CN103312051A - 一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统及方法，系统包括发射端工频交流电源、发射端铁磁谐振器原边线圈、发射端谐振电容、接收端铁磁谐振器副边线圈、接收端谐振电容和接收端负载，发射端铁磁谐振器原边线圈和接收端铁磁谐振器副边线圈耦合连接。方法是：发射端、接收端均利用铁磁材料磁场强度与磁通密度的非线性关系产生铁磁共振或混沌振荡，并通过发射端铁磁谐振器原边线圈和接收端铁磁谐振器副边线圈之间的磁耦合实现谐振同步，从而使谐振能够在全频域内实现，实现无线电能传输。本发明发射端和接收端自激共振或混沌振荡的一致性，从原理上摒除对通信设备的干扰，以达到高效、高功率和远距离无线传输电能的目的。

Description

一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统及方法

技术领域

本发明属于无线电能传输或非接触电能传输应用领域，特别涉及一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统及方法。

背景技术

无线电能传输技术能够克服有线输电方式存在的诸多不足，如需要电线连接、电线接头容易产生接触火花、设备移动灵活性差、环境不美观等，因此该技术在电力、家用电子产品、军事、航空航天、城市电气化交通、工业机器人、工矿企业吊装设备和运输设备、水下作业、高层建筑升降式电梯等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。

目前谐振耦合无线电能传输系统必须利用高频功率源供电，大部分要求MHz以上的射频电源，成本高、功率小，且要求功率源与发射线圈和接收线圈三者始终具有相同的工作频率或固有频率。为此，谐振耦合无线电能传输系统存在以下难以克服的问题：1、需要高频开关电源，电源中需要电力电子开关器件或功率放大器件，从而引入开关损耗降低传输效率；2、环境、负载变化时，功率源、发射线圈和接收线圈工作频率或固有频率会发生不同程度的偏移，出现失谐现象，无法实现高效无线电能传输；3、谐振频率较高，可能会引起对周围通信设备的干扰；4、谐振频率与传输功率、效率、耦合系数关系复杂，难以准确控制；5、谐振频率取决于线圈电感和杂散电容，线圈电感和杂散电容与线圈形状、材料密切相关，计算和测量困难。

为此，如何克服上述困难，提出一种新的无线电能传输系统具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统，该系统具有构造简单、成本低、功率大、效率高、可靠性高的优点。

本发明还提供了一种基于上述系统的利用铁磁谐振实现无线电能传输的方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统，包括发射端工频交流电源、发射端铁磁谐振器原边线圈、发射端谐振电容、接收端铁磁谐振器副边线圈、接收端谐振电容和接收端负载，发射端铁磁谐振器原边线圈和接收端铁磁谐振器副边线圈耦合连接。

优选的，所述发射端工频交流电源为220V、50Hz的工频单相交流电源。从而可以直接用市电作为此系统的电源，减少了高频电源作为输入电源的成本，提高了传输效率。

优选的，所述铁磁绕组发射端和铁磁绕组接收端都由铜线绕铁磁组成，电感值以能与其他元件产生铁磁共振或混沌振荡为准。

一种基于上述系统的利用铁磁谐振实现无线电能传输的方法，发射端电路与接收端电路均利用铁磁材料磁场强度与磁通密度的非线性关系产生铁磁共振或混沌振荡，并通过发射端铁磁谐振器原边线圈和接收端铁磁谐振器副边线圈之间的磁耦合实现谐振同步，从而使谐振能够在全频域内实现，实现强耦合无线电能传输。本发明发射端和接收端自激共振或混沌振荡的一致性，从原理上摒除对通信设备的干扰，以达到高效、高功率和远距离无线传输电能的目的。

具体的，设E为单相交流电源，C₁和C₂分别为发射端和接收端的谐振电容，L₁和L₂分别为发射端和接收端的铁磁谐振绕组线圈，r₁和r₂分别为铁磁绕组L₁和L₂铁芯损耗的等值电阻，设原边磁链为ψ₁，电流为i₁，副边磁链为ψ₂，电流为i₂，铁磁材料磁场强度与磁通密度的非线性关系，折算到电流与磁链的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=a{\mathrm{\ψ}}_1+{\mathrm{b\ψ}}_1^7\\ i_2={\mathrm{a\ψ}}_2+{\mathrm{b\ψ}}_2^7\end{array}\right.;$

