小功率磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯?/h1>
2016-11-12 05:06狄東照顧華利李麗明
電力科學(xué)與工程 2016年9期
狄東照，顧華利，韓 璐，李麗明
(1. 山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東青島266590；2. 國網(wǎng)山東濰坊寒亭供電公司, 山東濰坊261100)
?
小功率磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯?/p>
狄東照1，顧華利1，韓 璐1，李麗明2
(1. 山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東青島266590；2. 國網(wǎng)山東濰坊寒亭供電公司, 山東濰坊261100)
為探索磁耦合諧振式無線電能傳輸機理，通過運用耦合模理論建立了磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，得出系統(tǒng)電磁能量的計算模型，并進一步分析了電磁能量與線圈固有損耗和耦合系數(shù)的關(guān)系，為系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。通過采用Maxwell對諧振狀態(tài)下電磁耦合諧振式無線電能傳輸電磁能量的傳輸進行了仿真，并繪制出了諧振狀態(tài)下能量傳遞的方式，驗證了理論分析的正確性。最后搭建了小功率磁耦合諧振式無線電能傳輸實驗平臺，并對其傳輸特性進行了分析，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足小功率設(shè)備的供電需求，為無線電能傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用提供了現(xiàn)實依據(jù)。
耦合模理論；磁耦合諧振；電磁能量；Maxwell
0 引言
目前，無線電能傳輸技術(shù)(WPT)是國內(nèi)及國外研究的熱點[1-4]，是一種借助于空間無形軟介質(zhì)如電場、磁場等來實現(xiàn)電能由電源端傳遞至用電設(shè)備負載的一種傳輸模式，實現(xiàn)了電源和用電設(shè)備負載的完全隔離。無線電能傳輸可分為以下幾類：電磁感應(yīng)式、電磁輻射式、電磁耦合諧振式。電磁感應(yīng)式適合于低功率、近距離傳輸；電磁輻射式適用于大功率、遠距離傳輸；電磁耦合式適用于中等功率、中等距離傳輸。由于前兩種傳輸方式存在傳輸距離短和對人體有害等缺點，使得其應(yīng)用范圍受到極大限制。因此，現(xiàn)在的主要研究對象是電磁耦合諧振式無線電能傳輸，其利用發(fā)射線圈和接收線圈處于諧振狀態(tài)時通過線圈間磁場的近場傳輸實現(xiàn)能量的無線傳輸。無線電能傳輸技術(shù)適用于一些不方便拖帶電線的工作環(huán)境，如在交通運輸、便攜通訊、航空航天、水下探測[3]。2007年美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)在中等距離無線傳輸方面取得了新的進展，在2 m開外的地方成功點亮了60 W的燈泡，效率達到了40%[5]。
近年來，世界各國研究人員對無線電能傳輸?shù)难芯咳〉昧撕艽蟮倪M展。文獻[6]通過ANSYS對磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的磁感應(yīng)強度進行了仿真分析；文獻[7]中講述了諧振狀態(tài)與非諧振狀態(tài)兩種不同狀態(tài)下的能量傳遞，通過對比可以得知只有在諧振狀態(tài)下才能進行能量的傳遞，但是該文獻沒有對影響電能傳遞的因素進行詳細講述；文獻[8～10]對無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸特性進行了分析。
本文首先通過采用耦合模理論對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行分析，分別詳細講述了耦合因數(shù)和線圈固有損耗對電能傳輸?shù)挠绊憽Ｈ缓蟛捎肕axwell對線圈間電磁能量的磁路進行仿真分析，驗證了理論分析的正確性。最后搭建了小功率磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)膶嶒炂脚_，并對其傳輸特性進行了分析。
1 磁耦合諧振式無線電能傳輸模型分析
