非对称磁耦合谐振式无线电能传输系统研究.pdf

第 4 2卷 第 5 期 2 0 1 6年 5月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO． 5 M a y 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 6 O 5 0 0 6 3 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 5 ． 0 1 4 樊英杰 ， 张开如 ， 张琳琳 ， 等． 非对称 磁耦合谐振式无线 电能传输 系统 研究 E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 5 6 3 6 6 ． 非对称磁耦合谐振式无线电能传输系统研究 樊 英杰 一， 张开如 h ， 张琳 琳 ， 王毅h 。 ， 狄 东照 1 ． 山东科技大学 电气与 自动化工程学院 ， 山东 青 岛 2 6 6 5 9 0 ； 2 ． 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地 ，山东 青岛 2 6 6 5 9 0 摘要 根据非对称磁耦合谐振式无线电能传输 系统的等效模型， 指出了磁耦合谐振 式无线电能传输为磁 耦合感应式无线电能传输的特殊情况， 即磁耦合谐振式无线电能传输 只有在谐振频率处才能实现远距 离能 量 传 输 ； 给 出 了抑制 频 率分 裂的 方法 ， 即通 过调 整发 射 线 圈和接 收线 圈轴 线方 向 的偏 转 角度和 径 向距 离来 削 弱互 感 系数 ， 提 高接 收 线 圈的峰值 电压 ； 搭 建 了非 对称磁 耦 合 谐振 式 无 线 电能传 输 系统 实验 平 台 ， 实验 结果 验 证 了理 论 分析 的正确 性 。 关键 词 无线 电能 传输 ； 磁耦 合 谐振 ；非对 称 线 圈 ； 频 率分 裂 ；偏 转 角度 ；径 向距 离 中图分类号 TD 6 7 文献标志码 A 网络 出版时间 2 0 1 6 0 4 2 9 1 1 3 0 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 4 2 9 ． 1 1 3 0 ． 0 1 4 ． h t ml St ud y o f a s y mme t r i c a l ma gn e t i c c o u pl e d r e s o na n t wi r e l e s s p o we r t r a ns mi s s i o n s y s t e m F AN Yi n g j i e - 一 ， Z HANG Ka i r u 一， Z HANG L i n l i n 一， WANG Y i ， DI Do n g z h a o ’ 。 1． Col l e ge o f El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng a n d Aut o ma t i o n，Sha n do ng Uni v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c hn ol o g y， Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0 ，Ch i n a ；2． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Mi n i n g Di s a s t e r Pr e v e n t i o n a n d Co n t r o l Co f o u n d e d by Sha nd o ng Pr ov i n c e a n d t he M i ni s t r y o f Sc i e nc e a n d Te c hn ol o gy，Sh a nd o ng Uni v e r s i t y o f Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o e q u i v a l e n t mo d e l o f a s y mme t r i c a l ma g n e t i c c o u p l e d r e s o n a n t wi r e l e s s p o we r t r a n s mi s s i o n s y s t e m ，a v i e w wa s po i nt e d ou t t h a t ma g ne t i c c ou pl e d r e s o na n t wi r e l e s s po we r t r a ns m i s s i on whi c h c o ul d ma i nt a i n l o n g d i s t a nc e t r a n s mi s s i o n a t r e s on a nc e f r e qu e n c y wa s a s pe c i a l c a s e o f m a gne t i c c o u p l e d i n d u c t i v e wi r e l e s s p o we r t r a n s mi s s i o n．