CN102916499A - 基于耦合模理论的能量耦合验证系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于耦合模理论的能量耦合验证系统，属于无线电能传输与转换范畴，当采用电磁耦合谐振技术实现数米范围内能量的高效传输与转换时，通过本系统可以对电能传输过程进行分析和评价。该装置采用耦合模理论为依据，根据设定的初始振荡条件得出无线电能传输过程的振荡器时域解，从而对传输过程进行定性分析。主要包括有：源线圈S，谐振线圈A1，谐振线圈A2，负载线圈D，示波器。本发明可为数米范围内的负载高效的无线电能传输过程进行准确分析和评价，具有操作简便与高效准确等优点。

Description

基于耦合模理论的能量耦合验证系统

技术领域

无线电能传输技术是目前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，是集基础研究与应用研究为一体的前沿课题，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科强交叉的新的研究领域，涵盖电磁场、电力系统、电力电子技术、控制技术、材料学、物理学、信息技术等诸多技术领域。采用无线供电方式能够有效克服电线连接方式存在的各类缺陷，实现电子电器的自由供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。

本发明——基于耦合模理论的能量耦合验证系统，根据无线电能传输技术原理，按照振荡系统中的耦合模理论，可以求解出不同耦合条件下的能量耦合函数，并与实际耦合情况进行对比，能够准确的分析和评价电磁耦合谐振系统的能量耦合特性，可以广泛应用于电磁耦合谐振系统的定性分析及实际设计的场合。

背景技术

无线电能传输技术大致可分为三种：第一种为感应耦合式电能传输，它利用松耦合变压器原理进行传能，发射端与接收端一般存在降低回路磁阻的铁心装置。第二种为电磁耦合谐振式电能传输，通过高品质因数的谐振器上电感与分布式电容发生谐振传输能量。第三种为电磁辐射式电能传输，在该技术中电能被转换为微波形式，传输距离超过数千米，可实现电能的远程传送。其中电磁耦合谐振技术利用非辐射电磁场近场区域完成电能传输，一方面较之电磁感应式传能，在传输距离上有了很大的扩展；另一方面相比电磁辐射式传能，近场区域能量具有非辐射的特点，该技术有较好的安全性，因此目前得到很大的关注和研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，根据无线电能传输及耦合模理论，对电磁耦合谐振式无线电能传输系统进行求解及实验验证，准确的分析和评价不同耦合条件下电能传输情况。

本发明所采用的技术方案是：基于耦合模理论的能量耦合验证系统，包括有源线圈S将电能通过感应的方式加载到谐振线圈A1，谐振线圈A1通过电磁耦合谐振技术与谐振线圈A2交换能量，然后谐振线圈A2再以感应的方式将能量传送给负载线圈D，示波器负责监控源线圈S与负载线圈D上的波形，根据耦合模理论求解出不同耦合情况下的时域解并与示波器结果进行比较。

所述的源线圈S通过具有一定厚度的单圈低损耗紫铜管表明经过镀银防锈处理后实现，并与负载线圈D对称同轴放置，加载到源线圈S上的电磁功率频率可根据实际情况进行调整，其上联接有示波器以实时监测电压波形从而间接计算出线圈能量。

所述的谐振线圈A1由铜导体绕制成螺旋结构并与源线圈S同轴向放置，螺旋结构的匝数、半径及匝间距根据具体的工作频率确定，负责感应位于源线圈S上的高频能量并建立无功近场。谐振线圈A1的品质因数可以根据要求进行调整。

所述的谐振线圈A2由铜导体绕制成螺旋结构并与谐振线圈A1同轴向对称放置，螺旋结构的匝数、半径及匝间距根据具体的工作频率确定，负责从谐振线圈A1建立的无功近场中吸取能量并传递给负载线圈D。谐振线圈A2的品质因数可以根据要求进行调整。

本发明的基于耦合模理论的能量耦合验证系统，通过源线圈S加载高频电磁功率并以感应的方式传送给谐振线圈A1，能量以电磁耦合谐振的方式传送给谐振线圈A2，然后再通过感应的方式传送给负载线圈D，从而使负载线圈D以无线的方式获得电能，实现数米范围内高效可靠稳定的电力供应，将线圈的具体参数代入耦合模方程组可求出具体的时域解，从而可以与实际系统进行比较分析。

附图说明

图1是电磁耦合谐振系统的整体结构图；

图2是同轴放置耦合线圈的结构图；

图3是不满足谐振频率一致条件时的能量耦合函数图；

图4是不满足耦合速率大于损耗速率条件时的能量耦合函数图；

图5是同时满足两个交换条件时的能量耦合函数图。

其中：

1：源线圈S；2：谐振线圈A1；3：谐振线圈A2；4：负载线圈D；5：示波器；M_S1：反馈电容；M₁₂：交流旁路电容；M_2D：反馈电容；|a₁|²：谐振线圈A1的能量；|a₂|²：谐振线圈A2的能量；|a₁|²+|a₂|²：谐振线圈上蕴含的总能量；P：能量函数；t(ms)：时间函数。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明的基于耦合模理论的能量耦合验证系统做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于耦合模理论的能量耦合验证系统，包括有：包括有源线圈S，谐振线圈A1、谐振线圈A2、负载线圈D与示波器，根据耦合模理论求解出不同耦合情况下的时域解并与示波器结果进行比较。

