一种能实现全方位多部手机同时无线充电的设备

技术领域

本发明提供了一种可以实现对多部手机同时进行无线充电的充电器设计方案，属于无线电能传输领域，涉及一种三维新型结构线圈，其实现全方位多负载无线电能传输。并基于LCC式谐振电路，从而达到高效率无线电能传输。

背景技术

根据无线功率传输的机理，主要分为电磁辐射、电场耦合和磁耦合谐振三种实现方法。其中，电磁辐射工作频率高，传输效率低；电场耦合传输距离短，难以实现大功率传输；因此，磁感应耦合逐渐成为学术界和工业界的主流研究方向。在磁耦合谐振无线功率传输 (Magnetic-coupling-resonanceWireless-Power-Transmission)中，为了增加传输距离、提高传输效率、实现节能环保和接收端小型化，采用谐振网络，来抵消线圈电感的电抗，尽可能减小功率在电路以及线圈中的损耗，达到最大的传输效率。

目前市场上的手机无线充电器主要是以二维单向线圈作为发射线圈，只能实现在短距离上对单部手机的充电。而目前研究的全方位三维正交无线电能传输装置往往需要多个励磁电源进行复杂的相位和电流控制，从而导致成本的增高以及工作环境的高要求，难以满足日益增长的生产需要。

因此，本发明针对上述问题，满足了低成本、低复杂度的全方位无线功率传输系统的需求，从线圈设计的角度出发，提出了一种单电源全向无线功率传输系统。在实验中表明，发射线圈任意角度的传输功率和传输效率均能满足无线功率传输系统的要求。

发明内容

本发明针对目前高成本高环境要求的线圈，以低成本、低复杂度的全向无线功率传输系统的目的，从线圈设计的角度出发，设计了一种单电源全向无线功率传输系统，可以同时对多部手机进行无线充电。

本发明的技术方案：

一种能实现全方位多部手机同时无线充电的设备，包括发射与接收系统和 LCC谐振系统；

所述的发射与接收系统包括发射线圈1和接收线圈2；其中，发射线圈1是一个用带有绝缘层的铜线圈缠制的三维立体线圈，其外形为正方体或长方体，其中一面为四个正方形构成；

所述LCC谐振系统是主要由发射线圈1、接收线圈2、电容及电感构成；发射线圈1的谐振网络结构：发射线圈1先与第一电容3串联，串联电路与第三电容5并联，并联电路再与第一电感7串联后接入电源9；接收线圈2的谐振网络结构与发射线圈1的谐振网络结构一致；接收线圈2与第二电容4串联，串联电路与第四电容6并联，并联电路再与第二电感8串联后接入负载10；采用LCC谐振电路，发射线圈1与接收线圈2直接传输的电能以电流形式通过LCC 谐振电路，LCC谐振电路保证适当频率的电流流入负载且整个充电器达到能量损耗最低值；

电源9为单一频率电压源，所设频率须与发射线圈1匹配；负载10是电能利用装置。

所述的发射线圈1是一个用带有绝缘层的铜线圈缠制的三维立体线圈，其外形为一正方体或长方体，其中一面为四个正方形构成；以10cm×10cm×10cm 大小的线圈为例，四个侧面是四个边长为10cm的正方形，底面划分为四个边长为5cm的小正方形，顶面四边为侧面正方形边。可选取任意一边作为缠制起点，并一根导线就可完成线圈缠制。

在缠制中空隙位置要求。对于底面四个小正方形直接气隙，其并不严重影响传输距离，用带有绝缘层的铜线圈缠制时尽可能减小底面正方形之间的气隙。对于侧面四个正方形接触边的位置摆放，需要交错排列以减缓对角线上的磁场衰减(见图4俯视图)。在仿真与实验中也证实了交错排列这一结构的优势，能够满足全方位充电的要求。

本发明的有益效果：成本低廉，所用三维发射线圈用铜线缠制，结构简单易做；谐振电路元件为市场常见电容电感，造价低廉。复杂性低，三维发射线圈结构简单；电源为单一频率，而非复杂的相位和电流控制电源，能在更为复杂的环境中工作，适应性强。整个全方位无线电能传输系统操作简单，成本低廉，与现有市场上单一设备单方向无线充电器相比，可以实现全方位多负载无线电能传输，从而实现对多部手机同时进行无线充电，在其它需要无线充电的领域，均具有广阔的应用前景。

附图说明

图1(a)是发射线圈示意图，图1(b)是接收线圈示意图；

图2是LCC谐振网络示意图；

图3是整体装置。

图4是发射线圈的结构示意图，其中，(a)为正视图，(b)为左视图，(c) 为俯视图，(d)为立体图。

图中：1发射线圈；2接收线圈；3第一电容；4第二电容；5第三电容；6 第四电容；7第一电感；8第二电感；9电源；10负载；11发射线圈谐振网络； 12接收线圈谐振网络。

具体实施方式

下面结合附图详述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围不仅仅局限于本实施方式的描述。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护范围之内。

如图2所示为本发明的电路图，包括发射与接收系统中的发射线圈1、接收线圈2、电容、电感、经过计算共同构成了谐振网络。电源9为单一频率电压源，所设功率须与发射线圈1匹配。负载10为电能利用装置。

一种全方位无线电能传输系统的使用方法，步骤如为：按图2所示电路连接，转动接受线圈，在一定距离内能实现全方位无线电能传输。

本发明同时对LCC谐振系统进行进一步的说明，其具体处理步骤如下：

U

将LCC谐振网络的发射和接受线圈进行T等效，以二端口T参数形式得到外特性参数，其中Z表示元件电抗，Z

T

其中A，B，C，D为参数。

因此得到LCC谐振网络输入导纳Y

将输入导纳Y

将输入阻抗Z

其中ω

根据基尔霍夫电压、电流定律得到谐振网络的输入输出电流为

最大传输功率为：

可以看出LCC谐振网络可以实现与负载无关的恒流输出，且输入电流与输出电压保持同相位。

对LCC谐振系统的通频带进一步的说明，其具体处理步骤如下：

对LCC谐振电路，

为简化公式，定义γ为电感之比，

求解得电压源输入电流

当电容电感参数满足谐振条件

根据通频带定义有

通频带值为B

经过计算可以得出，LCC谐振网络与常规SS谐振网络通频带更窄，稳定性也更好，更能满足复杂的工作环境。