CN104485755B - 一种基于分形平面线圈的多频谐振无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分形平面线圈的多频谐振无线电能传输系统，包括高频功率变换器和与负载连接的输出电压调节模块，所述高频功率变换器与输出电压调节模块之间连接无线电能传输模块，所述无线电能传输模块包括与高频功率变换器连接的分形平面发射线圈及与分形平面发射线圈对应设置的分形平面接收线圈，所述分形平面接收线圈连接输出电压调节模块。分形平面线圈具有空间体积小、功率密度大和多谐振频率的优点；一个分形平面线圈具有多个谐振频率，可以实现基波能量和高次谐波能量的无线传输，降低了对高频逆变器的要求，并无需外加复杂的补偿网络；本发明可实现能量的高效传输，降低电磁辐射污染和电磁干扰问题。

Description

一种基于分形平面线圈的多频谐振无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术的应用领域，特别是一种基于分形平面线圈的多频谐振无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输技术发展至今已经有100多年历史，但直到最近三十年才得到了实质性的商业和工业的应用。最近，麻省理工学院（MIT）的研究人员利用物理的共振原理成功的在2m距离左右以40%的效率点亮了一个60W的灯泡，该实验成为了无线电能传输技术的一个新突破，实现了中等距离的全方位的无线电能传输，并掀起了全世界无线电能传输研究的热潮。

但是，麻省理工学院研究人员在《Science》上发表文章的实验所用的线圈为空间螺旋铜线圈，这种线圈存在很多缺点，例如体积庞大、难以制作、参数难以控制等，这就限制了这种线圈的应用。

2014年，有学者在《IEEE电力电子会刊》上提出多频感应电能传输（Multi-frequency inductive power transfer）的概念，其利用一种复杂的补偿网络实现全桥谐振逆变器产生的基波和三次谐波能量的无线传输。该补偿网络实现了基波和三次谐波能量的同时放大，但是，这种多频感应电能传输技术的概念性大于其实用性，因为其采用了复杂的补偿网络，而补偿网络本身也存在损耗。因此，其多频感应电能传输系统的设计是一个折中的方法，在某些方面性能的改善是以牺牲其他性能为代价的。

分形天线是在分形几何基础发展起来的，因其具有空间填充性、强定向性和多频段的优点，目前已经在通信领域得到广泛应用。由于分形天线是用来进行通信的，因此其设计与无线电能传输系统有很大差别。为了应用分形天线的优点于无线电能传输系统，有必要对分形天线进行改进，从而使其适用于多频谐振无线电能传输系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于分形平面线圈的多频谐振无线电能传输系统，实现能量的高效传输，并降低电磁辐射污染和电磁干扰。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

一种基于分形平面线圈的多频谐振无线电能传输系统，包括高频功率变换器和与负载连接的输出电压调节模块，所述高频功率变换器与输出电压调节模块之间连接无线电能传输模块，所述无线电能传输模块包括与高频功率变换器连接的分形平面发射线圈及与分形平面发射线圈对应设置的分形平面接收线圈，所述分形平面接收线圈连接输出电压调节模块。

