小型谐振器无线电能传输系统研究.pdf

第 4 2卷 第 3期 2 O 1 6年 3月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 3 M a r ． 2 O 1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 3 0 0 4 8 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 3 ． 0 1 1 樊英 杰 ， 张 开如 ， 狄东 照 ， 等． 小型谐 振器无 线 电能传 输系统 研究 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 3 4 8 5 1 ． 小型谐振器无线电能传输系统研究 樊英 杰 。 ， 张开如 ， 狄 东照 ， 顾 华利 ， 韩璐 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 培养基 地 ，山东 青 岛 2 6 6 5 9 O 摘 要 针 对 目前 小型无线 充 电设 备 的传 输效 率随发 射端 和接 收端距 离的变化 而波动 的 问题 ， 根据 无 线能 量传输 系统数 学模 型 ， 分析 了频率分 裂 的相 关 因素 。在 发 生频 率 分裂 时不 改 变谐振 频 率和 阻抗 参数 的条 件 下， 通过调整两谐振线圈的径向距 离来削弱两线圈的互感 系数， 从而抑制频率分裂现象， 提 高传输效率。最 后搭 建 了小型谐振 器无线 电能传输 系统 实验 平 台。 实验 结果表 明 ， 该 系统 可成功 对 负载进行 充 电 ， 具有 良好 的传 输性 能 ， 适 用于 小型无 线能量传 输设 备 。 关键词 小型谐振 器 ；无 线电能传 输 ；频率 分裂 ； 径 向距 离 中图分类号 T D6 5 5 ． 3 文献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 - 0 3 0 7 1 5 1 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ w ww． 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 3 0 7 ． 1 5 1 8 ． 0 1 1 ． h t ml St u d y o f 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 o f s ma l l s i z e r e s o n a t o r F AN Yi n g j i e 一． ZHANG Ka i r u 一， DI Do n g z h a o 一， GU Hu a l i 一， HAN Lu ， 。 1． Co l l e g e of El e c t r i c a l En gi n e e r i ng a n d Au t o m a t i o n，Sha n do n g U n i 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 ； 2． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f M i n i n g Di s a s t e r Pr e v e n t i o n a nd Con t r o l Co f o u nde d by Sha n d on g P r o v i n c e a n d t h e Mi n i s t r y ，S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c 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，Ch i n a Ab s t r a c t I n vi e w o f t he pr o bl e m t ha t t r a ns mi s s i o n e f f i c i e nc y o f s m a l l wi r e i e s s c ha r gi ng de vi c e s c ha n ge s wi t h di s t a n c e be t we e n t r a n s mi t t e r a n d r e c e i v e r ， r e l e v a nt f a c t o r s o f f r e q ue nc y s p l i t t i n g we r e a n a l yz e d a c c o r di ng t o ma t he ma t i c mo d e l o f wi r e l e s s e n e r gy t r a ns mi s s i o n s y s t e m ．U n de r t h e c o n di t i on t ha t r e s o na n t f r e qu e nc y a nd i m pe d a nc e p a r a m e t e r s do n o t c ha n ge whe n f r e q ue n c y s p l i t t i ng o c c ur s ，mut ua l i nd uc t a n c e o f t wo r e s o n a n c e c o i l s c a n b e r e d u c e d b y a d j u s t i n g r a d i a l d i s t a n c e o f t h e t wo c o i l s ， S O a s t o i n h i b i t i n g f r e q ue nc y s pl i t t i n g p he n o m e no n a n d i mpr ov e t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y． Fi n a l l y， e x p e r i me nt s pl a t f o r m o f wi r e l e s s po we r t r a ns m i s s i o n s y s t e m o