CN110289698A - 基于三个共振线圈的无线电能传输系统及其传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于三个共振线圈的无线电能传输系统及其传输方法，所述系统包括一个非共振源线圈、共振频率相同的发射线圈、中继线圈和接收线圈以及一个非共振负载线圈。利用在绝缘非磁性材料框架侧面上多重绕匝导线并加载电容器形成的一对共振线圈实现调控线圈共振频率，并通过利用基于宇称‑时间对称的三共振线圈的物理性质，使系统工作频率位于共振线圈的共振频率处。本发明系统在相同条件下较传统的WPT系统在共振频率处具有传输效率下降缓慢，鲁棒性更强，待机功率损耗较小，减少系统向周围的能量辐射的优势。此外，该系统即使接收部分小型化在一定传输距离下也具有较强的鲁棒性；还可同时给多个互不影响的小型化接收部分以不同效率进行充电。

Description

基于三个共振线圈的无线电能传输系统及其传输方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体来说涉及利用多个(三个及其以上)非辐射的磁耦合线圈进行无线电能传输的系统及其传输方法。
背景技术
传统的可携用电设备往往采用有线充电的方式，因此需要在可携用电设备上留有充电接口，使得供电及充电装置皆不能密封，影响了装置的防水防尘等级且可靠性下降。为解决前述问题，近些年来，无线电能传输的技术在便携式移动设备、电动汽车等领域得到了不断发展和推广，无线充电是指不借助导体物质即可以实现对一定空间范围内的用电设备充电；与传统有线充电相比，无线充电体积小、便携性高、兼容性强，同时也有利于如手机等用电设备防水防尘设计等优点。
近年来，美国麻省理工大学(MIT)科学家Marin提出基于磁耦合共振原理的无线能量传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术，利用线圈谐振使得大大加强周围的磁场局限在线圈周围，突破了早期基于电磁感应机制的无线电能传输系统(以下简称为WPT系统)传输距离非常短的限制，因而引起了广泛关注。
值得注意的是，该技术在传输距离和效率方面尚存在一些明显的瓶颈。传统的基于两个共振线圈的WPT系统谐振线圈共振频率往往设计成与系统工作频率相同，仅当两个共振线圈工作在临界耦合距离时系统能获得最大传输效率。当两个谐振线圈距离比较近时，系统处于强耦合区域，存在随距离变化十分敏感的频率劈裂的现象，导致最大输出功率分裂至不同的频率点上，因而系统在原共振频率处的传输效率很低。目前较多的手段是基于电路控制的频率追踪技术，增加阻抗匹配网络重新调节系统工作在最大传输效率点等。然而，这些电路也会占据特定的空间，还增加额外的功率损耗。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提供一种基于三个共振线圈的无线电能传输系统及其传输方法，在考虑到基于共振线圈的无线电能传输系统(以下简称为WPT系统)与外界环境发生了能量交换(例如，需要外界能量的激励)，是典型的非厄米(Non-Hermitian)系统，本发明通过包括一个非共振源线圈、三个共振频率相同的共振线圈(发射线圈、中继线圈和接收线圈)以及一个非共振负载线圈的WPT系统，利用在绝缘非磁性框架侧面上多重绕匝导线并加载电容器形成的一对共振线圈(发射线圈、接收线圈)实现调控线圈共振频率，并通过利用基于宇称-时间对称的三共振线圈的物理性质，在所述一对共振线圈(发射线圈、接收线圈)之间设置另一共振线圈(中继线圈)，使系统工作频率位于共振线圈的共振频率处，形成基于宇称-时间(Parity-Time，PT)对称的三个相同共振频率谐振器系统，使系统的本征频率始终有一支和共振频率相同，从而实现系统工作频率不随耦合距离的变化而变化。此外，对比归一化耦合距离下的基于三个共振线圈WPT系统在共振频率处传输效率明显比基于两个共振线圈WPT系统在共振频率处传输效率下降缓慢，同时在静止状态下待机功率损耗明显要低。而且，还可将基于三个共振线圈WPT系统推广至单个或多个小型化接收端。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于三个共振线圈的无线电能传输系统，所述系统包括非共振源线圈；共振频率相同的共振线圈，所述共振线圈包括发射线圈、中继线圈及接收线圈；非共振负载线圈；其中，所述发射线圈、所述中继线圈和所述接收线圈依次设于所述非共振源线圈与所述非共振负载线圈之间；所述非共振源线圈与所述发射线圈相邻设置，所述发射线圈与所述中继线圈相邻设置，所述中继线圈与所述接收线圈相邻设置，所述接收线圈与所述非共振负载线圈相邻设置。
在所述系统实施例中，所述系统还包括交流源，所述交流源功率可以是1mW～1kW之间。