进一步，所述分形平面发射与接收线圈由印制电路板制作，且至少有两个谐振频率点。

进一步，所述分形平面发射线圈与分形平面发射线圈为具有多频特性的分形几何图形，包括Hilbert分形、Peano S分形、Moore分形和R空间填充曲线。

进一步，所述分形平面发射与接收线圈为Hilbert分形平面线圈，其中，Hilbert分形曲线的获取包括：

以l 为一个可填充正方平面的边长，则对于分形迭代次数为n 的Hilbert分形，每根线的长度d 为：

，公式1；

对于一个迭代次数为n 的Hilbert分形曲线，短路的平行线部分总共有：

， 公式2；

同样，剩下的不形成平行线部分的总长度s 为：

，公式3；

则一个线径为b ，长度为d 的平行传输线的特征阻抗为：

，公式4，其中，η 为自由空间的本征阻抗；

则计算的平行传输线两端的纯感性的输入阻抗为：

，公式5；

公式3所定义的长度为s 的直线的自感为：

，公式6；

把公式4代入公式5，通过公式6，则可得到总的电感为

，公式7；

令公式7的总电感等于谐振半波偶极子天线的电感，则可以得到Hilbert分形无线主谐振频率的条件为：

，公式8；

通常偶极子天线在臂长为四分之一波长的倍数的时候发生谐振，因此，修改公式8的得到Hilbert分形曲线的主谐振频率为：

公式9，其中，k 为奇整数，由公式9即可得到Hilbert分形曲线。

本发明的有益效果是：

本发明采用一种基于分形平面线圈的多频谐振无线电能传输系统，分形平面线圈具有空间体积小、功率密度大和多谐振频率的优点；一个分形平面线圈具有多个谐振频率，可以实现基波能量和高次谐波能量的无线传输，降低了对高频逆变器的要求，并无需外加复杂的补偿网络；本发明可实现能量的高效传输，降低电磁辐射污染和电磁干扰问题。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明所述系统的结构连接示意图；

图2是本发明双频谐振无线电能传输系统的等效电路图；

图3是本发明分形迭代次数为1 的Hilbert分形平面线圈示意图；

图4是本发明分形迭代次数为2 的Hilbert分形平面线圈示意图；

图5是本发明分形迭代次数为3 的Hilbert分形平面线圈示意图；

图6是本发明分形迭代次数为4 的Hilbert分形平面线圈示意图；

图7是本发明分形迭代次数为3的Hilbert分形平面线圈的构成的解释图。

具体实施方式

参照图1所示，本发明的一种基于分形平面线圈的多频谐振无线电能传输系统，包括高频功率变换器和与负载连接的输出电压调节模块，所述高频功率变换器与输出电压调节模块之间连接无线电能传输模块，所述无线电能传输模块包括与高频功率变换器连接的分形平面发射线圈及与分形平面发射线圈对应设置的分形平面接收线圈，所述分形平面接收线圈连接输出电压调节模块。

所述分形平面线圈（分形平面发射线圈和分形平面接收线圈）可以由印制电路板制作而成，具有体积小、功率密度大和多谐振频率的优点，可以同时实现基波能量和高次谐振能量的无线传输，完全区别于以往的单谐振频率的无线电能传输系统。

根据电路的叠加原理和傅里叶变换，任何一个非标准的正弦周期函数可以表示成一序列的标准正弦波的叠加。对于本发明所述的多频谐振无线电能传输系统，能量的传输可以表示成基波能量、二次谐波能量、三次谐波能量等高次谐波能量传输的叠加而成。

为了分析方便，参照图2所示，本发明以基波能量和三次谐波能量的双频谐振无线传输系统为例，而三个谐振频率或以上的多频谐振无线电能传输系统可以根据同样的方法得到。参照图2中所示的双频谐振无线电能传输系统的等效电路图，图中，U _in为由高频功率变换器产生的输入电压，且U _in可以分解为基波和三次谐波的叠加；L _P和L _S分别为分形平面发射线圈和分形平面接收线圈的等效电感，本发明忽略线圈的内阻。以ω ₁为基波角频率，ω ₃为三次谐波角频率，I _P和I _S分别为原边和副边电流，同理，I _P,1和I _P,3分别为原边一次谐波和三次谐波电流，I _S,1和I _S,3分别为副边一次谐波和三次谐波电流，M 为互感，R _L为负载电阻，j 为运算算子。异于传统的单频谐振无线电能传输系统，本发明的等效电路可以实现对基波能量和三次谐波能量的同时放大，从而实现高效的无线电能传输。

本发明所述的分形平面线圈包括Hilbert分形、Peano S分形、Moore分形和R空间填充曲线等具有多频特性的分形几何图形，且分形平面线圈至少具有两个谐振频率点。

