本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)電能傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種基于單線(xiàn)電能傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)供電裝置。

背景技術(shù)：

在很多場(chǎng)合，電子器件的供電采用有線(xiàn)供電或電池供電，導(dǎo)致使用不方便甚至不可能實(shí)現(xiàn)。如在智能樓宇中的無(wú)線(xiàn)傳感器大量植入在材料、墻體中，當(dāng)電池耗盡時(shí)無(wú)法更換電池；在野外農(nóng)業(yè)中用于檢測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)傳感器，更換電池要花費(fèi)大量人力物力；在植入式醫(yī)療中植入體內(nèi)的醫(yī)療器件，更換電池可能給人體帶來(lái)痛苦和風(fēng)險(xiǎn)等。無(wú)線(xiàn)供電是解決此問(wèn)題的途徑之一。但現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)設(shè)計(jì)中，存在兩個(gè)問(wèn)題：1)能量發(fā)送線(xiàn)圈和能量接收線(xiàn)圈間的距離很大程度上受到傳輸效率的限制；2)傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)采用雙線(xiàn)供電的模式為平臺(tái)提供電能，其在制造成本和連接方式上與傳統(tǒng)有線(xiàn)供電相同。在實(shí)際應(yīng)用中，如何增大發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈的距離即擴(kuò)大接收端的工作范圍，實(shí)現(xiàn)較高的接收端用電自由度(這里，自由度指接收端在發(fā)射端附近能正常工作的區(qū)域范圍)，以及如何減少系統(tǒng)制造成本是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

基于特斯拉線(xiàn)圈的單線(xiàn)電能傳輸方案，國(guó)內(nèi)外都有不同程度的研究。目前較為普遍的單線(xiàn)電能傳輸方案依靠?jī)蓚€(gè)連接球形或環(huán)形大電容的特斯拉線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)單線(xiàn)電能傳輸。該方案所提出的單線(xiàn)電能傳輸方案?jìng)鬏斁嚯x較短。在傳輸較大功率電能時(shí)，發(fā)射和接收端須有較大的電感值，這往往通過(guò)增大特斯拉線(xiàn)圈體積來(lái)實(shí)現(xiàn)。故傳輸較大功率時(shí)發(fā)射和接收裝置體積過(guò)于龐大。同時(shí)，傳統(tǒng)單線(xiàn)電能傳輸方案中依賴(lài)兩個(gè)等尺寸的特斯拉線(xiàn)圈這使得系統(tǒng)的制作成本較高。在實(shí)際應(yīng)用中，如何增大單線(xiàn)電能傳輸?shù)膫鬏斁嚯x，以及如何降低單線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的制造成本同樣是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有方案的不足，本發(fā)明提出了一種基于單線(xiàn)電能傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)供電裝置。

一種基于單線(xiàn)電能傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)供電裝置，包括交流功率源、平面導(dǎo)體、單根導(dǎo)線(xiàn)和特斯拉線(xiàn)圈；所述的交流功率源的陽(yáng)極通過(guò)單根導(dǎo)線(xiàn)連接平面導(dǎo)體構(gòu)成無(wú)線(xiàn)充電平臺(tái)；其中特斯拉線(xiàn)圈的底端距離平面導(dǎo)體之間的垂直距離小于等于5厘米；特斯拉線(xiàn)圈的底端與平面導(dǎo)體邊緣的水平距離小于等于5厘米；負(fù)載與特斯拉線(xiàn)圈的頂部連接，負(fù)載與特斯拉線(xiàn)圈連接的線(xiàn)圈匝數(shù)占特斯拉線(xiàn)圈總匝數(shù)的1/5；其中交流功率源的頻率等于特斯拉線(xiàn)圈的諧振頻率。