磁耦合諧振無線電能傳輸模型等效電路如圖1所示。
圖1 無線電能傳輸?shù)刃щ娐?/p>
圖2 簡化后的無線電能傳輸?shù)刃щ娐?/p>
圖2所示為忽略集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)簡化后的兩線圈無線電能傳輸?shù)刃щ娐穲D。其中U、R1分別為激勵線圈等效變換到發(fā)射線圈的激勵源電壓、激勵源電阻；RL為負載線圈等效變換到接收線圈的電阻。
因為系統(tǒng)在工作時存在損耗，依據(jù)耦合模理論可以得知損耗型諧振系統(tǒng)的耦合模方程為：
(1)
式中：a1(t)、a2(t)分別為發(fā)射線圈和接收線圈的耦合模幅值；ω1、ω2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的固有角頻率；Γ1、Γ2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的固有損耗；k為兩個線圈的耦合系數(shù)。
對(1)進行拉普拉斯變換可得：
(2)
設(shè)定初始條件為a1(0)=1，a2(0)=0，則依據(jù)式(2)可求得：
(3)
當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈在對稱的情況下，令ω1=ω2=ω，Γ1=Γ2=Γ，對式(3)進行拉普拉斯反變換并化簡可得：
(4)
則每個線圈中所含的能量為：
(5)
由式(5)可知，系統(tǒng)中發(fā)射線圈和接收線圈所存儲的總能量為:
(6)
綜上所述線圈中所存儲的能量與線圈固有損耗Γ和耦合系數(shù)k有關(guān)，線圈固有損耗Γ反應(yīng)線圈能量衰減的速度，而耦合系數(shù)k反應(yīng)兩個線圈的耦合程度進而表現(xiàn)系統(tǒng)的傳輸能力。只有當(dāng)這兩者處于某一個關(guān)系時，系統(tǒng)才能實現(xiàn)高效傳輸，其系統(tǒng)能量交換如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)能量交換圖
通過對圖3分析可以得知，系統(tǒng)能量的傳遞是雙向的，且發(fā)射線圈和接收線圈完成一次能量交換的時間要遠遠小于系統(tǒng)總能量完全衰減的時間。在保持線圈固有損耗Γ不變的情況下減小耦合系數(shù)k值，其能量交換如圖3(c)所示，由分析可以得知發(fā)射線圈和接收線圈完成一次能量交換的時間相較于圖3(a)變長了，就導(dǎo)致在相同時間內(nèi)系統(tǒng)中所存儲的能量變少了，這樣會降低系統(tǒng)能量傳輸?shù)男?。在保持耦合系?shù)k不變的情況下增大線圈的固有損耗Γ值，可得圖3(b)所示的能量交換圖，從圖中可以得知系統(tǒng)能量的衰減速度相較于圖3(a)變得較快，這樣不利于系統(tǒng)能量的傳輸。
通過上述分析得知，線圈固有損耗Γ和耦合系數(shù)k嚴(yán)重影響系統(tǒng)能量的傳輸。只有當(dāng)線圈固有損耗Γ和耦合系數(shù)k處于某一個關(guān)系時，系統(tǒng)才能實現(xiàn)高效傳輸。而通過對能量傳輸?shù)姆治隹梢缘弥挥性谑?7)成立時，系統(tǒng)才能保持高效傳輸。
(7)
當(dāng)式(7)成立時系統(tǒng)處于強耦合狀態(tài)，此時兩線圈間完成能量交換的時間要遠遠小于線圈自身完全消耗能量的時間，能實現(xiàn)能量的高效傳遞。
2 Maxwell仿真
本文應(yīng)用Maxwell對發(fā)射線圈和接收線圈間能量的傳遞進行了仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)能量傳遞仿真圖
磁耦合諧振式無線電能傳輸是以磁場為傳輸媒介來實現(xiàn)電能的傳輸，從仿真結(jié)果圖4(a)可以看出，接收線圈磁感應(yīng)強度B非常小，此時能量由發(fā)射線圈向接收線圈傳遞，一段時間后接收線圈磁感應(yīng)強度變大與發(fā)射線圈磁感應(yīng)強度相當(dāng)如圖4(b)所示，再過一段時間后發(fā)射線圈的磁感應(yīng)強度變得很小如圖4(c)所示，到此時就完成能量由發(fā)射線圈向接收線圈傳遞的過程。隨后發(fā)射線圈的磁感應(yīng)強度變大，從圖4(c)和(d)可以明顯觀測到能量開始由接收線圈向發(fā)射線圈傳遞，可以得到如圖5所示的接收側(cè)線圈電壓隨電磁能量傳遞的變化曲線。
圖5 接收側(cè)線圈電壓曲線
