电磁链式无线电能传输系统的制作方法

本发明涉及无线电能传输
技术领域：
，具体涉及一种电磁链式无线电能传输系统。
背景技术：
：无线电能传输(WirelessPowerTransmission，WPT)又称无线电力传输，非接触电能传输，是通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，在通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。传统的无线电能传输通常使用到两项技术：(1)电磁感应原理。将两个线圈放置于临近位置上，当电流在一个线圈中流动时，所产生的磁通量成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动势。(2)电磁波能量可以通过天线发送和接收原理，和收音机原理基本相同。这两项技术的局限性在于：无法在较远的距离内获得较高的能量传输效率。技术实现要素：本申请通过提供一种电磁链式无线电能传输系统，以解决现有技术中无法保证电能在较远距离的条件下获得较高效率的传输的技术问题。为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：一种电磁链式无线电能传输系统，包括原级谐振回路、负载谐振回路以及设置在所述原级谐振回路与所述负载谐振回路之间的中继谐振回路，所述原级谐振回路包括激励电源及与该激励电源串联的原级谐振单元，所述中继谐振回路包括n-2个中继谐振单元，n为大于2的整数，所述负载谐振回路包括等效负载及与该等效负载串联的副级谐振单元，各谐振单元中的谐振线圈均为分布在同一平面上的平面螺旋线圈。激励电源设置为角频率为ω的正弦电压源，并选取谐振电容使得所有谐振回路的谐振频率与激励电源的角频率相等。进一步地，n维电磁链式无线电能传输系统的电能传输效率为：ηn=RΣl=1n-1RlΠs=ln-1ks(s+1)2+Rn+R]]>式中，R为等效负载，Rn为负载谐振回路的内阻，Rl为第l个谐振线圈的内阻，1≤l≤n-1，ks(s+1)为正的阻抗增益，l≤s≤n-1。由上式可知，谐振线圈的内阻Rl越小，或者阻抗增益k越大，系统的电能传输效率就越高；当k＞1时，磁链式无线电能传输系统利用电磁链把电流放大，反之，电磁链把电流减小。进一步地，n维电磁链式无线电能传输系统的电能传输距离为：D=[(r11)+dt1N1]+2Σm=2n-1[(r1m)+dtmNm]+[(r1n)+dtnNn]]]>式中，irm为第m个线圈的第i匝线圈对应的半径，2≤m≤n-1，Nm为第m个线圈的线圈匝数，dtm为第m个线圈的匝间距。与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：该电磁链式无线电能传输系统利用电磁场的链式特性对能量实施递推，能够极大地拓展电能的无线传输距离，保证电能在较远距离的条件下获得高效率的传输，适用于如航空、航天、海底等对传能距离和效率要求苛刻的应用领域。附图说明图1为本发明的系统结构示意图；图2为本发明的系统电路结构图；图3为本发明的平面螺旋线圈示意图；图4为本发明的任意两个相邻线圈的单匝位置示意图；图5为本发明的线圈分布示意图；图6为线圈数量(电能传输距离)与电能传输效率的影响规律图；图7为负载大小对电能传输效率的影响规律图。具体实施方式本发明提供了一种电磁链式无线电能传输系统，以解决现有技术中无法保证电能在较远距离的条件下获得较高效率的传输的技术问题。为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。实施例一种电磁链式无线电能传输系统，如图1所示，包括原级谐振回路、负载谐振回路以及设置在所述原级谐振回路与所述负载谐振回路之间的中继谐振回路，所述原级谐振回路包括激励电源及与该激励电源串联的原级谐振单元，所述中继谐振回路包括n-2个中继谐振单元，n为大于2的整数，所述负载谐振回路包括等效负载及与该等效负载串联的副级谐振单元，各谐振单元中的谐振线圈均为分布在同一平面上的平面螺旋线圈。图2所示为电磁链式无线电能传输系统的电路结构模型，Li、Ci、Ri以及Ii(i＝1,2,…,n)分别为各谐振回路的线圈电感、调谐电容、内阻和电流，图中箭头方向为电流正方向，R为等效负载，Mij(i,j＝1,2,…,n,i≠j)为不同谐振回路线圈间的互感，为系统输入电压。激励电源设置为角频率为ω的正弦电压源，并选取谐振电容使得所有谐振回路的谐振频率与激励电源的角频率相等，根据互感耦合理论，可建立矩阵方程：根据式(1)，若忽略系统中非相邻线圈间的互感，并令：ωMl(l+1)=kl(l+1)[Rl+1+Σm=l+1n-1(Πs=mn-1k2(n-s+l)(n-s+l+1)Rn-m+l+1)+Πs=l+1n-1k2(n-s+l)(n-s+l+1)R]---(2)]]>式(2)中，k为正的阻抗增益，l为小于n的正整数，且算子和在p＞q时成立。