一种新型的无线电源解决方案及相关装置

摘要

本发明涉及电气设备及电气工程领域，具体是一种关于无线电源技术的新型解决方案以及相关装置。该装置主要由平面插座系统及适配插头两大部分构成，平面插座系统主要部件有金属触点阵列(12)，检测电路，开关控制电路，以及安全电路组成，插座系统通过电源总线(13)连接在市电上。适配插头主要部件由金属引脚，标示电路组成。当把适配插头自然放置在插座系统表面，适配插头金属引脚与插座系统金属触点阵列(12)紧密接触，插座系统便能根据特定的电路迅速识别金属引脚的极性和位置，并通过金属触点阵列使对应的金属引脚接入到相应的火线、零线、地线上，从而实现电气设备与电源之间的无导线供电连接。该装置具有的优点是：方便、安全、快速、无电弧产生。

说明书

技术领域：

本发明涉及电气设备及电气工程领域，是一种关于无线电源技术的新型解决方案及装置系统。

背景技术：

绝大部分电器，尤其是家用电器工作时，部需要通过导线连接来实现持续地电能传输，尽管一些诸如 小型便携式电子设备自身拥有储电部件，可供设备正常工作一段时间，但是仍然需要定期对其充电。而在 一些实际应用中，繁琐的导线连接非常不方便，且不美观，因此无线电源技术得到重视。

之前的方案主要有三种：电磁波方案、电磁感应(磁耦合)方案及非辐射性谐振磁耦合方案。虽然在 基于电磁或电磁波的无线电源技术取得了一些进展，但是其在安全性方面具有很大的不确定因素，仍需要 评估验证，同时也不可避免地存在效率低、功率偏小、串扰问题，屏蔽问题等固有劣势。而且，在电器设 备内部安装特定的电能接受装置会增加很大的技术难度和额外的成本。

正因为以上的因素，目前，尚不存在安全、高效率、高功率的无线电源传输的具体实施。

发明内容：

为了解决目前无线电源技术存在的问题，必须通过其他新型的解决方案。事实上，对于绝大多数家用 电器设备，如台灯、电扇等，并不像便携式设备那样“移动式”工作，而是需要被放置在一个固定的平台 (如桌面)上工作。如果该平台既能充当电器工作时的支撑面，又可充当电源为其供电，便能很好的实现 无导线供电。

本发明提供一种关于无线电源技术的全新解决方案及其二维二维平面插座装置系统。该装置主要由二 维平面插座系统及适配插头两大部分构成，二维平面插座系统主要部件有金属触点阵列(2)，引脚辨识电 路，开关控制电路，以及安全电路组成，插座系统通过导线(4)连接在市电上。适配插头主要部件由金 属引脚L、E、N(对于三相电，有三根火线，仍用一个字母L表示)和标示电路组成。当把适配插头自然 放置在插座系统表面，适配插头金属引脚与插座系统金属触点阵列紧密接触，通过特定的电路作用，系统 能够根据与插座引脚接触的各触点位置、触点之间的相互方位关系以及触点接收到的不同测试信号，判断 与触点接触引脚的位置和极性，并通过金属触点阵列使相应的金属引脚接入到相应的火线零线地线，实现 电气设备与电源之间的无导线供电。

根据国标，接插件初始接触电阻不应大于15mΩ。

根据公式

R_j＝k/(F×m)

式中R_j——接触电阻(Ω)

F——接触压力(N)，在本实施例中，F取1N

m——与触头接触形式有关的常数，面接触m＝1，在本实施例中，为面接触，m＝1

k——与接触材料、接触面加工方法、接触面状况有关的常数，在本实施例为例，金属触点阵 列材料为铝，插头触点材料为铜，铝-铜的k值为0.98×10^-3

经计算R_j＝0.98mΩ＜＜15mΩ，在实际应用中，由于电器本身的重力影响，接触压力F远大于1N， 且可通过选择更佳的材料来加工触点，接触电阻会进一步减小。

通过以上分析，该方案可行，且优于标准要求，事实上该装置还具有的优点是：方便、安全、快速、 无电弧产生。

附图说明：

图1是插座系统外形及总体结构

图2是插座系统单个触点结构细节示意图

图3是插头系统外形及结构

图4是其中一个实施例工作原理电路图

图5是另外一个实施例工作原理电路图

图6是插座触点在坐标系中的方位关系

图7是插座触点阵列几何排列及其与插头引脚之间的几何连接示意图

图8是信息显示及安全报警功能框图

所述附图只是示意性表示，并非旨在描写本发明的特定参数，所述附图仅旨在描绘本发明的典型实施 例，且因此不应视为限制本发明的范围。类似编号表示类似要素。

具体实施方法：

下面对照附图对本发明作进一步描述。

结合附图1，附图2，附图3详细阐述本发明的装置结构及其主要部件。

附图1显示的是二维平面插座的整体结构，其主要由塑料基座(11)，按一定规律排列的金属触点阵 列(12)，电源总线(13)，显示屏幕(14)组成，插座通过电源总线连接到市电。