通過對圖4和圖5的分析可知，接收側(cè)電壓隨著磁感應(yīng)強度的增強而增大。由于系統(tǒng)處于強耦合狀態(tài)，能量損耗較小使得接收側(cè)線圈電壓幅值基本保持不變。
3 實驗研究
本實驗中使用的直流穩(wěn)壓電源是LP3005D，額定電壓30 V額定電流5 A，能夠滿足實驗的需求。高頻逆變電路中采用MOSFET作為開關(guān)管，其工作頻率為1 MHz；發(fā)送端和接收端兩線圈均為漆包線繞制的平面諧振線圈，發(fā)送線圈和接收線圈外徑均為44 mm。收發(fā)線圈電感值均為22.9 μH，電容均為1.1 pF，實驗平臺如圖6所示。
圖6 實驗平臺
設(shè)定發(fā)射線圈和接收線圈的初始距離為8 cm，每隔1 cm測試一次接收側(cè)線圈電壓值。把實驗測得數(shù)據(jù)進行整理，可繪制如圖7所示的圖形。
圖7 負載電壓輸出特性曲線
從圖7曲線可以得知，當(dāng)距離大于1 cm時，系統(tǒng)處于欠耦合狀態(tài)，接收側(cè)線圈電壓值隨著線圈距離的減小而不斷增大。當(dāng)距離到達1 cm時，系統(tǒng)處于臨界耦合狀態(tài)，接收側(cè)線圈電壓值會到達一個最大值，此時系統(tǒng)的傳輸效率為38%。如果線圈間距離繼續(xù)減小，接收側(cè)線圈電壓值就會減小。這是因為隨著兩線圈距離的不斷減小，耦合系數(shù)逐漸增大，系統(tǒng)就會工作在過耦合狀態(tài)這將導(dǎo)致線圈的電感和電容值發(fā)生變化，進而導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生偏移，即出現(xiàn)了頻率分裂現(xiàn)象。
4 結(jié)論
本文依據(jù)無線能量傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，運用耦合模理論分析了磁耦合諧振式無線電磁能量傳輸?shù)姆绞?，得知電磁能量在線圈間傳遞是雙向的關(guān)系。通過Maxwell對電磁能量傳輸?shù)拇怕愤M行了仿真，仿真結(jié)果與理論分析一致。最后搭建了小功率磁耦合諧振式無線電能傳輸實驗平臺，當(dāng)軸向距離為1 cm時可以獲得最大電壓，為無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用提供了現(xiàn)實參考。
[1]楊慶新, 陳海燕, 徐桂芝,等. 無接觸電能傳輸技術(shù)的研究進展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2010(7):6-13.
[2]范興明, 莫小勇, 張鑫. 無線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2015(10):2584-2600.
[3]程時杰, 陳小良, 王軍華,等. 無線輸電關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(19):68-84.
[4]謝文燕, 陳琪瑯, 陳為. 無線電能傳輸磁耦合系統(tǒng)綜述[J]. 通信電源技術(shù), 2013, 30(1):9-12.
[5]任立濤. 磁耦合諧振式無線能量傳輸功率特性研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.
[6]李江, 張鵬, 馬騰, 等. 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的仿真與實驗[J]. 電機與控制學(xué)報, 2015, 19(11):72-77.
[7]趙軍, 徐桂芝, 張超,等. 一種適用于磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)的新型小尺寸諧振器的仿真與實驗[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(1):208-214.
[8]李陽. 大功率諧振式無線電能傳輸方法與實驗研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué), 2012.
[9]AHN D, HONG S. A study on magnetic field repeater in wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(1):360-371.
[10]薛慧, 劉曉文, 孫志峰,等. 基于磁耦合諧振的無線電能傳輸系統(tǒng)負載特性研究[J]. 工礦自動化, 2015, 41(3):66-70.
