[發(fā)明專利]正向并聯(lián)線圈電磁諧振能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710662935.X
• 申請日: 2017-08-04
• 公開（公告）號: CN107546866B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 施艷艷;王萌;梁潔;高偉康
• 申請（專利權(quán)）人: 河南師范大學(xué)
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;H02J50/40;H02J50/90;H02J7/00
• 代理公司: 新鄉(xiāng)市平原智匯知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發(fā)明公開了正向并聯(lián)線圈電磁諧振能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計方法，涉及一種應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)碾p正向并聯(lián)諧振線圈制造方法。主要解決了無線電能傳輸系統(tǒng)近距離能量傳輸時，由于頻率分裂的影響導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率低下的問題。設(shè)計了一種雙層繞制的發(fā)射線圈，即在原有單層單向繞制發(fā)射線圈的內(nèi)部空間以相同方向繞制具有一定匝數(shù)內(nèi)部線圈，使外部線圈和內(nèi)部線圈“頭頭相連，尾尾相連”組成雙正向并聯(lián)結(jié)構(gòu)。雙正向并聯(lián)線圈結(jié)構(gòu)能夠抑制收發(fā)線圈之間耦合強度的劇烈變化，減小近距離能量傳輸時頻率分裂對系統(tǒng)傳輸效率所產(chǎn)生的影響。提高無線電能傳輸在近距離能量傳輸時，諧振頻率處的傳輸效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及正向并聯(lián)線圈電磁諧振能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計方法。

背景技術(shù)

磁耦合諧振式無線電能傳輸(wireless power transfer via magneticresonant coupling,WPT/MRC)技術(shù)具有傳輸距離中等、傳輸效率高、能穿過非磁導(dǎo)性障礙物傳輸電能等優(yōu)點，使其有望取代電池成為物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點無線供電。但是，磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率隨傳輸距離改變變化十分劇烈。

WPT/MRC系統(tǒng)只能在某一特定距離在系統(tǒng)工作于諧振頻率處實現(xiàn)最大能力傳輸效率，當(dāng)傳輸距離變大，盡管系統(tǒng)仍在諧振頻率處具有最大能力傳輸系數(shù)，但是其數(shù)值會隨著諧振線圈耦合系數(shù)的減弱而大幅降低；當(dāng)傳輸距離較近時，諧振頻率處的傳輸系數(shù)還會因為線圈之間耦合過強而減弱，而系統(tǒng)最佳能量傳輸頻點也將分裂成諧振頻率兩側(cè)的兩個頻率點，該現(xiàn)象也被稱為“頻率分裂(frequency spllitting)”。

為了抑制頻率分裂，可以采用頻率跟蹤、阻抗匹配、改變線圈結(jié)構(gòu)等方法。頻率跟蹤技術(shù)是通過在WPT/MRC系統(tǒng)中附加高頻電流檢測器、差分放大器、相位補償器、鎖相線圈等一系列復(fù)雜的電路來實現(xiàn)對發(fā)射回路諧振頻率的跟蹤控制，進而抑制頻率分裂。但是，這些附加的電路會使系統(tǒng)變得復(fù)雜，也會消耗額外的能量。阻抗匹配方法是在WPT/MRC系統(tǒng)中使用可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來抑制頻率分裂，但是需要逆變電路、反饋電路、控制電路等根據(jù)傳輸?shù)木嚯x來調(diào)整匹配阻抗。此外，還可以通過改變線圈的結(jié)構(gòu)的方式抑制頻率分裂。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了實現(xiàn)在系統(tǒng)中不附加額外復(fù)雜電路、消耗多余能量的同時，能夠有效抑制WPT/MRC中出現(xiàn)的頻率分裂，從而提供一種正向并聯(lián)線圈電磁諧振能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計方法。

正向并聯(lián)線圈電磁諧振能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計方法，它由以下步驟實現(xiàn)；

步驟一、WPT/MRC系統(tǒng)發(fā)射端為雙正向并聯(lián)線圈，即雙正向并聯(lián)線圈作為發(fā)射線圈；接收端為單向線圈，即單向線圈作為接收線圈；雙正向并聯(lián)線圈由兩個繞線方向相同，半徑不同的線圈“頭頭相連，尾尾相連”并聯(lián)組成；半徑小的線圈嵌在半徑大的線圈內(nèi)部；接收線圈為單向線圈，繞線方向和雙正向并聯(lián)線圈一致；所有線圈均為圓形螺旋線圈；將發(fā)射端雙正向并聯(lián)線圈和接收端單向線圈同軸放置，并設(shè)定接收端單向線圈的半徑為r_R，匝數(shù)為n_R，設(shè)定發(fā)射端組成雙正向并聯(lián)線圈的兩個線圈半徑分別為r_T¹和r_T²，其中r_T¹＞r_T²；

步驟二、線圈自感公式為：

式中，μ₀為真空磁導(dǎo)率(4π×10^-7H/m)，r為線圈半徑，n為線圈匝數(shù)，a為導(dǎo)線半徑。

兩單匝圓線圈之間的互感公式為：

式中，r₁，r₂分別是兩單匝圓線圈的半徑，d為兩單匝圓線圈間的距離，K(k)和E(k)分別是第一類和第二類橢圓積分。