所述的特斯拉線(xiàn)圈的諧振頻率通過(guò)計(jì)算線(xiàn)圈的電感和寄生電容得到，下面給出寄生電容及寄生電感的計(jì)算公式：

特斯拉線(xiàn)圈的寄生電感計(jì)算公式為：

其中

μ為真空中磁導(dǎo)率，n為繞制匝數(shù)，s為螺線(xiàn)管橫截面積，h為螺線(xiàn)管繞制高度，r為螺線(xiàn)管半徑。

特斯拉線(xiàn)圈的寄生電容計(jì)算公式為：

其中h＝n(w+d)，ε0＝8.85×10^-12，w為螺旋線(xiàn)直徑，d為匝間距。

再通過(guò)諧振頻率計(jì)算公式

可計(jì)算出特斯拉線(xiàn)圈的自諧振頻率。

本發(fā)明將單線(xiàn)電能傳輸與無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了較大供電自由度的無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)。發(fā)射端單線(xiàn)供能的模式及只需單個(gè)特斯拉線(xiàn)圈即可完成能量接收的特性，極大的節(jié)約了系統(tǒng)的成本。

附圖說(shuō)明

圖1為接收端細(xì)節(jié)圖，接收端由特斯拉線(xiàn)圈組成，接收端上方連接所需供電負(fù)載；

圖2為接收端與無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)接觸時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為接收端與無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)不接觸時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為接收端與無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)接觸時(shí)系統(tǒng)工作原理圖；

圖5為接收端與無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)不接觸時(shí)系統(tǒng)工作原理圖。

具體實(shí)施方式

如圖1、圖2、圖3所示，一種基于單線(xiàn)電能傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)供電裝置，包括交流功率源、平面導(dǎo)體、單根導(dǎo)線(xiàn)和特斯拉線(xiàn)圈；所述的交流功率源的陽(yáng)極通過(guò)單根導(dǎo)線(xiàn)連接平面導(dǎo)體構(gòu)成無(wú)線(xiàn)充電平臺(tái)；其中特斯拉線(xiàn)圈的底端距離平面導(dǎo)體之間的垂直距離小于等于5厘米；特斯拉線(xiàn)圈的底端與平面導(dǎo)體邊緣的水平距離小于等于5厘米；負(fù)載與特斯拉線(xiàn)圈的頂部連接，負(fù)載與特斯拉線(xiàn)圈連接的線(xiàn)圈匝數(shù)占特斯拉線(xiàn)圈總匝數(shù)的1/5；其中交流功率源的頻率等于特斯拉線(xiàn)圈的諧振頻率。

如圖2是系統(tǒng)接收端底部與平面導(dǎo)體接觸時(shí)的系統(tǒng)模型示意圖。圖3是系統(tǒng)接收端底部與平面導(dǎo)體不接觸時(shí)的系統(tǒng)模型示意圖。兩種工作狀態(tài)下，交流功率源的輸出頻率均設(shè)計(jì)為接收端的諧振頻率。平面導(dǎo)體上方可同時(shí)為多個(gè)負(fù)載供電。

交流功率源ps的陽(yáng)極通過(guò)單根導(dǎo)線(xiàn)，以傳導(dǎo)電流的形式將電流傳導(dǎo)至平面導(dǎo)體。當(dāng)接收端特斯拉線(xiàn)圈底部端點(diǎn)與導(dǎo)體平面接觸時(shí)，傳導(dǎo)電流通過(guò)特斯拉線(xiàn)圈傳導(dǎo)到負(fù)載的一端即圖1中的a端。負(fù)載的另外一端即圖1中b端，經(jīng)過(guò)特斯拉線(xiàn)圈對(duì)地的寄生電容即圖4中c1及c2，傳輸位移電流回到大地即交流功率源的陰極，從而形成完整回路，其工作原理圖如圖4所示。而當(dāng)接收端與導(dǎo)體平面不接觸時(shí)，交流功率源ps的陽(yáng)極同樣通過(guò)單根導(dǎo)線(xiàn)以傳導(dǎo)電流的形式，將電流傳輸?shù)綄?dǎo)體平面。此時(shí)，電流通過(guò)特斯拉線(xiàn)圈與導(dǎo)體平面之間的寄生電容即圖5中的c3，傳輸位移電流到負(fù)載的a端，負(fù)載b端同樣經(jīng)特斯拉線(xiàn)圈對(duì)地的寄生電容即圖5中c1，c2，傳輸位移電流回到大地,形成完整回路，其工作原理圖如圖5所示。交流功率源與平臺(tái)之間單線(xiàn)連接，單根導(dǎo)線(xiàn)電阻較小故傳導(dǎo)電流在導(dǎo)線(xiàn)上的損耗較小，與有線(xiàn)電能傳輸在傳輸距離上類(lèi)似其傳輸距離足夠滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需要。同時(shí)，單根導(dǎo)線(xiàn)傳輸電能的方式在成本上要遠(yuǎn)低于有線(xiàn)電能傳輸。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：以單根導(dǎo)線(xiàn)連接無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)的方式，實(shí)現(xiàn)單線(xiàn)電能傳輸與無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)的高效結(jié)合。系統(tǒng)接收端特斯拉線(xiàn)圈在接收端諧振頻率點(diǎn)處以電容耦合的方式使系統(tǒng)形成電流回路。