根据铁磁材料的特性，上式中a=3.42，b=0.41；

原边绕组方程为： $\frac{d^2{\mathrm{\ψ}}_1}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{1}{r_1{C}_1}\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C_1}({\mathrm{a\ψ}}_1+{\mathrm{b\ψ}}_1^7)-\mathrm{E\ω}\cos 2\mathrm{\π\ωt}=0,$

副边绕组方程为： $\frac{d^2{\mathrm{\ψ}}_2}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{r_2+R}{C_2{r}_{2}R}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C_2}\frac{L_1{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{M\ψ}}_1}{L_1{L}_2-M^2}=0;$

其中M为互感值。从而通过仿真可以得到实际需要的值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明使用工频单相交流电源而无需使用高频开关电源，降低了成本，实现了低频段无线电能传输功能。

2、本发明利用铁磁固有非线性特性自激产生铁磁共振或混沌振荡，无需控制电路。

3、本发明无需电力电子开关器件或其他功率放大器件，从而减少电路损耗，且可靠性高。

4、本发明利用铁磁固有非线性特性的自激共振或混沌振荡，以及通过对应于接收端和发射端的原边和副边线圈磁场的耦合，保证了发射端和接收端始终工作状态一致，实现了无线电能传输的功能。

5、本发明铁磁固有非线性特性的自激共振或混沌的磁场耦合性强，电能传输效率高。

6、本发明铁磁谐振器功率大，电能传输功率大。

7、本发明铁磁谐振器为常规装置，系统构造简单。

附图说明

图1为本发明中铁磁绕组发射端和铁磁绕组接收端的结构示意图。

图2为本发明互感拓扑结构示意图。

图3为实施例1中采用表1数据下系统的三维相图。

图4为实施例1中采用表1数据下负载电压的频谱图。

图5为实施例1中采用表1数据下原边与副边磁链波形图。

图6为实施例1中采用表1数据下原边电压与负载电压波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1和2所示，一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统，包括发射端工频交流电源、发射端铁磁谐振器原边线圈、发射端谐振电容、接收端铁磁谐振器副边线圈、接收端谐振电容和接收端负载，发射端铁磁谐振器原边线圈和接收端铁磁谐振器副边线圈耦合连接。所述发射端工频交流电源为220V、50Hz的工频单相交流电源。所述铁磁绕组发射端和铁磁绕组接收端都由铜线绕铁磁组成，电感值以能与其他元件产生铁磁共振或混沌振荡为准。

设E为单相交流电源，C₁和C₂分别为发射端和接收端的谐振电容，L₁和L₂分别为发射端和接收端的铁磁谐振绕组线圈，r₁和r₂分别为铁磁绕组L₁和L₂铁芯损耗的等值电阻。设原边磁链为ψ₁，电流为i₁，副边磁链为ψ₂，电流为i₂。铁磁材料磁场强度与磁通密度存在着一定的非线性关系，折算到电流与磁链的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=a{\mathrm{\ψ}}_1+{\mathrm{b\ψ}}_1^7\\ i_2={\mathrm{a\ψ}}_2+{\mathrm{b\ψ}}_2^7\end{array}\right.$

根据铁磁材料的特性，上式中a=3.42，b=0.41。原边绕组方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_1}{\mathrm{dt}}+u_{C1}=E\sin 2\mathrm{\π\ωt}\\ C_1\frac{{\mathrm{du}}_{c1}}{\mathrm{dt}}=\frac{E\sin 2\mathrm{\π\ωt}-u_{c1}}{r_1}+i_1\end{array}\right..$

进一步简化可得：

$\frac{d^2{\mathrm{\ψ}}_1}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{1}{r_1{C}_1}\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C_1}({\mathrm{a\ψ}}_1+{\mathrm{b\ψ}}_1^7)-\mathrm{E\ω}\cos 2\mathrm{\π\ωt}=0,$

副边绕组方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_2}{\mathrm{dt}}-u_{C2}=0\\ i_2=-C_2\frac{{\mathrm{du}}_{c2}}{\mathrm{dt}}-\frac{r_2+R}{r_{2}R}\frac{d{\mathrm{\ψ}}_2}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

