一种基于钢筋感应电流的无线供电系统及其参数设计方法

本发明属于无线电能传输，具体涉及一种基于钢筋感应电流的无线供电系统及其参数设计方法。

背景技术：

1、无线电能传输技术是一种通过软介质实现能量非接触传输的方式。根据其介质类型可分为磁场式、电场式、激光式、超声波式以及微波式。其中，磁场感应式是最为广泛使用且技术最为成熟的一种方式，已在消费电子、植入医疗、电动汽车等领域成功商业应用。磁感应式的无线电能传输技术也为结构健康监测的传感器提供了一种可行供电途径。传统的结构健康监测系统传感器采用有线供电方式实现，存在安装复杂、铜线耗量大、线易损等问题。而采用无线供电的方式可灵活地为传感器供电，甚至实现多个传感器同时供电。

2、然而，将磁场式无线电能传输应用于结构健康监测系统中，面临着钢筋网络削减传输能力的难题。特别是对于钢筋计这类安装在钢筋网络附近且广泛应用于结构健康监测系统的传感器。建筑结构中的钢筋网络由金属构成，当磁场穿过钢筋网络时，会在钢筋网络中产生大量涡流，不仅会产生大量的涡流损耗，还会产生相反的感应磁场阻碍能量的传输。现有方法主要采用多个接收线圈或增大接收线圈来增强有钢筋网下的互感来保障传输功率。然而，将较大体积的接收线圈安装在钢筋混凝土内，不仅容易受结构形变导致永久失效，还会影响混凝土结构的强度。因此，现有磁场式无线电能技术几乎无法直接应用于钢筋网络附近的传感器供电。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：

2、为解决现有用于钢筋网附近无线电能传输系统在钢筋网络感应电流影响下传输能量困难、接收线圈体积大的问题，提供一种基于钢筋感应电流的无线供电系统及其参数设计方法。

3、本发明采用的技术方案如下：

4、一种基于钢筋感应电流的无线供电系统，包括原边能量发射机构、副边能量收集机构和能量储存机构；

5、所述原边能量发射机构包括交流电压源vin、原边谐振电路和发射线圈lp，原边能量发射机构用于在空间中产生磁场，进而钢筋网络中产生感应电流；

6、所述副边能量收集机构包括能量收集线圈ls、串联补偿电容cs和整流电路h，副边能量拾取机构用于集中钢筋感应电流产生的交变磁场，并将其转化为直流形式能量；

7、所述能量储存机构s由超级电容组成或者由电池组成，用于短时间内快速存储钢筋网感应电流的能量。

8、进一步地，所述原边能量发射机构包括交流电源和原边谐振回路，所述原边谐振回路包括两个谐振环路，原边谐振回路由第一补偿电容c1、第二补偿电容cp、补偿电感l1和原边发射线圈lp组成，所述补偿电感l1和第一补偿电容c1串联连接且与交流电源构成第一谐振环路，第二补偿电容cp与原边发射线圈lp串联连接后并联至第一补偿电容c1两端，构成第二谐振环路。

9、进一步地，所述副边能量收集机构包括能量收集线圈ls、串联补偿电容cs和整流电路，能量收集线圈ls与串联补偿电容cs串联连接后经过半桥整流电路h连接至储能机构r。

10、进一步地，所述能量收集线圈ls由磁芯和利兹线组成，磁芯绕为空心圆柱形，以包裹钢筋的结构固定安装于钢筋上，利兹线以磁芯所安装的钢筋延长方向为绕制方向，交替经过圆柱体外表面和内表面，包裹绕制于磁芯上。

11、根据基尔霍夫电压定理，发射线圈正对钢筋回路电流i0，其能量收集线圈方向相邻的钢筋回路电流i1，以及能量收集线圈电流ir满足下列关系：

12、

13、其中rz表示单个钢筋网络中的等效内阻值，l表示单个钢筋回路的电感值，mn表示与能量收集线圈相邻的两个钢筋回路之间的交叉耦合互感值，it为发射线圈电流，rr为能量收集线圈等效内阻，mr为能量收集线圈与单个钢筋回路的互感，mt0和mt1分别表示发射线圈与上述两个钢筋回路之间的互感，rx为等效交流负载，ω为系统工作角频率，x为能量收集线圈ls与串联补偿电容cs的串联等效阻抗，满足x＝ωls’-1/ωcs’,ls’为能量收集线圈ls电感值，cs’为串联补偿电容容值。