在所述系统实施例中，所述系统还包括源及负载；所述源与所述非共振源线圈电性连接；所述负载与所述非共振负载线圈电性连接。
在所述系统实施例中，所述共振线圈通过多重绕匝并加载集总参数元件调控谐振频率。
在所述系统实施例中，所述共振线圈的工作频率为10kHz至15MHz。
在所述系统实施例中，所述共振线圈的线圈尺寸小于工作波长的1/1000。
在所述系统实施例中，所述非共振线圈包括绝缘非磁性框架和导线，所述导线多重密绕于所述绝缘非磁性框架的外表面上。
在所述系统实施例中，所述共振线圈包括绝缘非磁性框架、导线和电容，所述导线多重密绕于所述绝缘非磁性框架的外表面上，所述导线的首尾端与所述电容连接。
另外，本发明还提供一种基于三个共振线圈的无线电能传输方法，所述方法的步骤包括：
提供如前所述的基于三个共振线圈的无线电能传输系统；
利用在绝缘非磁性框架侧面上多重绕匝利兹线并加载电容器形成的发射线圈及接收线圈实现调控线圈共振频率，并通过利用基于宇称-时间对称的三共振线圈的物理性质，于所述发射线圈及所述接收线圈之间设置中继线圈，使系统工作频率位于共振线圈的共振频率处；
所述非共振源线圈通过远场辐射激发发射线圈后，发射线圈通过磁场近场耦合将电能传递至中继线圈，中继线圈通过磁场近场耦合将电能传递至接收线圈，接收线圈通过远场辐射将电能传递给非共振负载线圈。
在所述无线电能传输方法实施例中，调整所述发射线圈与所述中继线圈之间的耦合强度和所述接收线圈与所述中继线圈之间的耦合强度至相同，以获得所述系统的最高传输效率。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
(1)本发明基于宇称-时间对称的三共振线圈的物理性质，使所述WPT系统的工作频率位于共振线圈的共振频率处，可免去频率追踪电路及宽频的源。
(2)本发明所述无线电能传输系统整体能够支持300W以上的功率传输，且由于没有复杂的电路，大功率运作时系统稳定性强于传统方案。
(3)本发明基于三共振线圈的WPT系统相比传统的基于两共振线圈的WPT相同条件下在共振频率处传输效率下降缓慢，具有较强的鲁棒性。
(4)本发明基于三共振线圈的WPT系统相比传统的基于两共振线圈的WPT相同条件下在共振频率处待机功率损耗较小，减少系统向周围的能量辐射。
(5)本发明基于宇称-时间对称的三共振线圈的物理性质，所述WPT系统接收端即使小型化在一定传输距离下也具有较强的鲁棒性。
(6)本发明所述WPT系统可同时给多个互不影响的小型化接收端以不同效率进行充电。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明和权利要求得以充分体现，并可通过所附权利要求中特地指出的手段、装置和它们的组合得以实现。
附图说明
图1是本发明实施例1所有线圈的有机玻璃管截面结构示意图。
图2是本发明实施例1非共振线圈的有机玻璃管侧视结构示意图。
图3是本发明实施例1共振线圈的有机玻璃管侧视结构示意图。
图4是本发明实施例1所有线圈的有机玻璃管侧面上密绕金属导线的截面结构示意图。
图5是本发明图2的有机玻璃管上密绕金属导线的侧视结构示意图。
图6是本发明图3的有机玻璃管上密绕金属导线的侧视结构示意图。
图7是本发明实施例1基于两个共振线圈无线电能传输系统的架构示意图。
图8是本发明基于两个共振线圈(实施例1)和三个共振线圈(实施例2)无线电能传输系统在归一化距离下效率对比图。
图9是本发明实施例2基于三个共振线圈无线电能传输系统的架构示意图。
图10是本发明实施例3对应图7待机功率损耗的架构示意图。
图11是本发明实施例3对应图7和图9待机功率损耗在s12＝60cm处的频率响应图。
图12是本发明实施例3对应图7和图9待机功率损耗在共振频率下随不同传输距离的变化。
图13是本发明实施例4对应图9待机功率损耗的架构示意图。
图14是本发明实施例5所有小型化线圈的有机玻璃管截面结构示意图。
图15是本发明实施例5小型化接收线圈的有机玻璃管侧视结构示意图。
图16是本发明实施例5小型化非共振负载线圈的有机玻璃管侧视结构示意图。
图17是本发明图14有机玻璃管侧面上密绕金属导线的平面结构示意图。
图18是本发明图15有机玻璃管上设有密绕导线的侧视结构示意图。
图19是本发明图16有机玻璃管上设有密绕导线的侧视结构示意图。
图20是本发明实施例5基于三个不对称共振线圈的单个小型化接收端无线电能传输系统的架构示意图。
图21是本发明图20无线电能传输系统传输效率随不同轴向距离x12和不同横向距离x23变化理论计算结果图。
图22是本发明图20无线电能传输系统传输效率随不同轴向距离x12和不同横向距离x23变化实验测量结果图。
图23是本发明基于多个不对称共振线圈的多个小型化接收端无线电能传输系统(第一负载线圈连接网络分析仪Port2)的架构示意图。