进一步简化可得：

$\frac{d^2{\mathrm{\ψ}}_2}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{r_2+R}{C_2{r}_{2}R}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C_2}{i}_2=0,$

依据互感模型，两边磁链与电流的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_1=L_1{i}_1+{\mathrm{Mi}}_2\\ {\mathrm{\ψ}}_2=L_2{i}_2+{\mathrm{Mi}}_1\end{array}\right.$

其中M为互感值，则副边电流可表示为：

$i_2=\frac{L_1{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{M\ψ}}_1}{L_1{L}_2-M^2}$

因此，副边表达式可简化为：

$\frac{d^2{\text{\ψ}}_2}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{r_2+R}{C_2{r}_{2}R}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C_2}\frac{L_1{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{M\ψ}}_1}{L_1{L}_2-M^2}=0.$

选择表1所示的系统参数，对此模型进行数值仿真，得到图3、4、5和6所示的系统三维相图、负载电压频谱图、下原边与副边磁链波形图、下原边电压与负载电压波形图。其中图5中的虚线和实线分别表示原边绕组磁链和副边绕组磁链，图6中的虚线和实线分别表示原边绕组电压和副边绕组输出电压。由图3可知，系统已经处于铁磁谐振混沌状态，其频谱为包含多个低频段的连续谱（图4）。另一方面，从图5和图6可知，系统虽然在开始时初值差别很大（图5(b)和图6(b)），但很快原边及副边就已经进入谐振混沌同步状态（图5(c)和图6(c)）。因为原边及副边绕组磁链和电压在进入稳态每时每刻都具有相同的相位及相同的频率，实现了无线电能传输的强耦合。

表1数值仿真用系统参数

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统，其特征在于，包括发射端工频交流电源、发射端铁磁谐振器原边线圈、发射端谐振电容、接收端铁磁谐振器副边线圈、接收端谐振电容和接收端负载，发射端铁磁谐振器原边线圈和接收端铁磁谐振器副边线圈耦合连接。

2.根据权利要求1所述的利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统，其特征在于，所述发射端工频交流电源为220V、50Hz的工频单相交流电源。

3.根据权利要求1所述的利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统，其特征在于，所述铁磁绕组发射端和铁磁绕组接收端都由铜线绕铁磁组成，电感值以能与其他元件产生铁磁共振或混沌振荡为准。

4.一种基于权利要求1所述的系统的利用铁磁谐振实现无线电能传输的方法，其特征在于，发射端电路与接收端电路均利用铁磁材料磁场强度与磁通密度的非线性关系产生铁磁共振或混沌振荡，并通过发射端铁磁谐振器原边线圈和接收端铁磁谐振器副边线圈之间的磁耦合实现谐振同步，从而使谐振能够在全频域内实现，实现强耦合无线电能传输。

5.根据权利要求1所述的利用铁磁谐振实现无线电能传输的方法，其特征在于，设E为单相交流电源，C₁和C₂分别为发射端和接收端的谐振电容，L₁和L₂分别为发射端和接收端的铁磁谐振绕组线圈，r₁和r₂分别为铁磁绕组L₁和L₂铁芯损耗的等值电阻，设原边磁链为ψ₁，电流为i₁，副边磁链为ψ₂，电流为i₂，铁磁材料磁场强度与磁通密度的非线性关系，折算到电流与磁链的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=a{\mathrm{\ψ}}_1+{\mathrm{b\ψ}}_1^7\\ i_2={\mathrm{a\ψ}}_2+{\mathrm{b\ψ}}_2^7\end{array}\right.;$

根据铁磁材料的特性，上式中a=3.42，b=0.41；

原边绕组方程为： $\frac{d^2{\mathrm{\ψ}}_1}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{1}{r_1{C}_1}\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C_1}({\mathrm{a\ψ}}_1+{\mathrm{b\ψ}}_1^7)-\mathrm{E\ω}\cos 2\mathrm{\π\ωt}=0,$

副边绕组方程为： $\frac{d^2{\mathrm{\ψ}}_2}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{r_2+R}{C_2{r}_{2}R}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C_2}\frac{L_1{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{M\ψ}}_1}{L_1{L}_2-M^2}=0;$

其中M为互感值。

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