CN207939267U - 非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了磁耦合谐振式无线电能传输领域中一种非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统，主要解决了磁耦合谐振式无线电能传输技术在对线圈尺寸要求较高的环境中的应用，及在频率分裂现象出现时传输功率较小的问题，通过调整工作频率使得磁耦合谐振无线电能传输系统工作在输出功率较高的频率点。本实用新型准确的得出了系统处于过耦合状态得到较高输出功率所需要满足的条件，从而使磁耦合谐振式无线电能传输系统工作在输出功率较高的状态。
Description
技术领域
本实用新型属于磁耦合谐振无线电能传输技术领域，涉及一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，尤其涉及一种通过改变磁耦合谐振无线电能传输系统的工作频率来提高过耦合状态下的输出功率的系统。
背景技术
自特斯拉提出无线电能传输理论之后，各国的科学家们对无线输电技术进行了大量的研究，但一直没有取得理想的成果。直到2007年MIT的科学家提出了磁耦合谐振式无线电能传输理论，并在2m左右的距离将60W的灯泡点亮，效率达到了40％。由于该技术具有效率高、传输功率大、电磁辐射小等诸多优点，且摆脱了电力线的束缚，该技术可以应用到军事、航天、矿井开采、医疗植入、家用电器、无线传感网络、电动汽车等领域，给人们的生活和工作带来了巨大的便利。因此，无线电能传输理论和应用技术得到了广泛的关注，成为研究热点。
目前国内外无线电能传输的实现有三种方式：
1.电磁感应式：其主要的理论基础是电磁感应定律。该技术使用了可分离的变压器的原理来实现了电能的无线传输。将传统变压器的两侧进行分离，当电流在一侧线圈中流动时，另一线圈能通过气隙或其他介质进行电能的感应耦合。
2.电磁辐射式：像射频信号一样直接采用电磁波进行电能的传输，该项技术根据使用媒介的不同可以分为微波电能传输技术和激光电能传输技术。其中，电磁辐射式无线电能传输技术主要是采用微波波段进行电能传输的。存在效率和传输方向性难以调节的缺陷，需要复杂的定位系统来保证发射和接收的定位的精准性，传输过程中若出现障碍物，其传输效率将会明显降低，辐射会对人体和其他生物造成不利的影响。
3.磁耦合共振式：其原理是利用磁场的非辐射近场耦合来传递能量，在很大程度上减小了对人体的伤害，延长了无线电能传输的距离，此方式传输效率高、距离远、功率大，是未来无线电能传输发展的主流方向。
频率分裂是磁耦合共振和感应式无线电能传输中普遍存在的现象，尤其在近距离能量传输时，频率分裂严重影响系统的传输功率。依据耦合系数大小及系统的工作模式，无线电能传输系统的工作区域可分为三种：强耦合、临界耦合、弱耦合区域。
研究发现当无线电能传输系统处于强耦合区域时，系统的传输功率在谐振频率两侧取得最大值，即出现频率分裂，随着传输距离的增加，耦合系数减小，频率分裂现象逐渐消失，当耦合系数达到临界耦合时，系统的传输功率在谐振频率处取得最大值，随着耦合系数进一步减小达到弱耦合区域时，系统的传输功率随耦合系数的减小而急剧下降，但系统最佳的传输状态始终是在谐振频率处，即是频率分裂只出现在强耦合区域。
因此无线电能传输系统的传输功率并非在谐振频率下一直处于最大值，而是在临界耦合状态处具有最大的传输功率和最优的传输距离。
综上所述，磁耦合共振无线电能传输系统的最佳工作状态是系统始终处于临界耦合状态，这样系统就可以在谐振频率处获得最大的传输功率和最优的传输距离。但是临界耦合状态所对应的传输距离是确定的，这就使得系统不可能始终处于临界耦合状态，而传输距离对耦合系数有着很明显的调节作用，随着传输距离减小，引起频率分裂，最终导致的系统传输功率急剧下降，严重阻碍了无线电能传输系统的普及和应用，为此，我们必须找到一种技术方法实现在频率分裂出现的时候获得较大的功率。
实用新型内容
技术问题：本实用新型的目的在于针对非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统在距离较近的情况下发生频率分裂现象，导致传输功率降低的问题，并考虑到像医疗植入等特殊的应用场景对线圈的尺寸要求极为严格，提出一种非对称线圈结构磁耦合谐振式无线电能传输系统。该系统是通过调节系统的工作频率，使的系统偏离原来的谐振点，是系统处于频率分裂出现的频率点，具有较大的传输功率，同时本实用新型可以应用在对线圈尺寸要求较为严格的应用场景，可以很好的满足设备对无线电能传输系统传输功率的要求。
为实现上述目标，本实用新型采用以下技术方案：
本发明所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，包括一个发射机和一个接收机。
所述发射机包括高频信号发生器、功率放大器、源线圈和发射线圈，直流电源。
所述源线圈连接到功率放大器。
所述功率放大器为经典的C类功率放大器，一端连接到高频信号发生器，一端连接到源线圈，由直流电源供电。
所述接收机包括接收线圈和负载线圈。
所述负载线圈直接连接交流负载设备，或是通过一个整流电路供给直流负载设备或电路；所述整流电路包括半波整流、全波整流和桥式整流。
所述发射线圈和接收线圈利用其自身在高频下的等效电阻、补偿电容和自身电感组成谐振电路，发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率，发射线圈与接收线圈尺寸不同，发射线圈半径比接收线圈尺寸大。
所述源线圈和发射线圈的间距与接收线圈和负载线圈的间距始终是保持相等的，源线圈和发射线圈尺寸相同，负载线圈和接收线圈具有相同的尺寸，即线圈的电感、高频寄生电容、补偿电容、等效电阻和空载品质因数都是不相同的，发射线圈和接收线圈具有相同谐振频率。
所述发射线圈通过电磁感应从源线圈处得到功率放大器所发出的高频振荡信号，再以非辐射近场电磁波的形式发送出去，所述接收线圈通过线圈间的磁耦合共振收到发射线圈传送的高频振荡信号，再经过电磁感应将能量供给负载线圈。