图24是本发明基于多个不对称共振线圈的多个小型化接收端无线电能传输系统(第二负载线圈连接网络分析仪Port2)的架构示意图。
图25是本发明图23无线电能传输系统到第一负载线圈传输效率随不同轴向距离x12和不同横向距离x变化实验测量结果图。
图26是本发明图23无线电能传输系统到第二负载线圈传输效率随不同轴向距离x12和不同横向距离x变化实验测量结果图。
图27是本发明图23无线电能传输系统到第一负载线圈传输效率随不同轴向距离x12和不同横向距离x24(x23＝0)变化实验测量结果图。
图28是本发明图23无线电能传输系统到第二负载线圈传输效率随不同轴向距离x12和不同横向距离x24(x23＝0)变化实验测量结果图。
附图标记与部件的对应关系如下：
网络分析仪10；端口Port1；端口Port2；源线圈20；负载线圈30；小型化负载线圈300；第一负载线圈301；第二负载线圈302；发射线圈40；接收线圈50；小型化接收线圈500；第一接收线圈501；第二接收线圈502；中继线圈60；阻抗70；有机玻璃管A；利兹线B；有机玻璃管外半径长度L1；有机玻璃管内直径L2；有机玻璃管厚度L3；有机玻璃管长度L4；有机玻璃管长度L5；有机玻璃管外半径长度L6；有机玻璃管内直径L7；有机玻璃管厚度L8；有机玻璃管长度L9；有机玻璃管长度L10；源线圈与发射线圈之间距离d1’；发射线圈与接收线圈之间距离s12’；接收线圈与负载线圈之间距离d2’；源线圈与发射线圈之间距离d1；发射线圈与中继线圈之间距离s12；中继线圈与接收线圈(或中继线圈与第一接收线圈)之间距离s23；中继线圈与第二接收线圈之间横向距离s24；接收线圈与负载线圈(或第一接收线圈与第一负载线圈)之间距离d2；第二接收线圈与第二负载线圈之间距离d3；透射参数S21；透射参数S21’；透射参数S21”；反射参数S11。
具体实施方式
在这里将公开本发明的详细的具体实施方案。然而应当理解，所公开的实施方案仅仅是本发明的典型例子，并且本发明可以通过多种备选形式来实施。因此，这里所公开的具体结构和功能细节不是限制性的，仅是以权利要求为原则，作为向本领域技术人员说明不同实施方式的代表性原则。
请参阅图1至图28，本发明提供了一种基于三个共振线圈的无线电能传输系统。所述系统包括一个非共振源线圈、三个共振频率相同的共振线圈(发射线圈、中继线圈和接收线圈)以及一个非共振负载线圈。所述无线电能传输系统还包括与所述非共振源线圈电性连接的源以及与所述非共振负载线圈电性连接的负载。
于本发明实施例中，所述系统的非共振线圈包括绝缘非磁性框架和导线，共振线圈包括绝缘非磁性框架、导线和电容；其中，所述绝缘非磁性框架较佳为透明圆柱形有机玻璃管，所述导线较佳为利兹线，但不限于前述材料选择。定义沿所述有机玻璃管A轴心延伸的方向为轴向，沿轴向设置的相邻有机玻璃管A之间的距离为轴向距离，非沿轴向设置的相邻有机玻璃管A之间的距离为横向距离。
于本发明实施例中，所述系统还包括交流源，所述交流源功率可以是1mW～1kW之间。
实施例1：一种基于两个共振线圈的二阶PT对称无线电能传输系统及操作方法
如图1至图6所示，实施例1的系统包括一个Keysight E5071C网络分析仪10、一个非共振源线圈20、两个共振频率相同的共振线圈(发射线圈40和接收线圈50)以及一个非共振负载线圈30。其中所述非共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B组成，共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B和电容(图未示)组成。
其中，实施例1的非共振线圈(源线圈20、负载线圈30)的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图2所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L4＝1cm。
实施例1的共振线圈(发射线圈40、接收线圈50)的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图3所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L5＝5cm。
其中，如图4和图5所示，所述非共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制2圈。如图4和图6所示，所述共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制37圈，然后在利兹线B的首尾端焊接电容(图未示)。
