一种分数阶并联谐振无线电能传输系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种分数阶并联谐振无线电能传输系统，包括高频功率源、发射部分、接收部分和负载；发射部分和接收部分构成无线电能传输部分；发射部分包括并联连接的原边分数阶电容和原边分数阶电感，原边分数阶电感具有原边电阻；接收部分包括并联连接的副边分数阶电容和副边分数阶电感，副边分数阶电感具有副边电阻。本发明采用分数阶元件实现无线电能传输，增加了参数设计的维度，完全区别于传统的整数阶元件实现的无线电能传输系统。
【专利说明】一种分数阶并联谐振无线电能传输系统
【技术领域】
[0001]本发明属于无线电能传输或无线输电技术的领域，特别涉及一种分数阶并联谐振无线电能传输系统。
【背景技术】
[0002]无线电能传输或无线输电技术早在100多年前就由美国发明家特斯拉(NicolaTesla)在实验上得到尝试。2006年，麻省理工学院(MIT)的研究人员利用物理的共振技术成功的在2m距离左右以40%的效率点亮了一个60W的灯泡，该实验不仅仅是特斯拉实验的重现，更是无线电能传输技术的又一个新突破，并且掀起了无线电能传输研究的热潮。
[0003]无线电能传输技术是一种广泛应用前景的电能传输方式，具有安全、可靠、灵活、方便等优点，已经日益受到世界各国的重视，并越来越广泛应用于各种不适合或不方便使用有导线接触传输电能的地方，如植入式医疗设备、移动电子产品、机器人、轨道电车供电等场合，并有望在不久的将来能够在小功率电子产品无线充电方面取代传统的插头充电。
[0004]目前的无线电能传输系统都是基于整数阶电感、电容实现的，其谐振频率只由电感值和电容值决定，因此，其系统设计只需考虑参数值，无需考虑元件的阶数，设计的自由度比较少。同时，实际系统的元件本质上是分数阶的，但是目前实际中用的大部分的阶数接近于1，对于分数阶的情况完全忽略。传统的通过整数阶的建模来设计无线电能传输系统，在某些条件下，理论和实际的误差可能会很大。
[0005]分数阶器件(如分数阶电容和分数阶电感)概念的来源于分数阶微积分的产生，而分数阶微积分的概念已经有300多年的历史，几乎与整数阶微积分同时诞生。但是由于分数阶比较复杂，并且一直没有很好的数值分析工具，因此其一直处于理论分析阶段。近几十年来，由于生物技术、高分子材料等的发展，人们发现整数阶微积分不能很好的解释自然界存在的现象，因此分数阶微积分开始得到重视，并开始应用于工程领域，其在控制领域的研究和应用已日益完善。同时，两端的分数阶器件已经在实验室被制造出来。但分数阶电路与系统一些特殊的性质未得到研究，在无线电能传输领域的应用更是未被提及。
[0006]鉴于目前分数阶元件或分数阶电路在某些方面的巨大优势，并且其还未被应用于无线电能传输领域，因此有必要提出一种分数阶并联谐振无线电能传输系统。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种分数阶并联谐振无线电能传输系统。
[0008]本发明通过如下技术方案实现:
[0009] 一种分数阶并联谐振无线电能传输系统，包括高频功率源Is、发射部分、接收部分和负载& ;发射部分和接收部分构成无线电能传输部分；发射部分包括并联连接的原边分数阶电容?;和原边分数阶电感Ifp，原边分数阶电感L,f具有原边电阻Rp ;接收部分包括并联连接的副边分数阶电容Cl和副边分数阶电感4，副边分数阶电感4具有副边电阻Rs。
[0010]所述的一种分数阶并联谐振无线电能传输系统，原边分数阶电容q:、副边分数
阶电容^^?的电压、电流微分关系均满足:=Cs相位关系满足:其中，ic
^CJLf*
为分数阶电容电流，V。为分数阶电容电压，α为分数阶电容的阶数，并且O < a ^ 2, Ca为分数阶电容的值。