M e t h o d s o f r e s t r a i n i n g f r e q u e n c y s p l i t t i n g we r e g i v e n ， na me l y c ha n gi ng o f f s e t a n gl e a n d r a di a l d i s t a nc e o f a x i a l d i r e c t i o n of t r a n s mi t t i ng c o i l a n d r e c e i v i n g c o i l t o 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 1 0 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 3 2 5 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 2 B AB1 3 B 0 4 ； 国际 中国一南非 科技合作项 目 C S 0 6 一 L 0 2 。 作者简介 樊英杰 1 9 9 O 一 ， 男 ， 山东 日照人 ， 硕士研究 生， 研究方 向为控 制理论 与控制工程 ， E ma i l 7 7 0 6 5 0 6 3 5 q q ． c o rn。 r 2 9 ] F UK UI K， TAK E UC HI T， HA YAS HI N0 K， e t a 1 ．T- s h a p e d a n o d e Ga N s c h o t t k y b a r r i e r d i o d e f o r mi c r o wa v e p o we r r e c t i f i c a t i o n[ C ff／ I E E E MT T _ s I n t e r n a t i o n a l M i c r o wa v e W o r k s h o p S e r i e s o n I n n o v a t i v e W i r e l e s s Po we r Tr a n s mi s s i o n Te c h n o l o g i e s ， S y s t e ms ， a n d Ap p l i c a t i o n s ， Ky o t o， 20 12 1 0 - I 1． [ 3 O ] HU0 Y，wAN G T，L I U F ，e t a 1 ．An g u l a r p o we r d i s t r i b u t i o n o f wi r e l e s s c h a n n e l i n mi n e t u n n e l s [ J ] ． TEL KOMNI KAI n d o n e s i a n J o u r n a l o f El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，2 0 1 3 ， 1 1 3 1 4 2 2 1 4 3 5 ． [ 3 1 ] G UAN K， Z HONG Z ， A I B ， e t a 1 ． C o mp l e t e p r o p a g a t i o n mo d e l i n t u n n e l s [ J ] ．I E E E An t e n n a s a n d W i r e l e s s P r o p a g a t i o n Le t t e r s ，2 0 1 3 ， 1 27 4 1 7 4 4 ． r 3 2 ] RI S S AFI Y，TAL BI L， GHADDAR M． Ex p e r i me n t a l c h a r a c t e r i z a t i 0 n o f a n UW B p r o p a g a t i o n c h a n n e l i n u n d e r g r o u n d m i n e s [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n An t e n n a s a n d P r o p a g a t i o n，2 0 1 2， 6 0 1 2 4 0 - 2 4 6 ． 6 4 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 r e d u c e mu t u a l i n d u c t a n c e c o e f f i c i e n t a n d i mp r o v e p e a k v o l t a g e o f t h e r e c e i v i n g c o i l ．Fi n a l l y，e x p e r i me n t a l pl a t f o r m o f a s y mm e t r i c a l ma gn e t i c c o up l e d r e s o na n t wi r e l e s s po we r t r a n s mi s s i on s ys t e m wa s b ui l t a n d t he e x pe r i me n t a l r e s ul t s ve r i f i e d c o r r e c t ne s s o f t he or e t i c a l a n a l ys i s ． Ke y wo r ds wi r e l e s s p owe r t r a ns m i s s i o n； ma gn e t i c c o up l e d r e s o na n c e； a s y m m e t r i c c o i l ； f r e qu e n c y s p l i t t i n g；of f s e t a ng l e；r a d i a l di s t a n c e 0 引言 无线电能传输技术是一种借助于空间无形软介 质如电场 、 磁场等将 电能 由电源端传递至用 电设备 的传 输 模 式 ， 实 现 了 电源 和用 电设 备 的完 全 隔 离l 1 ] ， 解决 了传 统导 线直 接 接触供 电的缺 陷， 是 一 种安全有效的电能传输方式_ 3 _ 6 ] 。参考文献[ 7 ] 介 绍了无线电能传输 的几种方式， 其中磁耦合感应式 无线电能传输距离非常近， 传输距离为 1 c m 以内， 而磁耦合谐振式无线电能传输方式可实现中等远距 离传输。