DI Dongzhao1, GU Huali1, HAN Lu1, LI Liming2(1. College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;2. Shandong Weifang Hanting Power Supply Company, Weifang 261100, China)
Research on Small-Power Wireless Transmission Based on Magnetic Coupling Resonance
In order to explore the wireless power transmission mechanism via magnetic coupling resonance, by using the coupled mode theory, the mathematical model of the magnetic coupling resonant wireless power transmission system is established, and the calculation model of the system energy is obtained. For the further analysis of the relationship between the electromagnetic energy, coil natural loss and coupling coefficient, this paper provides a theoretical basis for the design of the system. Maxwell is used to simulate the electromagnetic energy transmission of electromagnetic energy in the resonant state, and the mode of energy transfer in the resonant state is drawn. The correctness of the theoretical analysis is verified. Finally, a small power magnetic coupling resonant wireless power transmission experiment platform is built. Meanwhile, the transmission characteristics are analyzed, and the experimental results show that the provided system can satisfy the power demands of the low power equipment, which provides a practical basis for the application of the radio transmission system.
coupled mode theory;magnetic coupling resonance; electromagnetic energy; Maxwell
2016-05-17。
狄東照(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子技術(shù)及應(yīng)用、無線電能傳輸，E-mail:didongzhao@126.com。
TM724
A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.09.001
猜你喜歡
瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用資源信息與工程(2021年5期)2022-01-15 三維多孔電磁復(fù)合支架構(gòu)建與理化表征中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(2019年4期)2019-07-16 節(jié)能評估中變壓器損耗的簡化計算方法探究資源節(jié)約與環(huán)保(2018年1期)2018-02-08 掌握基礎(chǔ)知識 不懼電磁偏轉(zhuǎn) 基于降低損耗和控制投資的變壓器容量選擇鐵路技術(shù)創(chuàng)新(2016年4期)2016-09-10 自我損耗理論視角下的編輯審讀新聞傳播(2016年11期)2016-07-10 諧振式單開關(guān)多路輸出Boost LED驅(qū)動電源西南交通大學(xué)學(xué)報(2016年3期)2016-06-15 LLC半橋諧振變換器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)照明工程學(xué)報(2016年3期)2016-06-01 基于CM6901 的LLC半橋諧振開關(guān)電源設(shè)計通信電源技術(shù)(2016年4期)2016-04-04 雙線圈電磁系統(tǒng)電磁吸力仿真計算智能建筑電氣技術(shù)(2015年5期)2015-12-10
狄東照，顧華利，韓 璐，李麗明
(1. 山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東青島266590；2. 國網(wǎng)山東濰坊寒亭供電公司, 山東濰坊261100)
?