本发明所述分形平面发射与接收线圈为Hilbert分形平面线圈，其中，图3、图4、图5、图6为分形迭代次数依次为1、2、3和4次的Hilbert分形平面线圈。

所述Hilbert分形曲线的获取包括：

以l 为一个可填充正方平面的边长，则对于分形迭代次数为n 的Hilbert分形，每根线的长度d 为：

，公式1；

对于一个迭代次数为n 的Hilbert分形曲线，短路的平行线部分总共有：

， 公式2；

同样，剩下的不形成平行线部分的总长度s 为：

，公式3；

则一个线径为b ，长度为d 的平行传输线的特征阻抗为：

，公式4，其中，η 为自由空间的本征阻抗；

则计算的平行传输线两端的纯感性的输入阻抗为：

，公式5；

公式3所定义的长度为s 的直线的自感为：

，公式6；

把公式4代入公式5，通过公式6，则可得到总的电感为

，公式7；

令公式7的总电感等于谐振半波偶极子天线的电感，则可以得到Hilbert分形无线主谐振频率的条件为：

，公式8；

通常偶极子天线在臂长为四分之一波长的倍数的时候发生谐振，因此，修改公式8的得到Hilbert分形曲线的主谐振频率为：

公式9，其中，k 为奇整数，由公式9即可得到Hilbert分形曲线。由公式9可知，本发明所述的分形平面线圈的多个主谐振频率。以如下参数为例：l =80mm，分形迭代次数n =3，线径b =1mm，则可得到Hilbert分形平面线圈的谐振频率分别为f ₁=295MHz和f ₃=885MHz，其具体参照图7所示的分形迭代次数为3的Hilbert分形平面线圈的构成的解释图。本发明可同时实现对频率为f ₁和f ₃的能量进行放大，并实现无线电能传输。以上同时验证了图2所示的双频谐振无线电能传输系统的可行性。

本发明中，一个分形平面线圈具有多个谐振频率，可以实现基波能量和高次谐波能量的无线传输，降低了对高频逆变器的要求，并无需外加复杂的补偿网络；本发明同时可实现能量的高效传输，降低电磁辐射污染和电磁干扰问题。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于分形平面线圈的多频谐振无线电能传输系统，包括高频功率变换器和与负载连接的输出电压调节模块，其特征在于，所述高频功率变换器与输出电压调节模块之间连接无线电能传输模块，所述无线电能传输模块包括与高频功率变换器连接的分形平面发射线圈及与分形平面发射线圈对应设置的分形平面接收线圈，所述分形平面接收线圈连接输出电压调节模块。

2.根据权利要求1所述的多频谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述分形平面发射与接收线圈由印制电路板制作，且至少有两个谐振频率点。

3.根据权利要求1所述的多频谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述分形平面发射线圈与分形平面发射线圈为有多频特性的分形几何图形，包括Hilbert分形、Peano S分形、Moore分形和R空间填充曲线。

4.根据权利要求1所述的多频谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述分形平面发射与接收线圈为Hilbert分形平面线圈，其中，Hilbert分形曲线的获取包括：以l为一个可填充正方平面的边长，则对于分形迭代次数为n的Hilbert分形，每根线的长度d为：

对于一个迭代次数为n的Hilbert分形曲线，短路的平行线部分总共有：

m＝4^n-1，公式2；

同样，剩下的不形成平行线部分的总长度s为：

s＝(2^2n-1-1)d，公式3；

则一个线径为b，长度为d的平行传输线的特征阻抗为：

其中，η为自由空间的本征阻抗；

则计算的平行传输线两端的纯感性的输入阻抗为：

其中β为相移常数；

公式3所定义的长度为s的直线的自感为：

μ₀是初始磁导率；

把公式4代入公式5，通过公式6，则可得到总的电感为

令公式7的总电感等于谐振半波偶极子天线的电感，则可以得到Hilbert分形无线主谐振频率的条件为：

λ是谐振波长；

通常偶极子天线在臂长为四分之一波长的倍数的时候发生谐振，因此，修改公式8的得到Hilbert分形曲线的主谐振频率为：

其中，k为奇整数，由公式9即可得到Hilbert分形曲线。