f s m a l l s i z e r e s o n a t o r wa s s e t u p，a nd t he e x pe r i m e nt a l r e s ul t s s ho w t ha t t he s y s t e m c a n s u c c e s s f ul l y c ha r g e t he l o a d wi t h g o o d t r a ns mi s s i on p e r f o r ma n c e，whi c h i s s ui t a bl e f o r s m a l l wi r e l e s s e ne r gy t r a ns mi s s i o n e q ui p me n t ． Ke y wo r d s s ma l l s i z e r e s o na t or ；wi r e l e s s p owe r t r a ns m i s s i o n；f r e q ue nc y s pl i t t i ng；r a d i a l di s t a nc 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 实 现将 电能 由电源 端 传递 至 用 电 设备的一种传输模 式， 实现了电源和用电设备的完 全 隔离⋯ 。无线 电能传 输技 术可 以用 于一些 不方 便 拖带电线的场合 以及矿井 、 太 阳能空间站等不能引 起 电火花 的极 端 环 境 。2 0 0 7年 美 国麻 省 理 工 学 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 - 3 0 ； 修回 E t 期 2 0 1 6 0 1 1 2 ； 责任编辑 胡娴。 基金项 目 国家 中国一南非 科技合作项 目 C S O 6 一 L 0 2 ； “ 十二 五” 国家 科技支 撑计划项 目 2 0 1 2 B AB 1 3 B 0 4 ； 山东科 技大学 研究生 创新基 金 项 目 YC1 4 0 2l l1 。 作者简介 樊英杰 1 9 9 0 ， 男 ， 山东 日照人 ， 硕士研究生， 研究方 向为控制理论与控制 _ r 程 ， Ema il 7 7 0 6 5 0 6 3 5 q q ． c o rn。 2 0 1 6年 第 3期 樊英 杰等 小型谐 振 器无 线 电能传 输 系统研 究 4 9 院在 中等距 离无 线传输 方 面取得 了新 的进 展 ， 在 2 r n 开外的地方成功点亮了 6 o w 的灯泡 ， 其效率达 到了 4 o 【 3 ] 。目前无线 电能传 输包括 电磁感应耦 合方式 、 非辐射磁谐振耦合方式 、 基于微波辐射的传 输方式等 3种基本方式 。电磁感应耦合方式传输功 率 大但 距离 近 毫 米级 ； 微 波 辐 射 传 输 距 离 远但 不 能绕过障碍物 ， 因此传输效率低下 ； 非辐射磁谐振耦 合 方式 利 用 2个或 2 个 以上具 有相 同 固有频 率 的电 磁系统之间的强耦合来实现 中等距离能量传输 ， 该 方 法 可在 数米 内实 现 无 线 充 电 ， 即使 是 存 在 非 磁 性 障碍物的条件下也能高效传输[ 4 3 。参考文献[ 5 3 根 据耦合模型理论解释 了磁耦合谐振无线能量系统传 输规 律 ， 指 出两谐 振 线 圈 在 谐 振 状 态 时 能 量是 相 互 传递 的。参考文献[ 6 3 介绍 了 3种抑制频率分裂 的 方法 ， 即频率跟踪法 、 负载匹配法 、 降低互感系数法 。 参 考文 献 [ 7 ] 证 明 了调整 两 线 圈 中任 意 一 方 的偏 移 角 度或 径 向距 离可 以削 弱互 感 系数 。本文 根 据无线 电能传 输 的数 学模 型 ， 设 计 了小 型 谐 振 器 无线 电能 传 输 系统实 验 电路 ， 在频 率 发生 分裂 时 ， 通 过调 整两 线圈之间的径 向距离来抑制频率分裂现象， 提高传 输 效率 。 1无 线 充 电模 型 分析 忽略 集肤 效应 和邻 近效 应 的无 线 电能传 输等 效 电路 如 图 1 a 所 示 。其 中 U。 ， R 为 交 流 电压 源 和 等 效 阻抗 ； R 。 ， R 。为 发射 绕 组 与 接 收绕 组 的损 耗 电 阻和辐射电阻之和 ； R 为 负载等效阻抗 ； C ， C 。为 发射绕组与接 收绕组外 接谐振 电容 ； M1 为互感系 数 ； 两 回路 电流为 I ， I 。 。根据 电路基 本原 理 ， 等 效 电 路左右两侧参数对称时能够实现能量最大传输效率。 设 R1 R2 一R3 R4 一R， L 2 一L3 一L， C 1 C 2 ， Ml 2 一 M， 则无线电能传输电路可简化为图 1 b 所示。 R Us R 4 U。 R R a 等效电路 b 简化电路 图 1 无线传输模型 根据 基尔 霍 夫 电压定 律 KVL 可得 尺j L一 一j M j c u M Rj 叫 L一 1 解式 1 所示矩阵方程可得 f 一 1 j u I “一 干 ． 2 l 丽 式 中 为角频 率 偏 移 的程 度 ， Q ∞ ／ ∞ 。 一 o ／ c U ， Q为 品质 因数 ， c U为发 射频率 ， 。为 主谐 振频率 ； 为 耦合 因 数 ， 表 示 两 谐 振 线 圈 的 耦 合 程 度 ， 一 M／ R。 接收线圈接收到的电压模值为 一 l i 2 R l 一 ㈤ 对接收线圈接收到的电压模值求 偏导数可 以 解得 1 0 ， 一 s q r t 一 1 ， 已一 一 s q r t 一1 。 在 这 3个 极 值 点 处 取 得 极 值 ， 即 l u⋯ l l 己 ， 。 l ／ 2 。 令 接 收线 圈归一 化 电压 为 一 J 【 ， { 一 旧一 1 2 1 一 4 由式 4 可 得 到接 收 线 圈 归一 化 电压 频 率 响应 3 D图 ， 如 图 2所示 。 1 O 0 0 O 图 2归一 化 电 压频 率 响 应 3 D 图 由 图 2可 知 ， 当 1时 ， 两线 圈处 于 欠耦 合 状 态 ， 即谐 振 线 圈 之 问 的 距 离 较 远 。 随 着 的 增 大 ， 也 随之增 大且 在 主谐 振频 率 。处 即 一0时有 最 大值 。此 时两线 圈 之 间 的磁 场 为 远 场 传播 ， 在 两线 圈 距 离 较远 的情 况 下 ， 部 分 电磁 产生 铰链 ， 因此 ， 在