小功率磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯?/p>
狄東照1，顧華利1，韓 璐1，李麗明2
(1. 山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東青島266590；2. 國網(wǎng)山東濰坊寒亭供電公司, 山東濰坊261100)
為探索磁耦合諧振式無線電能傳輸機理，通過運用耦合模理論建立了磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，得出系統(tǒng)電磁能量的計算模型，并進一步分析了電磁能量與線圈固有損耗和耦合系數(shù)的關(guān)系，為系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。通過采用Maxwell對諧振狀態(tài)下電磁耦合諧振式無線電能傳輸電磁能量的傳輸進行了仿真，并繪制出了諧振狀態(tài)下能量傳遞的方式，驗證了理論分析的正確性。最后搭建了小功率磁耦合諧振式無線電能傳輸實驗平臺，并對其傳輸特性進行了分析，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足小功率設(shè)備的供電需求，為無線電能傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用提供了現(xiàn)實依據(jù)。
耦合模理論；磁耦合諧振；電磁能量；Maxwell
0 引言
目前，無線電能傳輸技術(shù)(WPT)是國內(nèi)及國外研究的熱點[1-4]，是一種借助于空間無形軟介質(zhì)如電場、磁場等來實現(xiàn)電能由電源端傳遞至用電設(shè)備負載的一種傳輸模式，實現(xiàn)了電源和用電設(shè)備負載的完全隔離。無線電能傳輸可分為以下幾類：電磁感應(yīng)式、電磁輻射式、電磁耦合諧振式。電磁感應(yīng)式適合于低功率、近距離傳輸；電磁輻射式適用于大功率、遠距離傳輸；電磁耦合式適用于中等功率、中等距離傳輸。由于前兩種傳輸方式存在傳輸距離短和對人體有害等缺點，使得其應(yīng)用范圍受到極大限制。因此，現(xiàn)在的主要研究對象是電磁耦合諧振式無線電能傳輸，其利用發(fā)射線圈和接收線圈處于諧振狀態(tài)時通過線圈間磁場的近場傳輸實現(xiàn)能量的無線傳輸。無線電能傳輸技術(shù)適用于一些不方便拖帶電線的工作環(huán)境，如在交通運輸、便攜通訊、航空航天、水下探測[3]。2007年美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)在中等距離無線傳輸方面取得了新的進展，在2 m開外的地方成功點亮了60 W的燈泡，效率達到了40%[5]。
近年來，世界各國研究人員對無線電能傳輸?shù)难芯咳〉昧撕艽蟮倪M展。文獻[6]通過ANSYS對磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的磁感應(yīng)強度進行了仿真分析；文獻[7]中講述了諧振狀態(tài)與非諧振狀態(tài)兩種不同狀態(tài)下的能量傳遞，通過對比可以得知只有在諧振狀態(tài)下才能進行能量的傳遞，但是該文獻沒有對影響電能傳遞的因素進行詳細講述；文獻[8～10]對無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸特性進行了分析。
本文首先通過采用耦合模理論對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行分析，分別詳細講述了耦合因數(shù)和線圈固有損耗對電能傳輸?shù)挠绊憽Ｈ缓蟛捎肕axwell對線圈間電磁能量的磁路進行仿真分析，驗證了理論分析的正確性。最后搭建了小功率磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)膶嶒炂脚_，并對其傳輸特性進行了分析。
1 磁耦合諧振式無線電能傳輸模型分析
磁耦合諧振無線電能傳輸模型等效電路如圖1所示。
圖1 無線電能傳輸?shù)刃щ娐?/p>
圖2 簡化后的無線電能傳輸?shù)刃щ娐?/p>
圖2所示為忽略集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)簡化后的兩線圈無線電能傳輸?shù)刃щ娐穲D。其中U、R1分別為激勵線圈等效變換到發(fā)射線圈的激勵源電壓、激勵源電阻；RL為負載線圈等效變換到接收線圈的電阻。
因為系統(tǒng)在工作時存在損耗，依據(jù)耦合模理論可以得知損耗型諧振系統(tǒng)的耦合模方程為：
(1)
式中：a1(t)、a2(t)分別為發(fā)射線圈和接收線圈的耦合模幅值；ω1、ω2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的固有角頻率；Γ1、Γ2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的固有損耗；k為兩個線圈的耦合系數(shù)。
對(1)進行拉普拉斯變換可得：
(2)
設(shè)定初始條件為a1(0)=1，a2(0)=0，則依據(jù)式(2)可求得：
(3)
當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈在對稱的情況下，令ω1=ω2=ω，Γ1=Γ2=Γ，對式(3)進行拉普拉斯反變換并化簡可得：
(4)
則每個線圈中所含的能量為：
(5)
由式(5)可知，系統(tǒng)中發(fā)射線圈和接收線圈所存儲的總能量為:
(6)
綜上所述線圈中所存儲的能量與線圈固有損耗Γ和耦合系數(shù)k有關(guān)，線圈固有損耗Γ反應(yīng)線圈能量衰減的速度，而耦合系數(shù)k反應(yīng)兩個線圈的耦合程度進而表現(xiàn)系統(tǒng)的傳輸能力。只有當(dāng)這兩者處于某一個關(guān)系時，系統(tǒng)才能實現(xiàn)高效傳輸，其系統(tǒng)能量交換如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)能量交換圖
通過對圖3分析可以得知，系統(tǒng)能量的傳遞是雙向的，且發(fā)射線圈和接收線圈完成一次能量交換的時間要遠遠小于系統(tǒng)總能量完全衰減的時間。在保持線圈固有損耗Γ不變的情況下減小耦合系數(shù)k值，其能量交換如圖3(c)所示，由分析可以得知發(fā)射線圈和接收線圈完成一次能量交換的時間相較于圖3(a)變長了，就導(dǎo)致在相同時間內(nèi)系統(tǒng)中所存儲的能量變少了，這樣會降低系統(tǒng)能量傳輸?shù)男?。在保持耦合系?shù)k不變的情況下增大線圈的固有損耗Γ值，可得圖3(b)所示的能量交換圖，從圖中可以得知系統(tǒng)能量的衰減速度相較于圖3(a)變得較快，這樣不利于系統(tǒng)能量的傳輸。
通過上述分析得知，線圈固有損耗Γ和耦合系數(shù)k嚴(yán)重影響系統(tǒng)能量的傳輸。只有當(dāng)線圈固有損耗Γ和耦合系數(shù)k處于某一個關(guān)系時，系統(tǒng)才能實現(xiàn)高效傳輸。而通過對能量傳輸?shù)姆治隹梢缘弥挥性谑?7)成立時，系統(tǒng)才能保持高效傳輸。
(7)
當(dāng)式(7)成立時系統(tǒng)處于強耦合狀態(tài)，此時兩線圈間完成能量交換的時間要遠遠小于線圈自身完全消耗能量的時間，能實現(xiàn)能量的高效傳遞。
2 Maxwell仿真
本文應(yīng)用Maxwell對發(fā)射線圈和接收線圈間能量的傳遞進行了仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)能量傳遞仿真圖
磁耦合諧振式無線電能傳輸是以磁場為傳輸媒介來實現(xiàn)電能的傳輸，從仿真結(jié)果圖4(a)可以看出，接收線圈磁感應(yīng)強度B非常小，此時能量由發(fā)射線圈向接收線圈傳遞，一段時間后接收線圈磁感應(yīng)強度變大與發(fā)射線圈磁感應(yīng)強度相當(dāng)如圖4(b)所示，再過一段時間后發(fā)射線圈的磁感應(yīng)強度變得很小如圖4(c)所示，到此時就完成能量由發(fā)射線圈向接收線圈傳遞的過程。隨后發(fā)射線圈的磁感應(yīng)強度變大，從圖4(c)和(d)可以明顯觀測到能量開始由接收線圈向發(fā)射線圈傳遞，可以得到如圖5所示的接收側(cè)線圈電壓隨電磁能量傳遞的變化曲線。
圖5 接收側(cè)線圈電壓曲線
通過對圖4和圖5的分析可知，接收側(cè)電壓隨著磁感應(yīng)強度的增強而增大。由于系統(tǒng)處于強耦合狀態(tài)，能量損耗較小使得接收側(cè)線圈電壓幅值基本保持不變。
3 實驗研究
本實驗中使用的直流穩(wěn)壓電源是LP3005D，額定電壓30 V額定電流5 A，能夠滿足實驗的需求。高頻逆變電路中采用MOSFET作為開關(guān)管，其工作頻率為1 MHz；發(fā)送端和接收端兩線圈均為漆包線繞制的平面諧振線圈，發(fā)送線圈和接收線圈外徑均為44 mm。收發(fā)線圈電感值均為22.9 μH，電容均為1.1 pF，實驗平臺如圖6所示。
圖6 實驗平臺
設(shè)定發(fā)射線圈和接收線圈的初始距離為8 cm，每隔1 cm測試一次接收側(cè)線圈電壓值。把實驗測得數(shù)據(jù)進行整理，可繪制如圖7所示的圖形。
圖7 負載電壓輸出特性曲線
從圖7曲線可以得知，當(dāng)距離大于1 cm時，系統(tǒng)處于欠耦合狀態(tài)，接收側(cè)線圈電壓值隨著線圈距離的減小而不斷增大。當(dāng)距離到達1 cm時，系統(tǒng)處于臨界耦合狀態(tài)，接收側(cè)線圈電壓值會到達一個最大值，此時系統(tǒng)的傳輸效率為38%。如果線圈間距離繼續(xù)減小，接收側(cè)線圈電壓值就會減小。這是因為隨著兩線圈距離的不斷減小，耦合系數(shù)逐漸增大，系統(tǒng)就會工作在過耦合狀態(tài)這將導(dǎo)致線圈的電感和電容值發(fā)生變化，進而導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生偏移，即出現(xiàn)了頻率分裂現(xiàn)象。
4 結(jié)論
本文依據(jù)無線能量傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，運用耦合模理論分析了磁耦合諧振式無線電磁能量傳輸?shù)姆绞?，得知電磁能量在線圈間傳遞是雙向的關(guān)系。通過Maxwell對電磁能量傳輸?shù)拇怕愤M行了仿真，仿真結(jié)果與理論分析一致。最后搭建了小功率磁耦合諧振式無線電能傳輸實驗平臺，當(dāng)軸向距離為1 cm時可以獲得最大電壓，為無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用提供了現(xiàn)實參考。
[1]楊慶新, 陳海燕, 徐桂芝,等. 無接觸電能傳輸技術(shù)的研究進展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2010(7):6-13.