附图2显示的是插座系统重要部件金属触点阵列单个触点的详细结构图，其主要由顶部的触面(21)， 和下部的干簧管开关(22)构成，方波信号输出线(23)通过磁开关连接到触头，检测信号输入线(24) 直接连接在触头，供电器工作的电源线(25)直接连接到触点。

附图3显示的是插头系统的整体结构，其主要由塑料壳体(31)，导电永磁体触头(O)，该触头磁性 大小应满足条件：当该磁头与某个触点完全接触时，刚好能触发该触点所在的干簧管开关导通时所具有的 磁性，实际应用中，磁性稍大。金属触点引脚(L、N、E)应用弹簧组(32)固定，以使引脚具有弹性， 工作时能更好的紧贴插座表面。

根据附图4，附图5，附图6，详细阐述本发明的工作原理及方案实现。

附图4是该装置其中一个实施例的工作原理电路图。该电路由集合在插头内部的标示电路①，集合在 插座内部的引脚辨识电路②和集合在插座内部的开关电路③组成。

标示电路①由引脚触点、电阻、电容、二极管组成，O引脚代表磁触头，L、N、E引脚分别代表火线、 零线和地线，对于三相电，有三根火线，仍用一个字母L表示。电器负载串联在L、N引脚之间，E引脚 连接到电器外壳。磁触头O分别通过电阻R1、R2、R3和二极管D1、D2、D3串联之后分别连接到L、E、 N引脚，其中D1、D2为正向连接，D3反向连接。当O输入一个正电位，L、N引脚输出相同的正电位， OE之间反向截止，引脚E不输出电位；当O输入一个负电位，OL、ON之间截止，L、N引脚不输出电 位，引脚E输出一个负电位。电容C1一端连接在电阻R1与二极管D1节点处，另一端连接到引脚E，电 容C2一端连接在电阻R2与二极管D2节点处，另一端连接到引脚E，同R1、R2一起，构成RC滤波电 路，同可实现滤去工频交流电噪声信号的功能。

引脚辨识电路②由正负双极性方波信号输出线、干簧管开关、电容、电阻、连接在金属触点阵列每个 触点的信号输入线、双电源运算放大器、二极管、非门、行列地址点阵、寄存器/数据选择器单元、行列 编码器，以及单片机组成。O’、L’、N’、E’分别代表与插头触点O、L、N、E相接触的某四个触点(对 于三相电，有三根火线，仍用一个字母L表示)。方波信号输出线通过干簧管开关分别连接到每一个金属 触点阵列上的触点，每个触点分别串联一个大电阻，连接到双电源运算放大器输入端，同时在运放每个输 入引脚处串联一个大电容并接地，可构成RC滤波电路，可以滤去电器工作时，工频交流电噪声。运算放 大器每个输出引脚通过两条并联支路连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，其中一条支路通过一个二 极管正向连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，并在二极管负极通过一个电容接地线，起到平滑信号 脉冲的作用；另一条支路由反向连接的二极管、上拉电阻和非门构成，非门输入端连接在上拉电阻分压处， 非门输出端连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，应用该并联支路，可以实现检测输入的负电位信号， 但输入寄存器的信号端口增加一倍。寄存器/数据选择器单元输出端通过二极管接在特定的行列地址点阵 的节点上，行列地址点阵对应的行线或列线分别连接到相应的行或列编码器输入端，编码器输出端连接到 单片机数据输入端。