所有线圈均由铜线绕制，平行同轴，源线圈和发射线圈的间距、负载线圈和接收线圈紧密相连、发射线圈和接收线圈的间距是可调的，随着发射线圈和接收线圈间距，即传输距离的变化，当所述系统偏离临界耦合状态时，同时调节高频信号发生器的输出频率，即是调节整个系统的工作频率，使系统达工作在频率分裂出现的频率，工作在输出功率较大的状态。
本实用新型所述非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统中，不相邻线圈间没有磁耦合，所述系统中源线圈和负载线圈都是单匝线圈，发射线圈和接收线圈是有相同匝数的多匝线圈。
本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型可以使非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统在频率分裂发生时，确保所述系统的传输功率始终取得最大值、传输距离达到最优。
2.与现有技术相比，所述系统采用非对称线圈结构，进一步解决了对线圈结构要求苛刻的应用环境的无线电能传输问题，提高了输出功率。
附图说明
图1是本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输的系统示意图；
图2是本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的等效电路模型图；
图3是本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统等效成为的两线圈结构电路图；
图4是本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统实例归一化输出功率图。
具体实施方式
为了使本实用新型技术方案的内容和优势更加清楚明了，以下结合附图，对本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统进行进一步的详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。
下面结合附图，详细说明本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统及方法的实现过程。
图1是本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输的系统示意图。
如图1所示，本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统包括直流电源、高频信号发生器、功率放大器、源线圈、发射线圈以及接收线圈、负载线圈和负载设备。
高频信号发生器发出高频信号，经过功率放大器之后将能量信号传给源线圈，所述系统的能量发射线圈利用电磁感应从源线圈处得到高频信号发生器所发出的高频振荡信号，再以非辐射近场电磁波的形式传送出去。所述系统的能量接收线圈通过线圈间的磁耦合共振收到发射线圈传送的高频振荡信号，再通过电磁感应将能量供给负载线圈以及负载设备，源线圈和负载线圈都是单匝线圈，发射线圈和接收线圈是有相同匝数的多匝线圈，但是半径不同。发射线圈与源线圈半径相同且紧密相连，接收线圈与负载线圈半径相同且紧密相连。发射线圈和接收线圈的距离为所述系统的传输距离。
所有线圈均由铜线绕制，对齐在同轴方向，随着传输距离由小到大逐渐增加，系统传输功率的最大值点由2个逐渐合并为1个，即是系统工作状态由强耦合到临界耦合，再到弱耦合的变化过程。
图2是本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的等效电路模型图。
如图2所示，本实用新型的磁耦合共振无线电能传输系统的等效电路模型共有四个线圈回路：源线圈回路、发射线圈回路、接收线圈回路、负载线圈回路,Le1、Le2、Le3、Le4分别为源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的电感，Re1、Re2、Re3、Re4分别为源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈在高频下的等效电阻，Ce1、Ce2、Ce3、Ce4分别为源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的补偿电容，RS1为放大器内阻，RL1为负载，US1为放大器的输出电压。
图3是本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统等效成为的两线圈结构电路图。
对本实用新型的磁耦合共振无线电能传输的等效电路模型分析步骤如下：
1.对所述系统的等效电路进行分析，得到如下所述等式：
US为源线圈反射到发射线圈的电动势，R1，R2分别为发射线圈与接收线圈的由于集肤效应等因素产生的损耗电阻和线圈辐射电阻之和。L1、L2分别为发射线圈和接收线圈的等效电感，M为发射线圈和接收线圈之间的互感。发射与接收线圈的电流分别为I1、I2，方向如图3 所示。
2.对所述步骤1中等式求解I1、I2，为了便于分析，令R2+RL＝R，R1+Rs＝αR，则，为发射线圈广义失谐因子，为发射线圈品质因数，为接收线圈广义失谐因子，为发射线圈品质因数，ω0为电路的谐振频率。令则ξ1＝βξ2，令ξ＝ξ2，则：根据步骤1 中等式可以得到：可以得到I1、I2的表达式：令耦合因子则I1、I2表达式可以写成
3.根据步骤2中所述的I1、I2的表达式求本系统的输入功率及输出功率的表达式为：
4.根据步骤3中的输出功率表达式求归一化输出功率，首先需要求出最大输出功率，将式Pout对ξ求偏导，令得到在ξ＝0和输出功率取极值，ξ＝0，γ＝1 时功率输出达到最大值。则最大输出功率值为：可以得到非对称线圈结构无线电能传输系统输出功率的归一化公式：