其中，实施例1的利兹线B是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，所述利兹线B的规格为0.1*200股。于实施例1中，所述利兹线B的几何参数如下：截面直径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm2；且本发明实施例1中所使用的利兹线总长度约为70m。
其中，所述电容为2.2nF、可耐220V以上高电压的金属化聚酯膜直插电容。
如图7所示，实施例1通过Keysight E5071C网络分析仪的端口Port1连接一个非共振源线圈20，非共振源线圈20通过远场辐射激发发射线圈40后，发射线圈40通过磁场近场耦合将电能传递至接收线圈50，接收线圈50通过远场辐射将电能传递给非共振负载线圈30，最后将非共振负载线圈30连接至所述分析仪的端口Port2，记录透射参数S21计算并得到系统电能传输效率。
其中d1’、s12’、d2’分别表示非共振源线圈20与发射线圈40之间距离、发射线圈40与接收线圈50之间距离、接收线圈50与非共振负载线圈30之间距离。
其中实验中心频率即为线圈谐振频率f0＝86.8kHz，并设置距离参数d1’＝0,d2’＝0。通过改变s12’，记录不同s12’情况下中心频率处系统传输效率。其中s12’＝64cm处系统传输效率最高，归一化的距离定义为s12’/64，如图8所示，实验结果和理论结果一致。
实施例2：一种基于三个共振线圈的三阶PT对称无线电能传输系统及操作方法
如图1至图6、图9所示，所述系统包括一个Keysight E5071C网络分析仪10、一个非共振源线圈20、三个共振频率相同的共振线圈(发射线圈40、中继线圈60和接收线圈50)以及一个非共振负载线圈30。其中所述非共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B组成，共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B和电容(图未示)组成。
其中，实施例2的非共振线圈(源线圈20、负载线圈30)的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图2所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L4＝1cm。
实施例2的共振线圈(发射线圈40、接收线圈50、中继线圈60)的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图3所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L5＝5cm。
其中，如图4和图5所示，所述非共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制2圈。如图4和图6所示，所述共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制37圈，然后在利兹线B的首尾端焊接电容(图未示)。
其中，实施例2的利兹线B是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，所述利兹线B的规格为0.1*200股。于实施例2中，所述利兹线B的几何参数如下：截面直径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm2；且本发明实施例1中所使用的利兹线总长度约为70m。
其中，所述电容为2.2nF、可耐220V以上高电压的金属化聚酯膜直插电容。
如图9所示，实施例2通过Keysight E5071C网络分析仪的端口Port1连接一个非共振源线圈20，非共振源线圈20通过远场辐射激发发射线圈40后，发射线圈40通过磁场近场耦合将电能传递至中继线圈60，中继线圈60通过磁场近场耦合将电能传递至接收线圈50，接收线圈50通过远场辐射将电能传递给非共振负载线圈30，最后将非共振负载线圈30连接至所述网络分析仪10的端口Port2，记录透射参数S21计算并得到系统电能传输效率。
其中d1、s12、s22、d2分别表示非共振源线圈20与发射线圈40之间距离、发射线圈40与中继线圈60之间距离、中继线圈60与接收线圈50之间距离、接收线圈50与非共振负载线圈30之间距离。
其中实验中心频率即为线圈谐振频率f0＝86.8kHz，并设置距离参数d1＝0,d2＝0。分别固定s12＝30cm和s12＝40cm，通过改变s23，记录不同s23情况下中心频率处系统传输效率，其中归一化的距离定义为s23/s12。如图8所示，实验结果和理论计算结果一致。当s23＝s12，所述系统传输效率最高。对比实施例1和实施例2的结果可以发现，基于三个共振线圈的无线电能传输系统具有较强的鲁棒性(Robust)。
