基于空间自由度的3个线圈磁共振

　　第33卷　第6期　　　2012年11月吉首大学学报(自然科学版))JournalofJishouUniversitNaturalScienceEditiony(Vol.33　No.6　　Nov.2012　　

()文章编号:10072985201206005704

基于空间自由度的3个线圈磁共振

无线电能传输模型

何宇桦,陈善荣,文理为,尹显文

()吉首大学物理与机电工程学院,湖南吉首　416000

摘　要:传统的共轴磁共振电能传输模型存在空间位置自由度小的缺陷.分析传统模型的发射和接收装置在非共轴的条件下对电能传输效率的影响,提出一种改进的3个线圈磁共振无线电能传输模型.该模型成功地突破了传统共轴磁共振

范围内其最低效率较传统模式提高了4最高传输效率提高了5%.90°3%以上,

关键词:无线电能传输;磁共振;空间自由度

中图分类号:TP391.9;TM74　　　　　　　文献标志码:A无线电能传输系统在空间位置上的限制,实验数据表明改进后的传输装置不仅提高了空间自由度,而且在轴线夹角-90°~:/DOI10.3969.issn.10072985.2012.06.014j

且取得了突破性的成果.麻省理工学院的科学家所做实验NikolaTesla研究了远距离电能传输原理,

打开了通往无线电能传输世界的新大门,在2m多的距离内,利用电磁共振原理,将一个60W的灯泡成

1]功点亮[之后美国和日本等发达国家先后投入了大量的精力研究并初步建立了磁共振无线能量传输的.]模型[.传统的共轴无线电能传输技术虽然已在一些场合得到应用,然而传统的共轴磁共振电能传输技术存

在着空间自由度和传输效率低等问题.文中对传统与改进后的传输装置的空间自由度进行了分析,提出一种改进的3个线圈磁共振电能传输模型,通过理论分析和实验测试,实验数据表明,改进后的空间自由度和传输效率均有明显提高.

1　基于传统共轴磁共振无线电能传输原理

在一个共振的系统中,物体处于强耦合状态,其共振系统不对系统以外的物体做功,因此能量可以在

]57共振系统内的物体间高效率地传递[利用共振系统的这一特点,构建一条高效率的电能传输通道.对于.典型的共轴磁共振电能传输系统模型可用图1来表示.图1中,输入电能经过高频变换后由初级驱动线圈

圈,拾取线圈感应到接收线圈的能量后再一次进行磁电变换,变换后产生的电能经过调理电路便可以供负通过电磁感应的方式传递给发送线圈,发送线圈感应到此能量后,把该能量用共振的方式传递到接收线

收稿日期:20121102)基金项目:吉首大学大学生创新实验计划课题资助项目(JSUCX201232,作者简介:何宇桦(男,重庆潼南人,吉首大学物理与机电工程学院本科生,主要从事工业控制和无线电能传1990)输技术研究

计研究.通讯作者:陈善荣,男,湖南怀化人,吉首大学物理与机电工程学院副教授,主要从事计算机应用技术、电子电路的设

58338]]载使用[由文献[可知,接收线圈与发射线圈的效率表达式可表示为.92(wM)Rw00%.η=(2×1)DZSZD+(wM)其中:Rw为负载回路反射到接收线圈的电阻;ZS为发射线圈的阻抗;ZD为接收线圈的阻抗;M为2个线圈的互感;D为2个线圈之间的距离.

图1　

传统共轴无线电力传输系统模型

在共轴的磁共振无线电能传输系统中,当接收装置

的本征频率与交变电流的频率相同时,将发生自谐

振荡.这样电能就2个线圈通过磁场建立耦合关系,

能够源源不断地由发射装置传递到接收装置中

]10去[在该模型中发射线圈与接收线圈间发生磁共.振(接收装置的本征频率与交变电流的频率相同)是

实现电能高效、长距离传输的关键.虽然该装置能够很好地实现无线电能传输,但

图2　传统共轴磁共振电能传输模型效率统计在空间自由度上存在着很大的局限性,高效率传输时2个线圈必须保持同轴,传输效率将随着发射线

圈与接收线圈的轴线夹角增大而降低,所以该装置

在空间自由度方面还有很大的不足之处.如图2所示.

