CN107546868A - 一种用于长距离接力无线电能传输的抑制交叉耦合的复合哑铃线圈 - Google Patents
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Abstract
一种用于长距离接力无线电能传输的抑制交叉耦合的复合哑铃线圈，由两个共面且具有相同规格的圆形或方形线圈用导线正接或反接而成。利用哑铃型线圈构成多中继长距离接力无线电能传输系统，包括：高频逆变源、发射谐振器、中继谐振器、接收谐振器。本发明结构简单，易于扩充，可靠性高，通过提高复合线圈的距离来提高系统的传输距离，保持传输效率不变。该结构可以应用在家庭、办公室、公共场所，与墙壁、地板、家具等共形，不额外占用空间，还可以作为充电公路等轨道式无线电能传输系统的重要组成部分，给电动汽车和工厂机器人供电。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输系统设计领域。
背景技术
随着智能设备的发展，无线电能传输系统对传输距离和传输效率的要求越来越高。文献“Park B C,Lee J H.Adaptive impedance matching of wireless powertransmission using multi-loop feed with single operating frequency[J].IEEETransactions on Antennas and Propagation,2014,62(5):2851-2856.”和文献“Park J,Tak Y,Kim Y,et al.Investigation of adaptive matching methods for near-fieldwireless power transfer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(5):1769-1773.”中提到在传统的单源-单负载系统中利用阻抗匹配、频率跟踪等方法在近距离中使传输效率和功率有了提高但是单源-单负载系统的传输距离仍然是无线电能传输的一个关键的限制条件，当传输距离增大时，传输效率以指数形式衰减。为了提高传输距离，在文献“Syms R R A,Shamonina E,Kalinin V,et al.A theory ofmetamaterials based on periodically loaded transmission lines:Interactionbetween magneto inductive and electromagnetic waves[J].Journal of AppliedPhysics,2005,97(6):064909.”中提出一种应用于WPT系统中的超材料，但会增加无线电能传输的成本，不利于无线电能传输系统的应用。引入中继线圈的目的在于提高当接收线圈和发射线圈之间的距离增加时的最大传输功率，因此在实际应用中，中继线圈可以同时解决系统的传输距离和传输效率。文献“Zhong W,Lee C K,Hui S Y R.General analysis onthe use of Tesla's resonators in domino forms for wireless power transfer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(1):261-270”中提出多米诺结构的无线电能传输系统，该系统在谐振频率为500kHz，并且在提高传输距离的同时提高了传输效率，然而该系统没有考虑非相邻线圈之间的交叉耦合。文献“Lee C K,Zhong W X,Hui S Y R.Effects of magnetic coupling of nonadjacent resonators on wirelesspower domino-resonator systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(4):1905-1916”提到这种交叉耦合将会影响系统的传输效率，并导致系统频率漂移。在多中继系统中也可以利用中继线圈的不同位置来改变交叉耦合的影响，以提高系统的整体传输效率，但这种结构会使系统的空间占有率很大，而且不能完全消除交叉耦合。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于长距离接力无线电能传输的抑制交叉耦合的复合哑铃线圈，以解决当多中继应用在长距离接力无线能量传输系统中的非相邻线圈之间的交叉耦合影响系统的传输效率并使系统的最佳工作频率发生漂移。
本发明所述的一种用于长距离接力无线电能传输的抑制交叉耦合的复合哑铃线圈，由两个共面且具有相同规格的圆形或方形线圈(子线圈)La、Lb用导线正接或反接而成。正接或反接的复合哑铃线圈的电感值可以由如下公式计算得出：
正接：L＝La+Lb-2Mab
反接：L＝La+Lb+2Mab
其中，La、Lb分别为两个具相同规格的圆形或方形子线圈的电感，Mab为两个子线圈之间的互感，由纽曼公式可以近似得出：其中，ra、rb为两个子线圈的半径，d为两个子线圈之间的圆心距，且d＞＞ra，μ0为真空的磁导率，且μ0＝4π×10-7H/m。
当哑铃型线圈圆形线圈单元之间的距离d增大到一定距离时，哑铃型正接和反接线圈可以获得较大的直接耦合，并且在多谐振器系统中可以抑制非相邻线圈之间的交叉耦合。
利用哑铃型线圈构成多中继长距离接力无线电能传输系统，构建无线传输系统包括：高频逆变源、发射谐振器、中继谐振器、接收谐振器，其中，高频逆变源和源发射谐振器相连，源发射器由发射线圈和调谐电容串联构成，中继谐振器由哑铃型线圈和调谐电容串联组成，接收器由接收线圈、调谐电容串联组成。发射线圈和接收线圈为普通圆形线圈或方形线圈。
本发明结构简单，易于扩充，可靠性高，通过提高复合线圈的距离来提高系统的传输距离，保持传输效率不变。该结构可以应用在家庭、办公室、公共场所，与墙壁、地板、家具等共形，不额外占用空间，还可以作为充电公路等轨道式无线电能传输系统的重要组成部分，给电动汽车和工厂机器人供电。