实施例3：一种基于两个共振线圈的二阶PT对称无线电能传输系统(实施例1)待机功率损耗实验方法
如图1至图6、图10所示，所述系统显示了实施例1系统的部分组成构件，其包括一个Keysight E5071C网络分析仪10、一个非共振源线圈20、一个共振线圈(发射线圈40)。其中所述非共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B组成，共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B和电容(图未示)组成。
其中，实施例3的非共振线圈(源线圈20)的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图2所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L4＝1cm。
实施例3的共振线圈(发射线圈40)的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图3所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L5＝5cm。
其中所述非共振线圈(源线圈20)采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制2圈，如图4和图5所示。所述共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制37圈，然后在利兹线B的首尾端焊接电容(图未示)，如图4和图6所示。
其中，实施例3的利兹线B是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，所述利兹线B的规格为0.1*200股。于实施例3中，所述利兹线B的几何参数如下：截面直径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm2；且本发明实施例3中所使用的利兹线总长度约为70m。
其中，所述电容为2.2nF、可耐220V以上高电压的金属化聚酯膜直插电容。
如图10所示，通过Keysight E5071C网络分析仪10的端口Port1连接一个非共振源线圈20，非共振源线圈20通过远场辐射激发发射线圈40。其中d′1表示非共振源线圈20与发射线圈40之间距离。其中实验中心频率即为线圈谐振频率f0＝86.8kHz，并设置距离参数d′1＝0。
记录反射参数S11、计算并得到系统待机时功率损耗的频率响应，如图11所示，其中在中心频率处的待机功率损耗约为0.34。所述系统的待机功率损耗几乎不变，理论计算结果和实验结果符合良好，如图12所示。
实施例4：一种基于三个共振线圈的三阶PT对称无线电能传输系统(实施例2)待机功率损耗实验方法
如图1至图6、图13所示，所述系统显示了实施例2系统的部分组成构件，其包括一个Keysight E5071C网络分析仪10、一个非共振源线圈20、两个共振频率相同的共振线圈(发射线圈40和中继线圈60)。其中所述非共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B组成，共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B和电容(图未示)组成。
其中，实施例4的非共振线圈(源线圈20)的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图2所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L4＝1cm。
实施例4的共振线圈(发射线圈40、中继线圈60)的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图3所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L5＝5cm。
其中所述非共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制2圈，如图4和图5所示。所述共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制37圈，然后在利兹线B的首尾端焊接电容(图未示)，如图4和图6所示。
其中，实施例4的利兹线B是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，所述利兹线B的规格为0.1*200股。于实施例4中，所述利兹线B的几何参数如下：截面直径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm2；且本发明实施例1中所使用的利兹线总长度约为70m。
