示，包括磁共振耦合部分和磁感应耦合部分。磁共振耦合部分包括发射天线101、发射匹配电容c1、第一中继天线203，第二中继天线204；发射天线101与第一中继天线203、第二中继天线204之间的耦合为磁共振耦合，他们之间的耦合系数为k
12
。磁感应部分包括接收天线、接收匹配电容c3、第三中继天线205；接收天线301和第三中继天线205之间的耦合为磁感应耦合，他们之间的耦合系数为k
2r
。
[0030]
本实施例的无线充电中继结构使用两种无线充电技术，即磁感应无线充电技术和磁共振无线充电技术，磁感应无线充电技术通过高频逆变电路产生高频交流信号，然后通过发射端线圈将高频交流信号转换成磁场，接收端线圈在感应到磁场后产生感应电动势，当连接负载后转化为负载功率，收发线圈之间的磁场是紧密耦合，它要求收发线圈之间的距离很近，随着收发线圈之间的距离增加，收发天线之间的传输效率下降很快；而磁共振无线充电技术利用电抗场中的磁场同频共振来隔空转换能量，发射天线在其周围空间中产生的交变磁场和交变电场在任意时刻都呈正交关系，且在相位上相差π/2因此该电磁场可以储存能量，但合成的电磁波不传输任何能量，当接收天线进入发射天线的耦合区域范围内时，收发天线之间产生同频共振，能量从发射端以磁场的形式耦合到接收端，从而实现能量的空间转换，收发天线之间的耦合属于松散耦合，在最佳耦合距离的时候接收天线能够耦合到最多的能量，即有最多的磁力线穿过接收天线，且在最佳耦合距离上下一定变化范围内收发天线之间的传输效率不会出现大幅的下降。本实施例发射天线101与中继结构采用磁共振耦合，中继结构与接收天线采用磁感应耦合，本实用新型采用磁共振耦合和磁感应耦合相结合的方式，在收发端充分利用了两种无线充电耦合技术的优势，将磁共振技术传输距离远和水平自由度高的特点引入磁感应技术，实现磁感应技术的远距离无线充电，有效的增加了无线充电的传输距离和传输效率，解决了磁感应无线充电技术存在的传输距离近及引用中继结构后中继天线与发射天线之间的过耦合的问题。
[0031]
如图7所示，曲线b是磁感应收发天线的传输效率随收发天线之间的距离变化图，低距离的时候收发天线之间的传输效率很高，随着收发天线之间的传输距离增加，收发天线之间的传输效率出现大幅度下降，在传输距离9cm的时候收发天线之间的传输效率接近于0；曲线a是本实用新型的收发天线之间的传输效率随传输距离变化的效率图，在低距离的时候传输效率较高，随着距离的增加收发天线的传输效率下降并不明显，但是随着收发天线之间的传输距离进一步增加收发天线之间的传输效率下降越来越快，在传输距离9cm的时候收发天线之间的传输效率在65%左右；由以上可知本实用新型能够大幅度的提升磁感应的收发天线之间的耦合距离和传输效率。