[0011]所述的一种分数阶并联谐振无线电能传输系统，原边分数阶电感/4、副边分数阶电感L/>的电压、电流微分关系均满足:V1 = If ，相位关系满足:fL =|,其中,Vl为
5(4-1Jm
分数阶电感的电压，k为分数阶电感的电流，β为分数阶电感的阶数，并且O < β ^ 2, L0为分数阶电感的值。
[0012]所述的一种分数阶并联谐振无线电能传输系统中，发射部分和接收部分之间是通过分数阶并联谐振耦合的方式实现的无线电能传输。
[0013]本发明的工作原理为:发射部分和接收部分分别由原边分数阶电容C；、原边分数
阶电感4、原边电阻Rp、 副边分数阶电容Cl、副边分数阶电感4、副边电阻Rs构成分数阶
RLC并联谐振电路，并通过谐振耦合的方式实现电能的无线传输。
[0014]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0015]1、采用分数阶元件实现的无线电能传输，完全区别于以往的无线电能传输系统，增加了参数设计的自由度。
[0016]2、通过选取元件的阶数，可以大大降低无线电能传输系统的谐振频率，从而降低对电力电子器件的要求，非常有利于实际系统的设计。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的分数阶并联谐振无线电能传输系统的示意图。
[0018]图2为a =0.9，β =1.2时的输出功率与频率f的关系曲线。
[0019]图3为a = 1.2, β =0.9时的传输效率与频率f的关系曲线。
[0020]图4为a = 1.2，β = 1.5时的输出功率与频率f的关系曲线。
具体实施方案
[0021]以下结合附图对发明的具体实施作进一步描述，但本发明的实施和保护不限于此。
[0022]实施例
[0023]如图1所示，为本发明的分数阶并联谐振无线电能传输系统的示意图。以下结合本图说明本发明的工作原理。图1中，高频功率源Is、原边分数阶电容q!、原边分数阶电感:4和原边电阻Rp连接构成并联谐振；副边分数阶电容C1、副边分数阶电感Hs、副边电阻Rs和负载&连接构成并联谐振；发射部分和接收部分通过互感M实现无线电能传输。为了分析的方便，令原边分数阶电容和副边分数阶电容C7参数一致，并省略上、下标，记为C ;令原边分数阶电感4和副边分数阶电感￡4参数一致，并省略上、下标，记为L ;令原边电阻Rp和副边电阻Rs为R。则可以得到系统的分数阶微分方程:
【权利要求】
1.一种分数阶并联谐振无线电能传输系统，包括高频功率源(Is)、发射部分、接收部分和负载(?);发射部分和接收部分构成无线电能传输部分；其特征在于发射部分包括并联连接的原边分数阶电容(Cap )和原边分数阶电感(λ原边分数阶电感(Ifp )具有原边电阻(Rp);接收部分包括并联连接的副边分数阶电容(CT|)和副边分数阶电感(端)，副边分数阶电感()具有副边电阻(Rs)。
2.根据权利要求1所述的一种分数阶并联谐振无线电能传输系统，其特征在于原边分数阶电容(C;)、副边分数阶电容(€?:>的电压、电流微分关系均满足:ir=c = Cadavc/dta,相位关系满足φc=aπ/2，其中，i。为分数阶电容电流，V。为分数阶电容电压，α为分数阶电容的阶数，并且O < α ≤ 2，Ca为分数阶电容的值。
3.根据权利要求1所述的一种分数阶并联谐振无线电能传输系统，其特征在于原边分数阶电感(Lβp)、副边分数阶电感(LβS)的电压、电流微分关系均满足:Vl = LβiL/dtβ，相位
关系满足=f，其中，Vl为分数阶电感的电压，k为分数阶电感的电流，^为分数阶电感的阶数，并且O < β < 2，L0为分数阶电感的值。
【文档编号】H02J17/00GK103915908SQ201410129736
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】张波, 黄润鸿, 丘东元 申请人:华南理工大学