开关控制电路③由单片机、译码器单元、带累减功能的累加寄存器、与门及无触点双向可控硅开关组 成。单片机信号输出端连接到译码器输入端，译码器输出端连接到累加寄存器输入端，累加寄存器每三个 输出端口连接在同一个控制组，分别控制某个触点与火线、零线、地线的连接，每个控制组由三个无触点 双向可控硅开关及一个与门组成，以L’触点所在的控制组为例，该控制组由T21、T22、T23所构成，其 中一个可控硅开关T21第一阳极连接在电源火线上，第二阳极连接在L’触点上，T21控制极连接在与门 输出端，与门第一个输入端连接连接在累加寄存器输出端，与门第二个输入端连接在L’正信号输输出端。

附图5是该装置另外一个实施例的工作原理电路图。该电路由集合在插头内部的标示电路①，集合在 插座内部的引脚辨识电路②和集合在插座内部的开关电路③组成。该附图中电路的引脚辨识电路②寄存器 单元使用移位寄存器，移位寄存器的输出端不通过行列地址点阵，而是直接连接在单片机数据输入端，附 图6所示的电路中的所有其他部分均与附图5一样。

综合附图1～6详细阐述本装置的工作原理，整个系统工作过程包括三个步骤：引脚辨识、开关动作、 电器移除。

引脚辨识：当把插头放置在插座表面，插头上的触头O和触点(L、N、E)与插座表面触点阵列紧密 接触，磁性磁头触发阵列上相应的触点的干簧管开关导通，正负双极性方波信号通过标示电路，输入到对 应的L’N’E’引脚，L’、N’触点只接收正信号脉冲，E’触点只接收负信号脉冲。各触点接收的信 号经过双电源运算放大器进行放大，连接到一个并联支路，分离出该信号输入线接收的正负脉冲信号。经 过分离的正负信号端口个数增加一倍，然后通过行列地址点阵或移位寄存器，把各触点接收到的测试信号 输入单片机，单片机根据与插座引脚接触的触点位置、触点之间的相互方位关系以及触点接收的测试信号 情况，判断与触点接触引脚的位置和极性。具体引脚极性及位置判断方法如下，根据只有E’触点只能接 收到负脉冲信号，可直接判断出与E’触电相接触的E引脚；进一步，由于只能接收正脉冲信号的触点有 两个，即L’、N’，但可根据O’、E’、L’、N’触点之间的方位关系确定这两个引脚，其中O’触 点处在E’、L’、N’触点中心位置，如附图6中所示，以O’为圆心，L’、N’、E’为圆周上的点， 可规定从E’触点开始，沿圆周逆时针遇到的第一个点为N’点，第二个点为L’点，从而判断出与触点 接触的引脚极性；对于三相电来讲，只能接收正脉冲信号的触点有四个，即L1’、L2’、L3’、N’，同 样以O’为圆心，L’、N’、E’为圆周上的点，可规定从E’触点开始，沿圆周逆时针遇到的第一个点 为N’点，第二个点为L1’点，第三个点为L2’点，第四个点为L3’点，从而判断出与触点接触的引脚 极性。

开关动作：单片机处理把控制信号输入到译码器，译码器进一步把信号输入到累加寄存器，控制相应 的无触点开关导通，即完成电源开启的过程。

电器移除：当把工作电器从插座表面移除，插头上的磁性磁头首先离开插座表面，对应的干簧管开关 关闭，连接在正信号输入端的与门的一个输入端电位降为0，进而与门输出端电位为0，无触点开关立即 断开，插座停止对该插头供电，进一步，单片机在一定时间内扫描不到该输入信号，控制译码器和累加器， 累加寄存器减去相应的信号输出，完成整个电器移除过程。

附图7显示的是插座触点阵列几何排列及其与插头引脚之间的几何连接示意图。为了防止由于电器发 生移动或转动时，导致的触点阵列短接短路危险，触点之间的几何尺寸、几何排列及几何连接需满足一定 条件：

保证触头O至少完全同一个触点接触，

保证引脚触点在径向至少同一个触点完全接触，

D₃＞d保证当插头发生移动时，绝缘区域具有足够大尺寸，防止引脚发生短接，

D₄＞d保证当插头发生转动时，绝缘区域具有足够大尺寸，防止引脚发生短接。满足以上条件， 电器及该装置才能正常稳定工作。

附图8显示的是信息显示及安全报警功能框图。

该功能模块一方面能够显示在该系统平台上工作的电器个数、功率、使用时间等参数信息；另一方面， 还能对如下情形进行报警：

当人或动物接触危险区域，金属、水等导体导致的触点短接短路，或者触点发生漏电，所导致的危险， 均能及时的发出警告，必要时，系统会自动切断装置电源总线。