2　改进后的3个线圈磁共振电能传输模型

),),电装置组成,在发射线圈与受电线圈同轴时(如图3所示)若2个供电装置高频振荡电路产生的正c3d弦信号与供电线圈所需的本征频率相同,则正弦信号经过功率放大电路后就能将交变电流顺利地感应到

供电线圈中.供电线圈收到放大电路传来的交变电流,并在其周围产生同频率的交变磁场,其磁力线穿过受电线圈,拾取线圈将在此交变磁场的作用下感应生成同频率的交变电流.由于接收装置的本征频率与交变电流的频率相同,因此产生自谐振荡,因此能2个供电线圈与受电线圈通过磁场在空间建立耦合关系,

)量能够源源不断的由供电线圈传递到受电线圈.当发射线圈与受电线圈不同轴时(见图3所示的装置b))中2个供电线圈的电流同向,磁力线基本不会穿过受电线圈,因此传输效率较低;而在图3装置中两供电a线圈的电流逆向,供电线圈1和供电线圈2的磁场能在空间形成回路,磁力线能全部的穿过受电线圈,因

此传输效率较高.根据以上分析,笔者认为改进后的传输装置相对于传统的传输装置,一方面提高了无线电能传输在Z方向的空间自由度,在一定程度上解决了无线电能传输在空间上的局限性;另一方面,该装置还能够提高能量传输的效率.图3为改进后3个线圈磁共振无线电能传输模型的4种特殊情况.该模型由2个供电装置和1个受

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图3　改进后的3个线圈无线电能传输模型

3　改进的磁共振电能传输系统设计

位控制器前端都装有电能输出采样电路,检测供电线圈向受电线圈传输的能量大小,同时根据反馈的信息控制该线圈电流的相位来适应不同空间摆放位置的受电线圈.当发射线圈与受电线圈同轴时让2个发送线圈同相位驱动;当发射线圈与受电线圈轴线几乎垂直时让2个发送线圈的电流逆相位驱动.该系统在这样的控制方式下,降低了电能传输受线圈方向的影响,可以保持较高的传输效率.文中设计的改进型电磁共振电能传输系统如图4所示,该相2个相位控制器分别控制1个供电线圈,

图4　改进后3个线圈磁共振电能传输系统方框图

4　实验结果及分析

,振频率约7.在发射线圈与接收线圈相距2图5为未启动相位控制电路时系统传2MHz5cm处进行实验,

输电能效率的统计图,图6为启动相位控制电路时系统电能传输效率统计图,表1为平均最大传输效率与基于以上改进后的模型,笔者所设计的3个线圈电磁共振电能传输系统,各线圈的直径为1共0cm,

最小传输效率统计表.由图2,该系统在电能传输效率跟踪控制的情况下,可以保5,6以及表1对比可知:

持最高6不至于由于空间位置的不共轴而造成传输效率低下,同时该实7.4%及最低44.2%的传输效率,

验也验证了理论分析的正确性和可行性.

发射线圈驱动电流相位

最大传输效率/%最小传输效率/%表1　平均最大传输效率与最小传输效率统计表逆向位66.71.1传统共轴磁共振电能传输模型62.40.6改进后的3个线圈磁共振电能传输模型同向位66.20.9相位跟踪控制67.444.2

图5　未启动相位控制电路时效率统计图6　启动相位控制电路时效率统计

5　结语

阐述了磁共振无线能量传输的原理,通过对经典的磁共振无线电能传输模型的分析,指出了传统的经典模型在空间灵活性方面的不足之处,并构建了改进型磁共振无线电能传输模型,实验验证了改进型理论模型的正确性.

参考文献:

'[]]1　SOLJACICM,KURSA,KARALISA,etal.WirelessPowerTransferViaStronlouledManeticResonances[J.gyCpgˇ

[],2　ANDREKURS,ARISTEIDISKARALISROBERTMOFFATT,etal.WirelessPowerTransferVia …… 此处隐藏：5046字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……