参考文献[ 8 ] 详细分析 了磁耦合谐振式无 线电能传输发生频率分裂的相关 因素 ， 并将耦合程 度分为过耦合 、 临界耦合 、 欠耦合 。参 考文献 [ 9 ] 指 出通过频率跟踪、 阻抗匹配 、 调整互感系数来削弱频 率分裂现象。参考文献E l O ] 给出了发射线圈与接收 线圈轴线方向的夹角与互感系数之间的关系。以上 研究是基于发射线圈和接收线圈完全对称 的情况 ， 而现实中大多数情况下发射线圈和接收线圈不能保 持对 称 ， 因此 对称 式 无 线 电 能传 输 的应 用 受 到 了一 定约束 。本文根据非对称磁耦合谐振式无线电能传 输系统的等效 电路 ， 分析了磁耦合谐振式无线电能 传输和磁耦合感应式无线电能传输之间的关系以及 抑制频率分裂的方法， 设计 了非对称磁耦合谐振式 无线电能传输系统实验电路 ， 对理论分析 的结果进 行 了实 验验证 。 1 非对称磁耦 合谐振式 无线 电能传输 系统模型分析 忽略集肤效应和邻近效应的非对称磁耦合谐振 式 无线 电能传 输 系 统等 效 电路 如 图 1所 示 。U 为 交 流 电 压源 ； R ， R 分 别 为发 射 线 圈 与接 收 线 圈 串 联 的等效阻抗 ； L ， L 分别为发射线圈与接收线圈 的等效 电感 ； C ， C 。分别为发射线圈与接收线圈串 联 的谐振电容 ； M 为发射线圈与接收线圈之间的互 感系数 ； J ， f 分别为流过发射线圈与接收线圈的电 流。发射线圈与接收线圈不对称 ， 则 L ≠L ， C ≠ C z ， R1 ≠R2 。 根据基尔霍夫 电压定律 KVL 可得 Rl 图 1 非对称磁耦合谐振式无线 电能传输系统等效 电路 R 1 j ∞ L 一 一 M ’ 一 M R 2 j 叫 L z 1 式 中 叫为交 流 电压 源 的角频 率 。 解 式 1 可 得 『 而 l 丽 ； 式 中 为角频 率 偏 移 的程 度 ， 一Q ∞ ／ ∞ 。 一c U 。 ／ c o ， Q为品质因数 ， ∞ 。 为谐振角频率； 一1 ， 2 为耦合 因数 ， 表示 发射 线 圈与 接 收 线 圈相 互 之 间的耦 合 程 度 ， M／ R 。 交流 电压 源 的输 出功率为 尸 一 R e [ s i ]； 3 接 收线 圈 串联 等 效 阻抗 接收 的 功率 P 和 电压 模值 l U1 分别为 P z l i R z 一 4 一 I i 2 R 2 l 一 5 系统传输效率为 一 P2一 再 ㈤ 一 一 根据式 6 可得传输效率的 3 D效果 ， 如图 2所 示 。随着耦 合 因 数 从 0逐 渐 增 大 到 1 ， 即 发射 线 圈 6 6 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 P 嚎 图 6 发射线圈和接收线圈轴线方向的偏转角度和径向距离 2 O ， 2 5 mm时调整偏转角度 ， 每 隔 3 。 对接 收线圈峰 值 电压 进行 采样 ， 结果 如 图 7 a 所 示 ； 分 别 在 发 射 线 圈和接 收线 圈 轴 向距 离 为 1 5 ， 2 O ， 2 5 mm 时 调 整 径向距离 ， 每隔 5 mm对接收线 圈峰值 电压进行采 样 ， 结果 如 图 7 b 所示 。 a 不同偏转角度对应 的接收线圈峰值电压 b 不 同径 向距 离 对 应 的接 收 线 圈 峰 值 电压 图 7 偏转 角度和径向距 离调整 时对 应的接收线圈峰值 电压 由图 7可 知 ， 轴 向距 离 为 2 5 mm 时 ， 随着 偏 转 角度 和径 向距 离 的增 加 ， 接 收 线 圈 峰值 电压 不 断下 降， 这是由于偏转角度 和径 向距离 的增加会降低发 射 线 圈和 接 收线圈互 感 系数 ， 从而减 小耦 合 因数 ， 使 系统从临界耦合状态进入欠耦合状态。轴向距离为 1 5 ， 2 0 mm 时 ， 随着偏 转 角 度 和径 向距离 的增加 ， 接 收线 圈峰值 电压先 增 大 后 减小 ， 这 是 由于 发 射 线 圈 和接收线圈互感 系数降低 ， 使系统从 过耦合状态进 入 临界耦合状态， 此时接收线圈峰值电压先增大 ； 继 续增大偏转角度和径 向距离 ， 则发射线圈和接收线 圈互感系数继续降低 ， 使 系统从临界耦合状态进入 欠耦合状态， 此 时接收线圈峰值 电压不断减小。通 过以上分析可知 ， 非对称磁耦合谐振式无线电能传 输系统发生频 率分裂现象 时 ， 可通过调 整发射 线 圈和 接收线 圈轴线 方 向 的偏 转 角度 和径 向距 离来 削 弱互 感系数， 抑制频率分裂， 提高接收线圈的峰值电压。 3 结语 通过分析非对称磁耦合谐振式无线电能传输系 统 的等效 模型 ， 可 知磁 耦 合谐 振式 无 线 电 能传 输 为 磁耦合感应式无线 电能传输 的特殊情况 ， 即磁耦合 谐振 式无 线 电能传输 系统 在谐 振频 率处才 能远 距离 传输 ； 针对系统发生频率分裂的现象 ， 通过调整发射 线 圈和接 收线 圈轴 线方 向的偏 转角 度和径 向距 离来 抑制频率分裂 。搭建了非对称磁耦合谐振式无线电 能传输系统实验平台， 验证 了理论分析的正确性。 参考文献 [1 ] 田子建 ， 林越 ， 陈健 ， 等． 无线输 电技术 及其 在矿井 安 全监控系统 中的应用 I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 7 3 2 3 6． [ 2] 苗可彬． 无线充 电技术在矿用 甲烷便携仪 中的应 用研 究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 5 2 6 2 8 ． [ 3] 杨庆新 ， 陈海燕 ， 徐桂芝 ， 等． 无 接触 电能传 输技 术 的 研究进展E J ] ． 电工技术学报 ， 2 0 1 0 ， 2 5 7 6 - 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