其中，所述电容为2.2nF、可耐220V以上高电压的金属化聚酯膜直插电容。
如图13所示，通过Keysight E5071C网络分析仪10的端口Port1连接一个非共振源线圈20，非共振源线圈20通过远场辐射激发发射线圈40后，发射线圈40通过磁场近场耦合将电能传递至中继线圈60。其中d1、s12分别表示非共振源线圈20与发射线圈40之间距离、发射线圈40与中继线圈60之间距离。其中实验中心频率即为线圈谐振频率f0＝86.8kHz，并设置距离参数d1＝0。
记录反射参数S11、计算并得到所述系统在s12＝60cm处待机时功率损耗的频率响应，如图11所示，其中在中心频率处的待机功耗约为0.195。通过改变s12，记录不同s12情况下中心频率处系统的待机功率损耗，如图12所示。可以发现，当s12从30cm增大到60cm，即实施例4所述系统两个共振线圈处于强耦合区域时的中心频率处待机功率损耗始终小于实施例3所述系统中心频率处待机功率损耗，减少了发射端向周围的辐射。
实施例5：一种基于三阶PT对称无线电能传输系统(实施例2)实现的小型化接收端无线电能传输系统
如图1至图6、图14至图20所示，实施例5的系统包括一个KeysightE5071C网络分析仪10、一个非共振源线圈20、三个共振频率相同的共振线圈(发射线圈40、中继线圈60和接收线圈50)以及一个非共振负载线圈30。其中所述非共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B组成，共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B和电容(图未示)组成。
其中，实施例5的非共振线圈(源线圈20)的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图2所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L4＝1cm。其中所述非共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制2圈，如图4和图5所示。
实施例5的发射线圈40和中继线圈60的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图3所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L5＝5cm。所述共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制37圈，然后在利兹线B的首尾端焊接电容，如图4和图6所示。其中，所述电容为2.2nF、可耐220V以上高电压的金属化聚酯膜直插电容。
实施例5的接收线圈50的透明圆柱形有机玻璃管A如图14和图15所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L6＝5cm，内直径L7＝4.7cm，厚度L8＝0.3cm，长度L9＝5cm。所述共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制60圈，然后在利兹线B的首尾端焊接电容(图未示)，如图17和图18所示。其中，所述电容为3.3nF、可耐220V以上高电压的金属化聚酯膜直插电容。
实施例5的非共振负载线圈30的透明圆柱形有机玻璃管A如图14和图16所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L6＝5cm，内直径L7＝4.7cm，厚度L8＝0.3cm，长度L10＝1cm。所述共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制5圈，如图17和图19所示。
实施例5的利兹线B是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，所述利兹线B的规格为0.1*200股。于实施例1中，所述利兹线B的几何参数如下：截面直径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm2；且本发明实施例5中所使用的利兹线总长度约为70m。
如图20所示，通过Keysight E5071C网络分析仪10的端口Port1连接一个非共振源线圈20，非共振源线圈20通过远场辐射激发发射线圈40后，发射线圈40通过磁场近场耦合将电能传递至中继线圈60，中继线圈60通过磁场近场耦合将电能传递至接收线圈50，接收线圈50通过远场辐射将电能传递给非共振负载线圈30，最后将非共振负载线圈30连接至所述分析仪的端口Port2，记录透射参数S21计算并得到系统电能传输效率。