于是，系统中各个谐振回路的电流满足：I·1=U·R1+Σm=l+1n(Πs=mnk2(n-s+l)(n-s+l+1)Rn-m+l+1)+Πs=l+1nk2(n-s+l)(n-s+l+1)RI·m+1=-jkm(m+1)I·m,1<m<n---(3)]]>n维电磁链式无线电能传输系统的电能传输效率为：ηn=RΣl=1n-1RlΠs=ln-1ks(s+1)2+Rn+R]]>式中，R为等效负载，Rn为负载谐振回路的内阻，Rl为第l个谐振线圈的内阻，1≤l≤n-1，ks(s+1)为正的阻抗增益，l≤s≤n-1。由上式可知，谐振线圈的内阻Rl越小，或者阻抗增益k越大，系统的电能传输效率就越高；当k＞1时，磁链式无线电能传输系统利用电磁链把电流放大，反之，电磁链把电流减小。为了简化分析，假设电磁链式无线电能传输系统的线圈均为平面螺旋线圈，如图3所示，其中，Om、dtm、irm分别为第m个线圈的圆心、匝间距、第i匝线圈对应的半径，且i由内向外依次编号。在电磁链式无线电能传输系统中，任意两个相邻线圈的单匝位置示意图如图4所示，其互感为：对应的线圈互感为：Mm(m+1)=Σi=1NmΣj=1Nm+1[Mijm(m+1)]---(6)]]>另外，系统在低频段(DC～100kHz)工作时，趋肤效应和邻近效应对利兹线的影响较小，可忽略，则线圈m的内阻为：Rm＝kfRDClm(7)式(7)中，kf为电阻的低频系数(由实验测定)，RDC为单位长度的利兹线对应的直流电阻、lm为线圈的绕线长度。根据式(6)、(7)，相邻线圈间距dm(m+1)越小，互感越大；线圈匝数Nm或Nm+1越大，互感越大，但线圈内阻亦越大。结合式(2)和(4)，为了增大系统的电能传输效率，需增大阻抗增益k(即相邻线圈的互感)或减小线圈内阻。另外，相邻线圈间距dm(m+1)越大系统的电能传输距离越大，非相邻线圈间的互感越小，在理论上越能够被忽略。因此，兼顾电能传输效率和距离，电磁链式无线电能传输系统的线圈分布示意图如图5所示，对应的n维电磁链式无线电能传输系统的电能传输距离为：式(8)中，irm为第m个线圈的第i匝线圈对应的半径，2≤m≤n-1，Nm为第m个线圈的线圈匝数，dtm为第m个线圈的匝间距。为了验证上述理论分析结果，同时为了更好的分析系统参数对传能效率的影响规律，本实施例利用Matlab软件进行辅助分析。在整个分析过程中，系统使用的利兹线线规为NO.38AWG，对应的kf＝1.7、RDC＝7.6mΩ/m，系统谐振频率设置为85kHz，负载电阻设置为10Ω，所有线圈结构设置相同，线圈参数如表1所示。表1线圈参数表线圈数量n(电能传输距离D)与电能传输效率η的仿真结果如图6所示，其中，当线圈个数增加时，非相邻线圈之间的互感对系统电能传输效率的影响逐渐增大，但是其相对影响值是较小的，可忽略，验证了理论分析结果的有效性；同时，电能传输效率随线圈个数的增加而逐渐减小；类似于两线圈系统，系统的电能传输效率与传输距离成反比，但是后者的传能距离远远大于前者，理论上能够保证在85kHz谐振频率条件下实现10m且效率高于40％的电能传输。为了分析负载大小对电能传输效率的影响，接下来对由14个相同规格的谐振线圈构成的电磁链式无线电能传输系统(电能传输距离为10.4m)进行研究，线圈参数同表1，仿真结果如图7所示。在图7中，负载电阻为30Ω时，系统获得最大的电能传输效率，效率值为49.33％；当负载电阻小于30Ω时，随着电阻值的增大，系统的电能传输效率逐渐增大，但效率的变化率逐渐减小；当负载电阻大于30Ω时，随着电阻值的增大，系统的电能传输效率逐渐增小，且效率的变化率基本不变。电磁链式无线电能传输系统的电能传输效率在不同的负载条件下存在最优值，且在重负载条件下对负载大小的变化情况非常敏感。因此，为了保证系统在重负载条件下获得稳定的电能传输效率，需对负载大小进行精确调控。本申请的上述实施例中，通过提供一种电磁链式无线电能传输系统，包括原级谐振回路、负载谐振回路以及设置在所述原级谐振回路与所述负载谐振回路之间的中继谐振回路，所述原级谐振回路包括激励电源及与该激励电源串联的原级谐振单元，所述中继谐振回路包括n-2个中继谐振单元，n为大于2的整数，所述负载谐振回路包括等效负载及与该等效负载串联的副级谐振单元，各谐振单元中的谐振线圈均为分布在同一平面上的平面螺旋线圈。该电磁链式无线电能传输系统利用电磁场的链式特性对能量实施递推，能够极大地拓展电能的无线传输距离，保证电能在较远距离的条件下获得高效率的传输，适用于如航空、航天、海底等对传能距离和效率要求苛刻的应用领域。应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本
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的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3