如图2所示，所述的谐振线圈A1在源线圈S获得高频电磁功率后以电磁感应的方式将能量加载到线圈上，然后再周围形成无功近场。谐振线圈A2与谐振线圈A1结构一致且同轴放置，二者具有一定的品质因数。因此根据电磁耦合写真无线电能传输理论，在一定间距时将发生能量交换，同时使负载线圈D获得能量。能量传输的距离与大小可以通过耦合模理论进行定量计算，并采用示波器配合电流探头进行实际测量。

如图3所示，所述的谐振线圈A2正常工作时，根据耦合模理论，振荡器的振荡规律满足以下方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{da}}_1}{\mathrm{dt}}=j{\mathrm{\ω}}_1{a}_1+{\mathrm{\κ}}_{12}{a}_2\\ \frac{{\mathrm{da}}_2}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\κ}}_{21}{a}_1+{\mathrm{j\ω}}_2{a}_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中a₁，a₂，ω₁，ω₂，κ₁₂与κ₂₁表示谐振线圈A1与A2的振荡模式、角频率与模式耦合因数。给定初始振荡条件：

Γ：t＝0，a₁(t)＝A₁(0)；a₂(t)＝0                (2)

通过积分定理计算可知：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1\left(t\right)=A_1\left(0\right)[\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)+j\frac{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}{2\mathrm{\Ω}}\sin \left(\mathrm{\Ωt}\right)]\·e^{j\frac{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}{2}t}\\ a_2\left(t\right)=A_1\left(0\right){\mathrm{\κ}}_{21}\sin \left(\mathrm{\Ωt}\right)/\mathrm{\Ω}\·e^{j\frac{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}{2}t}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：

$\mathrm{\Ω}=\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}^2/4-{\mathrm{\κ}}_{12}{\mathrm{\κ}}_{21}}---\left(4\right)$

当ω₁≠ω₂时，|a₁|²，|a₂|²与|a₁|²+|a₂|²均按照指数规律衰减，但是|a₁|²与|a₂|²二者幅值相差很大，表明能量只有一小部分发生了交换，对应谐振线圈的工作频率不一致的情况。

如图4所示，所述的谐振线圈A2满足：

|κ₁₂κ₂₁|＞(ω₁ω₂)/(4Q₁Q₂)                    (5)

式中Q₁与Q₂表示谐振线圈的品质因数。此时，|a₁|²与|a₂|²衰减幅值相同，但是|a₁|²，|a₂|²与|a₁|²+|a₂|²均按照指数规律迅速衰减，表明能量理论上能发生完全的交换，但谐振系统损耗严重，对应谐振线圈的品质因数过低的情况。

如图5所示，所述的基于耦合模理论的能量耦合验证系统当满足：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_1={\mathrm{\ω}}_2\\ \left|{\mathrm{\κ}}_{12}{\mathrm{\κ}}_{21}\right|>\left({\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ω}}_2\right)/\left({4Q}_1{Q}_2\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

该式表示，谐振线圈A1与A2的角频率相等，且能量耦合速率远大于能量损耗速率。此时，|a₁|²，|a₂|²与|a₁|²+|a₂|²均按照指数规律缓慢衰减，|a₁|²与|a₂|²衰减幅值相同，表明能量理论上能发生完全的交换且交换的过程能够持续进行。

本发明的基于耦合模理论的能量耦合验证系统，根据无线电能传输技术原理，可以求解出不同耦合条件下的能量耦合函数，并与实际耦合情况进行对比，能够准确的分析和评价电磁耦合谐振系统的能量耦合特性，并且可以对频率及品质因数的影响进行理论分析与实验验证，可以广泛应用于电磁耦合谐振系统的定性分析及实际设计的场合。

Claims (3)

1.基于耦合模理论的能量耦合验证系统，其特征在于包括有新型电磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括有源线圈S将电能通过感应的方式加载到谐振线圈A1，谐振线圈A1通过电磁耦合谐振技术与谐振线圈A2交换能量，然后谐振线圈A2再以感应的方式将能量传送给负载线圈D，示波器负责监控源线圈S与负载线圈D上的波形，根据耦合模理论求解出不同耦合情况下的时域解并与示波器结果进行比较。

2.根据权利要求1所述的基于耦合模理论的能量耦合验证系统，其特征还在于，所述的源线圈S通过具有一定厚度的单圈低损耗紫铜管表明经过镀银防锈处理后实现，并与负载线圈D对称同轴放置，加载到源线圈S上的电磁功率频率可根据实际情况进行调整，其上联接有示波器以实时监测电压波形从而间接计算出线圈能量。

3.根据权利要求1所述的基于耦合模理论的能量耦合验证系统，其特征还在于，所述的谐振线圈A1由铜导体绕制成螺旋结构并与源线圈S同轴向放置。

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