其中d1、s12、d2分别表示非共振源线圈20与发射线圈40之间距离、发射线圈40与中继线圈60之间距离、接收线圈50与非共振负载线圈30之间距离。s23表示中继线圈60与接收线圈50横向距离。
其中实验中心频率即为线圈谐振频率f0＝86.8kHz，并设置距离参数d1＝0,d2＝0。其中s12和s23归一化的距离分别定义为x12＝s12/L1和x23＝s23/L6。
同时改变x12和x23，记录不同x12和x23情况下中心频率处所述系统传输效率理论计算结果和实验结果，如图21和图22所示。当发射线圈40与中继线圈60之间的耦合强度和所述接收线圈50与中继线圈60之间的耦合强度相同时，所述系统传输效率最高。
实施例6：一种基于实施例5推广的多个小型化接收端无线电能传输系统
如图1至图6、图14至图19、图23、图24所示，实施例6的系统包括一个KeysightE5071C网络分析仪10、一个非共振源线圈20、四个共振频率相同的共振线圈(发射线圈40、中继线圈60和两个相同的小型化接收线圈500)以及两个相同的小型化负载线圈300。其中所述非共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B组成，共振线圈由透明圆柱形有机玻璃管A、利兹线B和电容(图未示)组成。
其中，实施例6的非共振线圈(源线圈20)的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图2所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L4＝1cm。其中所述非共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制2圈，如图4和图5所示。
实施例6的发射线圈40和中继线圈60的透明圆柱形有机玻璃管A如图1和图3所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L1＝30cm，内直径L2＝29.3cm，厚度L3＝0.7cm，长度L5＝5cm。所述共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制37圈，然后在利兹线B的首尾端焊接电容(图未示)，如图4和图6所示。其中，所述电容为2.2nF、可耐220V以上高电压的金属化聚酯膜直插电容。
实施例6的小型化接收线圈500的透明圆柱形有机玻璃管A如图14和图15所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L6＝5cm，内直径L7＝4.7cm，厚度L8＝0.3cm，长度L9＝5cm。所述共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制60圈，然后在利兹线B的首尾端焊接电容(图未示)，如图17和图18所示。其中，所述电容为3.3nF、可耐220V以上高电压的金属化聚酯膜直插电容。实施例6所述的小型化接收线圈500分别定义为第一接收线圈501和第二接收线圈502。
实施例6的非共振负载线圈30的透明圆柱形有机玻璃管A如图14和图16所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，俗称“经过特殊处理的有机玻璃”。该有机玻璃管A的几何尺寸如下：外半径长度L6＝5cm，内直径L7＝4.7cm，厚度L8＝0.3cm，长度L10＝1cm。所述共振线圈采用利兹线B在透明圆柱形有机玻璃管A侧面进行多重密绕，较佳为绕制5圈，如图17和图19所示。实施例6所述的小型化负载线圈300分别定义为第一负载线圈301和第二负载线圈302。
实施例6的利兹线B是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，所述利兹线B的规格为0.1*200股。于实施例6中，所述利兹线B的几何参数如下：截面直径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm2；且本发明实施例6中所使用的利兹线总长度约为70m。