本实施例为工作谐振频率在f＝6.0MHZ的磁耦合谐振无线电能传输系统，功率放大器的输出阻抗和负载电阻均为50欧姆，所有线圈都是由截面半径为2mm的铜导线绕制而成，对齐在同轴方向。源线圈和发射线圈的直径为20cm，接收线圈和负载线圈的直径均为14cm,连有大小为50欧姆的负载电阻，其后连功率表(测量功率)以及有示波器(用于观察波形)，具体的线圈参数如表1所示。
表1
图4是本实用新型的非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统在α＝(RL+R2)/(RS+R1)≈0.5，β＝1.4时归一化输出功率图。
现有无线电能传输系统中源线圈和发射线圈的间距为0、接收线圈和负载线圈的间距为0，都是固定的。
采用本实用新型提出的一种非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统:
步骤A:确定所述非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统的无线能量传输的出现频率分裂的临近距离D，即发射线圈和接收线圈的间距；
步骤B:根据步骤A所述无线能量传输距离D，利用公式和及γ＝1时出现频率分裂计算所述系统出现频率分裂的临界距离D；其中，M是发射线圈和接收线圈的互感，μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7亨利/米，N2、N3为发射线圈和接收线圈的匝数，r2，r3为发射线圈和接收线圈的半径，D是发射线圈和接收线圈的间距，γ为耦合因子；
步骤C:通过matlab软件进行分析得到归一化输出功率与耦合因子γ及失谐因子ξ之间的关系图，根据所需距离D计算得到互感M,最后根据互感M,计算得到耦合因子γ，根据matlab 所出的图观察在所要求耦合因子γ处输出功率最大值处的失谐因子ξ，根据该失谐因子ξ计算得到所需角频率ω；
步骤D：根据步骤C中所得到的角频率ω，利用公式ω＝2πf计算得到输出功率最大处的工作频率f，并将系统工作频率调整到f处。
以上所述仅为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，但凡熟悉本领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，所作的等效修饰或变换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，其特征在于，包括一个发射机和一个接收机；
所述发射机包括高频信号发生器、功率放大器、源线圈和发射线圈，直流电源；
所述源线圈连接到功率放大器；
所述功率放大器一端连接到高频信号发生器，一端连接到源线圈，由直流电源供电；
所述接收机包括接收线圈和负载线圈。
2.根据权利要求1所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述功率放大器为C类功率放大器。
3.根据权利要求1所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述源线圈与发射线圈半径相同。
4.根据权利要求1所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述负载线圈与接收线圈半径相同。
5.根据权利要求1所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，所述负载线圈直接与负载相连活经过整流电路与负载相连。
6.根据权利要求1所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述发射线圈与接收线圈半径不同。
7.根据权利要求1所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈利用其自身在高频下的等效电阻、补偿电容和自身电感组成谐振电路，发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率。
8.根据权利要求7所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，其特征在于，所有线圈均由铜线绕制，对齐在同轴方向，源线圈与发射线圈紧密相连，负载线圈与接收线圈紧密相连，发射线圈和接收线圈间距是可调的；
所述发射线圈通过电磁感应从源线圈处得到功率放大器放大的高频信号发生器所发出的高频振荡信号，再以非辐射近场电磁波的形式发送出去，所述接收线圈通过线圈间的磁耦合共振收到发射线圈传送的高频振荡信号，再经过电磁感应将能量供给负载线圈。
9.根据权利要求8所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，其特征在于，随着发射线圈和接收线圈间距，即传输距离的变化，当所述系统处于过耦合状态时调节工作频率可以提高输出功率。
10.根据权利要求9所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述调节工作频率是通过调节高频信号发生器发出信号的频率。
11.根据权利要求9所述一种非对称线圈结构磁耦合谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述系统中不考虑非相邻线圈间的耦合，所述系统中源线圈和负载线圈都是单匝线圈，发射线圈和接收线圈是有相同匝数的多匝线圈。
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181002 Termination date: 20190123 |
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