附图说明
图1为本发明用两个相同规格、共面的圆形线圈构成正接的哑铃型线圈的示意图。其中M12为两个线圈之间的互感，d12为两个复合线圈之间圆心的距离，L1、L2为俩个相同规格的线圈。
图2为本发明用两个相同规格、共面的圆形线圈构成反接的复合哑铃型线圈的示意图。其中M34为两个线圈之间的互感，d34为两个复合线圈之间圆心的距离，L3、L4为俩个相同规格的线圈。
图3是以图1中的正接哑铃型线圈应用于实施例无线电能传输系统的中继示意图。其中M3为相邻线圈之间的互感，M4为非相邻线圈之间的互感，21为图1中正接型哑铃型线圈。
图4是以图2中的反接哑铃型线圈应用于实施例无线电能传输系统的中继示意图。其中M1为相邻线圈之间的互感，M2为非相邻线圈之间的互感，31为图2中反接型哑铃型线圈。
图5是以图3的中继系统模型，当图1中的d12从2m到4m变化时，相邻正接哑铃型线圈之间的电感值和非相邻正接哑铃线圈之间的电感值的曲线图。
图6是以图4的中继系统模型，当图2中的d34从2m到4m变化时，相邻正接哑铃型线圈之间的电感值和非相邻正接哑铃线圈之间的电感值的曲线图。
图7是本发明以正接哑铃型线圈作为组件的无线电能传输中继端示意图。
图8是以哑铃型线圈应用于实施例n谐振器的无线电能传输的系统模型，在空间排列以阶梯型应用于长距离接力无线电能传输系统的示意图。其中，1、5为哑铃线圈中的复合线圈用于系统的发射端、接收端，2、3、4…n为图7所示的中继端，n既可以为正接，也可以为反接，M13为发射线圈和中继线圈之间的交叉耦合耦合，M24为哑铃线圈之间的交叉耦合。
图9是本发明以实施例五谐振器，交流电源峰值为14V，负载电阻为20Ω，频率(kHz)—电压幅度(V)、系统传输效率(％)曲线图，其中η为效率曲线，V为电压曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的作进一步说明。图1、图2所示，哑铃型正接和反接线圈由两个相同规格的圆形或者方形线圈的电感值可以根据以下串联电感计算公式得到。
正接：L＝L1+L-2M12
反接：L＝L3+L4+2M34
以图1的哑铃型正接线圈为例，互感值M12与相同规格的线圈L1、L2的形状、尺寸、相对位置和周围介质有关，且与线圈之间的相对圆心距d12反相关，当此距离增大到某个距离时，哑铃线圈中两个线圈之间的互感值M12接近于零。
在实际应用中为了节约空间，将正接、反接哑铃型线圈在空间呈现阶梯形，如图3、4，图5、6给出了将三个正接和反接哑铃线圈半径为1m、匝数为1圈，阶梯放置在空间平面内，相邻线圈的互感和非相邻线圈的互感值的仿真结果。结果表明在哑铃正接线圈之间的距离如图1的d12在2m～4m变化时，相邻线圈的互感值M3变化范围趋于平稳，非相邻线圈的互感M4急剧下降并在d12>4m时降为0，且相邻线圈的互感值M3远远大于非相邻线圈的互感值M4；哑铃反接线圈之间的距离如图2的d34在2m～4m变化时，相邻线圈的互感值M1变化范围趋于平稳，非相邻线圈的互感M2急剧下降并在d34>4m时降为0，且相邻线圈的互感值M3远远大于非相邻线圈的互感值M4。当复合线圈的圆心距在短距离时，哑铃型正接线圈的直接耦合大于哑铃型反接线圈的直接耦合，当复合线圈的圆形距离增加到某个距离时哑铃型反接线圈的直接耦合将大于哑铃型正接线圈，在实际应用中可以根据传输距离来选择正接或者反接型哑铃型线圈。
在实际应用中，如图7所示，哑铃型线圈通过于复合线圈相同材质的导线，并连接调谐电容，为哑铃中继端。图8中的1为图1中的普通圆形线圈L1、L2，通过引线和调谐电容以及逆变电源相串联，构成长距离无线电能传输的发射端，发射谐振器与接收谐振器空间排列在同一平面，发射谐振器与接收谐振器分别于哑铃谐振器的一个复合线圈同轴，为了节约空间使哑铃型中继端在应用在长距离接力无线电能传输系统时空间排列呈现阶梯状。图9所示，以实施例五谐振器在工作频率80kHz～100kHz范围内进行实验仿真，其中交流逆变源峰值为14V、负载电阻为20Ω，发射哑铃线圈、中继哑铃线圈和接收线圈电感值均为101.7μH，调谐电容为30.78nF，寄生电阻为0.4Ω，谐振频率为90kHz。仿真结果表明，当工作频率在谐振频率90kHz处时，系统的传输效率达到最大值70％，负载的电压幅值为4.955V。因此哑铃型线圈构成的多中继长距离接力无线电能传输系统可以有效的抑制交叉耦合，抑制系统的频率漂移。
哑铃型线圈应用在多中继长距离接力无线能量传输系统中，具有结构简单、制作方便的优点。该结构可以应用在家庭、办公室、公共场所，与墙壁、地板、家具等共形，不额外占用空间，还可以作为充电公路等轨道式无线电能传输系统的重要组成部分，给电动汽车和工厂机器人供电。
Claims (1)
1.一种用于长距离接力无线电能传输的抑制交叉耦合的复合哑铃线圈，其特征是由两个共面且具有相同规格的圆形或方形线圈用导线正接或反接而成，正接或反接的复合哑铃线圈的电感值由如下公式计算得出：
正接：L＝La+Lb-2Mab
反接：L＝La+Lb+2Mab
其中，La、Lb分别为两个具相同规格的圆形或方形子线圈的电感，Mab为两个子线圈之间的互感，由纽曼公式得出：其中，ra、rb为两个子线圈的半径，d为两个子线圈之间的圆心距，且d＞＞ra，μ0为真空的磁导率，且μ0＝4π×10-7H/m。
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| TW201330442A (zh) * | 2012-01-02 | 2013-07-16 | Primax Electronics Ltd | 無線充電傳輸裝置 |
| CN104753107A (zh) * | 2013-12-30 | 2015-07-01 | 致伸科技股份有限公司 | 无线充电传输装置 |
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