本發(fā)明中所提出的單線(xiàn)傳輸系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵是使交流功率源的頻率等于螺旋線(xiàn)圈的諧振頻率。諧振頻率的獲得可通過(guò)計(jì)算線(xiàn)圈的電感和寄生電容得到，下面給出寄生電容及寄生電感的計(jì)算公式：

特斯拉線(xiàn)圈的寄生電感計(jì)算公式為：

其中

μ為真空中磁導(dǎo)率，n為繞制匝數(shù)，s為螺線(xiàn)管橫截面積，h為螺線(xiàn)管繞制高度，r為螺線(xiàn)管半徑。

特斯拉線(xiàn)圈的寄生電容計(jì)算公式為：

其中h＝n(w+d)，ε0＝8.85×10^-12，w為螺旋線(xiàn)直徑，d為匝間距。

再通過(guò)諧振頻率計(jì)算公式

可計(jì)算出特斯拉線(xiàn)圈的自諧振頻率。

以下結(jié)合附圖4、附圖5和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：

以直徑為0.71mm的漆包線(xiàn)繞制的接收端為例。該接收端緊密纏繞在直徑為7cm，高度為24cm的絕緣空心圓柱上，繞制匝數(shù)為280匝。最終形成如圖3所示特斯拉線(xiàn)圈。線(xiàn)圈成形后，經(jīng)由寄生電感及寄生電容計(jì)算公式算出該接收端寄生電感值為l＝1.27mh，寄生電容值為c＝4.045pf。由諧振頻率計(jì)算公式可計(jì)算出接收端的諧振頻率為2.22mhz。

能量發(fā)送端包括一個(gè)信號(hào)源及一個(gè)功率放大模塊。信號(hào)源為一個(gè)最大輸出頻率為80mhz，最大輸出電壓峰值為10v的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(tektronixafg3053c)。功率放大模塊為一個(gè)最大輸出功率為20w，最大輸出頻率為10mhz的功率放大器。信號(hào)源輸出設(shè)置為2.22mhz的正弦波，經(jīng)由功率放大器放大后單線(xiàn)連接方形鋁箔(導(dǎo)體平面)。測(cè)試時(shí)單根導(dǎo)線(xiàn)取長(zhǎng)度為15.6m，直徑為0.71mm的漆包線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)驗(yàn)證單線(xiàn)傳輸距離(由于場(chǎng)地限制未做更長(zhǎng)距離的測(cè)試)。系統(tǒng)連接完畢后，將接有15瓦功率小燈泡的接收端與無(wú)線(xiàn)供電平臺(tái)接觸，15瓦小燈泡正常工作。接著將該接收端絕緣架空于平臺(tái)正上方5cm處，15w的燈泡依舊正常工作。經(jīng)測(cè)試兩種模式(接收端與平臺(tái)接觸以及接收端與平臺(tái)不接觸)下系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)多負(fù)載功能。

可見(jiàn)，本發(fā)明所述方法能夠?yàn)榻邮斩颂峁┹^高能量接收自由度及能量接收效率，同時(shí)平臺(tái)單線(xiàn)供能的方案既節(jié)省了系統(tǒng)制作成本又增大了單線(xiàn)電能傳輸?shù)膫鬏斁嚯x。