通过Keysight E5071C网络分析仪10的端口Port1连接非共振源线圈20，非共振源线圈20通过远场辐射激发发射线圈40后，发射线圈40通过磁场近场耦合将电能传递至中继线圈60，中继线圈60通过磁场近场耦合将电能传递至第一接收线圈501、第二接收线圈502，第一接收线圈501通过远场辐射将电能传递给第一负载线圈301，第二接收线圈502通过远场辐射将电能传递给第二负载线圈302。最后将第一负载线圈301连接至所述分析仪的端口Port2，第二负载线圈302连接50Ω阻抗70，定义此时记录的透射参数S21’计算并得到系统中第一负载线圈301接收的电能传输效率，如图23所示；将第二负载线圈302连接至所述分析仪的端口Port2，第一负载线圈301连接50Ω阻抗70，定义此时记录的透射参数S21”计算并得到系统中第二负载线圈302接收的电能传输效率，如图24所示；
其中d1、s12分别表示非共振源线圈20与发射线圈40之间轴向距离、发射线圈40与中继线圈60之间轴向距离。其中s23、s24分别表示中继线圈60与第一接收线圈501之间横向距离、中继线圈60与第二接收线圈502之间横向距离。其中d2、d2’分别表示第一接收线圈501与第一负载线圈301之间轴向距离、第二接收线圈502与第二负载线圈302之间轴向距离。
其中实验中心频率即为线圈谐振频率f0＝86.8kHz，并设置距离参数d1＝0,d2＝0。其中s12，s23和s24归一化的距离分别定义为x12＝s12/L1，x23＝s23/L6和x24＝s24/L6。
其中定义x23＝x24＝x，表示中继线圈60与第一接收线圈501之间横向距离和中继线圈60与第二接收线圈502之间横向距离相同。记录不同x12和x情况下中心频率处所述系统传输效率实验结果，分别表示所述系统到第一接收线圈501、第二接收线圈502的传输效率，如图25和图26所示。可以发现，所述系统传输到第一接收线圈501、第二接收线圈502的效率几乎相同。在相同x条件下，传输效率随x12的增大而降低。
其中定义x24＝0，此时记录不同x12和x23情况下中心频率处所述系统传输效率实验结果，分别表示所述系统到第一接收线圈501、第二接收线圈502的传输效率，如图25和图26所示。可以发现，在相同x12条件下，传输效率随x23的增大而降低。
以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于三个共振线圈的无线电能传输系统，其特征在于，包括：
非共振源线圈；
共振频率相同的共振线圈，所述共振线圈包括发射线圈、中继线圈及接收线圈；
非共振负载线圈；
其中，
所述发射线圈、所述中继线圈和所述接收线圈依次设于所述非共振源线圈与所述非共振负载线圈之间；所述非共振源线圈与所述发射线圈相邻设置，所述发射线圈与所述中继线圈相邻设置，所述中继线圈与所述接收线圈相邻设置，所述接收线圈与所述非共振负载线圈相邻设置。
2.根据权利要求1所述的基于三个共振线圈的无线电能传输系统，其特征在于：
所述系统还包括交流源，所述交流源功率可以是1mW～1kW之间。
3.根据权利要求1所述的基于三个共振线圈的无线电能传输系统，其特征在于：
所述系统还包括源及负载；所述源与所述非共振源线圈电性连接；所述负载与所述非共振负载线圈电性连接。
4.根据权利要求1所述的基于三个共振线圈的无线电能传输系统，其特征在于：
所述共振线圈通过多重绕匝并加载集总参数元件调控谐振频率。
5.根据权利要求1或4所述的基于三个共振线圈的无线电能传输系统，其特征在于：
所述共振线圈的工作频率为10kHz至15MHz。
6.根据权利要求5所述的基于三个共振线圈的无线电能传输系统，其特征在于：
所述共振线圈的线圈尺寸小于工作波长的1/1000。
7.根据权利要求1所述的基于三个共振线圈的无线电能传输系统，其特征在于：
所述非共振线圈包括绝缘非磁性框架和导线，所述导线多重密绕于所述绝缘非磁性框架的外表面上。
8.根据权利要求1所述的基于三个共振线圈的无线电能传输系统，其特征在于：
所述共振线圈包括绝缘非磁性框架、导线和电容，所述导线多重密绕于所述绝缘非磁性框架的外表面上，所述导线的首尾端与所述电容连接。
9.一种基于三个共振线圈的无线电能传输方法，其特征在于：
提供如权利要求1至8中任一权利要求所述的基于三个共振线圈的无线电能传输系统；
利用在绝缘非磁性框架侧面上多重绕匝导线并加载电容器形成的发射线圈及接收线圈实现调控线圈共振频率，并通过利用基于宇称-时间对称的三共振线圈的物理性质，于所述发射线圈及所述接收线圈之间设置中继线圈，使系统工作频率位于共振线圈的共振频率处；
所述非共振源线圈通过远场辐射激发发射线圈后，发射线圈通过磁场近场耦合将电能传递至中继线圈，中继线圈通过磁场近场耦合将电能传递至接收线圈，接收线圈通过远场辐射将电能传递给非共振负载线圈。
10.根据权利要求9所述的基于三个共振线圈的无线电能传输方法，其特征在于：
调整所述发射线圈与所述中继线圈之间的耦合强度和所述接收线圈与所述中继线圈之间的耦合强度至相同，以获得所述系统的最高传输效率。
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