[2]范興明, 莫小勇, 張鑫. 無線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2015(10):2584-2600.
[3]程時杰, 陳小良, 王軍華,等. 無線輸電關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(19):68-84.
[4]謝文燕, 陳琪瑯, 陳為. 無線電能傳輸磁耦合系統(tǒng)綜述[J]. 通信電源技術(shù), 2013, 30(1):9-12.
[5]任立濤. 磁耦合諧振式無線能量傳輸功率特性研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.
[6]李江, 張鵬, 馬騰, 等. 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的仿真與實驗[J]. 電機與控制學(xué)報, 2015, 19(11):72-77.
[7]趙軍, 徐桂芝, 張超,等. 一種適用于磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)的新型小尺寸諧振器的仿真與實驗[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(1):208-214.
[8]李陽. 大功率諧振式無線電能傳輸方法與實驗研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué), 2012.
[9]AHN D, HONG S. A study on magnetic field repeater in wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(1):360-371.
[10]薛慧, 劉曉文, 孫志峰,等. 基于磁耦合諧振的無線電能傳輸系統(tǒng)負載特性研究[J]. 工礦自動化, 2015, 41(3):66-70.
DI Dongzhao1, GU Huali1, HAN Lu1, LI Liming2(1. College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;2. Shandong Weifang Hanting Power Supply Company, Weifang 261100, China)
Research on Small-Power Wireless Transmission Based on Magnetic Coupling Resonance
In order to explore the wireless power transmission mechanism via magnetic coupling resonance, by using the coupled mode theory, the mathematical model of the magnetic coupling resonant wireless power transmission system is established, and the calculation model of the system energy is obtained. For the further analysis of the relationship between the electromagnetic energy, coil natural loss and coupling coefficient, this paper provides a theoretical basis for the design of the system. Maxwell is used to simulate the electromagnetic energy transmission of electromagnetic energy in the resonant state, and the mode of energy transfer in the resonant state is drawn. The correctness of the theoretical analysis is verified. Finally, a small power magnetic coupling resonant wireless power transmission experiment platform is built. Meanwhile, the transmission characteristics are analyzed, and the experimental results show that the provided system can satisfy the power demands of the low power equipment, which provides a practical basis for the application of the radio transmission system.
coupled mode theory;magnetic coupling resonance; electromagnetic energy; Maxwell
2016-05-17。
狄東照(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子技術(shù)及應(yīng)用、無線電能傳輸，E-mail:didongzhao@126.com。
TM724
A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.09.001
猜你喜歡
資源信息與工程(2021年5期)2022-01-15
中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(2019年4期)2019-07-16
資源節(jié)約與環(huán)保(2018年1期)2018-02-08
鐵路技術(shù)創(chuàng)新(2016年4期)2016-09-10
新聞傳播(2016年11期)2016-07-10
西南交通大學(xué)學(xué)報(2016年3期)2016-06-15
照明工程學(xué)報(2016年3期)2016-06-01
通信電源技術(shù)(2016年4期)2016-04-04
智能建筑電氣技術(shù)(2015年5期)2015-12-10