14、根据上述方程，可计算得到能量收集线圈电流ir与x和rx之间的关系：

15、

16、pout(x,rx)＝|ir(x,rx)|2·rx    (0.5)

17、对输出功率求解x的偏导，并令其为0，可得出满足最大传输功率的xop:

18、

19、将xop带入输出功率表达式，并对其求rx偏导，令其为0，可得出最优负载rop。

20、

21、将rop和xop带入可得出最大功率表达式：

22、

23、进一步地，为保障最大功率输出能力，电路参数应满足下列要求：

24、为实现原边发射线圈电流值恒定，原边谐振回路与副边各元器件参数满足：

25、

26、其中c1’为第一补偿电容c1的容值，cp’为第二补偿电容cp容值，l1’为补偿电感l1电感值，lp’为发射线圈lp电感值，ω为系统工作角频率。发射线圈电流有效值it’表示为：

27、

28、其中，vin’为交流电源输出电压有效值。

29、根据xop可得出最优的补偿电容设计，即串联补偿电容值cs’满足：

30、

31、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

32、1.本发明的系统相较于以往的抑制钢筋网络中涡流对能量传输的影响，将能量拾取机构嵌套于钢筋上，拾取钢筋网络中涡流电流所含能量，体积紧凑，便于固定与安装，对建筑结构强度无影响。

33、2.本发明中，对于任何结构和尺寸的发射线圈，均可采用本系统提及的参数设计公式，使系统在相同能量发射设计下有最强输出功率能力。

技术特征：

1.一种基于钢筋感应电流的无线供电系统，其特征在于，包括原边能量发射机构、副边能量收集机构和能量储存机构；

2.根据权利要求1所述的一种基于钢筋感应电流的无线钢筋计供电系统，其特征在于，所述原边能量发射机构包括交流电源和原边谐振回路，所述原边谐振回路包括两个谐振环路，原边谐振回路由第一补偿电容c1、第二补偿电容cp、补偿电感l1和原边发射线圈lp组成，所述补偿电感l1和第一补偿电容c1串联连接且与交流电源构成第一谐振环路，第二补偿电容cp与原边发射线圈lp串联连接后并联至第一补偿电容c1两端，构成第二谐振环路。

3.根据权利要求1所述的一种基于钢筋感应电流的无线钢筋计供电系统，其特征在于，所述副边能量收集机构包括能量收集线圈ls、串联补偿电容cs和整流电路，能量收集线圈ls与串联补偿电容cs串联连接后经过半桥整流电路h连接至储能机构r。

4.根据权利要求3所述的一种基于钢筋感应电流的无线钢筋计供电系统，其特征在于，所述能量收集线圈ls由磁芯和利兹线组成，磁芯绕为空心圆柱形，以包裹钢筋的结构固定安装于钢筋上，利兹线以磁芯所安装的钢筋延长方向为绕制方向，交替经过圆柱体外表面和内表面，包裹绕制于磁芯上。

5.一种基于钢筋感应电流的无线供电系统参数设计方法，其特征在于，包括：在最大功率输出能力下，电路参数满足下列要求：

技术总结
本发明公开了一种基于钢筋感应电流的无线供电系统及其参数设计方法，属于无线电能传输技术领域，解决了结构健康监测系统钢筋附近传感器供电困难的问题，本发明包括原边能量发射机构、副边能量收集机构和能量储存机构；原边能量发射机构包括交流电压源V<subgt;in</subgt;、原边谐振电路和发射线圈L<subgt;P</subgt;，原边能量发射机构在空间中产生磁场，进而钢筋网络中产生感应电流；副边能量收集机构包括能量收集线圈L<subgt;S</subgt;、串联补偿电容C<subgt;S</subgt;和整流电路H，副边能量收集线圈包裹安装于钢筋表面，用于集中钢筋感应电流产生的交变磁场，整流电路将交变磁场能量转化为直流形式。本发明能以体积较小且易于安装的能量收集线圈，实现能量以非接触方式从结构外部传递至钢筋混凝土内部。

技术研发人员：麦瑞坤,彭云尔,马恩典,陈阳,王淇,何正友
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12