无线电能传输的平面螺旋线圈优化

磁耦合线圈是无线电能传输中至关重要的一个环节,线圈品质因数往往是衡量线圈优劣的重要指标。本文基于一维线圈损耗模型分析了宽度、高度、磁场强度等重要参数对损耗的影响。以此为基础,借助有限元仿真软件得到线圈磁场分布规律。首先对线圈采用渐变线宽的方案来优化线圈Q值。进一步采用将内三匝及最外匝线圈进行铜箔垂直置换的方案,该方法能够优化内三匝及最外匝线圈的损耗。通过仿真与实验验证了方案的正确性。     

一种基于PCB平面螺旋线圈的自补偿多中继无线电能传输系统设计

针对多中继无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统传输特性不明确,一体化中继线圈难以构建等问题,文中研究一种基于平面线圈的自补偿多中继WPT系统,可应用于高压输电系统数据采集模块供电等领域,能够有效提升传输效率。首先分析不同中继线圈个数条件下多中继系统在串联及其他补偿条件下的恒压或恒流输出特性;其次,阐明印刷电路板(printed circuit board,PCB)自补偿线圈中电感、电容参数设计方法;以优化线圈电阻为目标,提出一种设计PCB自补偿线圈的方法;最后,搭建一套基于PCB自补偿线圈、工作频率为1.67MHz、总传输距离为1.1m的多中继WPT系统实验平台。实验结果表明,所提方法能够有效改善多中继WPT系统性能。     

无线电能传输中的QDS线圈偏移特性研究

在无线电能传输系统中,不可避免地会出现发射线圈和接收线圈未对准的情况,这会降低线圈的耦合系数和传输效率。目前常用的线圈,例如DD线圈、DDQ线圈等,仅在一个方向上具有良好的偏移特性。为了解决这个问题,该文提出了一种在多个方向上都有良好抗偏移能力的QDS线圈。首先研究了线圈的磁耦合结构,推导了QDS线圈互感的理论表达式;然后利用JMAG软件,对方形线圈、DD线圈、QD线圈和QDS线圈进行仿真,通过分析线圈的磁感应强度分布特性和偏移特性,证明QDS线圈具有较强的抗偏移能力;最后,搭建了平台,测量线圈偏移时的互感,通过与方形线圈、DD线圈和QD线圈进行比较分析,验证了QDS线圈的优势。     

多中继线圈无线电能传输系统的交叉解耦研究

为解决多中继线圈无线电能传输(WPT)系统中存在的交叉耦合问题,这里设计了一组磁交叉解耦的线圈结构,在多级中继线圈中插入一层特殊的屏蔽材料,以抑制非相邻线圈的耦合,同时保持相邻线圈间耦合较强.进一步地,选取LCC-Multi-S型拓扑,分析了交叉解耦双中继系统的频率特性、输出特性及负载特性,仿真和实验验证了这种交叉解耦...     

全方位无线电能传输系统设计

针对泛在监测背景下低成本、复杂度低的全方位无线电能传输系统需求,从线圈设计角度提出了一种使用单电源的全方位无线电能传输系统。该系统发射线圈设计为一条导线制成的六面连通立方体,接收线圈为单个矩形线圈。通过磁场分布和互感特性的仿真分析,选择了最优的全方位线圈结构。实验表明在发射线圈任意角度传输功率和效率均能满足无线电能传输系统要求。最终从传输距离和传输角度两个方面,总结了全方位系统的电能传输规律,为接收线圈的最佳安装范围提供依据。     

应用于无线电能传输的Litz线平面矩形螺旋线圈高频电阻计算

在外部磁场的影响下,导线中的高频电流呈不均匀分布,致使其导电面积远小于横截面积,从而引起额外的电阻,称之为高频电阻。高频电阻中的感生电阻与磁场的平方呈正比。应用毕奥-萨伐定律对Litz线平面矩形螺旋线圈中的磁场进行分析,以计算线圈中的高频电阻,进而分析其最大品质因数及最优运行频率。对几个线圈原型的测量表明,该分析方法较好地预测了线圈在不同频率下的电阻及最优运行频率。使用两个外边长460 mm×208 mm、内边长312 mm×64 mm的矩形线圈所制作的无线能量传输系统,距离500 mm时,在稍低于预测的最优频率时获得的最大DC-DC效率为58.7%,接收端功率为50 W。     

应用于无线电能传输系统的中继线圈工作性能

以无线传感器网络节点无线充电应用为背景,采用具有磁场放大作用的中继谐振线圈,解决远距离、小尺寸接收端在极弱耦合系数(10?4量级)条件下所带来的无线电能传输问题。通过分析中继线圈的在谐振频率时的工作特征以及电流放大的理论机理,设计具有磁场增强功能的中继线圈,并研究其频率特性,同时实现:1耦合谐振时中继线圈对源级电流放大四倍以上;2通过采用将中继线圈与源级线圈置于同一平面的结构优化系统空间尺寸;3直径5cm接收端线圈在距离1m时为功率LED进行无线供电。     

多线圈无线电能传输系统效率最大化研究

感应式无线电能传输系统主要依靠耦合线圈将能量从电源端传输到负载端。多线圈的耦合特性可以用来构建多输入多输出的无线能量传输网络,目前针对此类网络的稳态特性分析仍然不具有通用性。传输效率作为系统稳态特性之一,是多线圈系统的重要优化目标。由于线圈寄生电阻使得耦合器损耗占据整体系统损耗的大部分,因此,优化系统效率的关键在于最大化耦合线圈效率。首先,建立任意耦合线圈个数的无线充电系统的电路模型,依照输入输出稳态特性分析效率最大化的影响因素以及最优效率点下的功率分配和损耗;其次,仿真验证不同输入端和不同输出端时理论分析的准确性;最后,搭建实验平台验证多发射多接收无线充电系统效率最大化点的稳态特性。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统的四线圈模型研究

针对目前磁耦合谐振式无线电能传输系统的四线圈结构理论不完善的问题,提出了四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统的互感耦合理论模型,并用Matlab对四线圈无线电能传输系统的传输效率与线圈尺寸、互感系数和距离等参数之间的关系进行了详细的仿真分析。最后,搭建了四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统实物模型,测量并分析了不同线圈间的距离对系统传输效率和负载电压的影响,验证了理论分析与实验数据的一致性,为分析磁耦合谐振式无线电能传输的四线圈结构提供了新的理论依据。     

无线电能传输最优效率下的阻抗匹配方法研究

针对强磁耦合谐振无线电能传输系统提出了一种改进型的负载阻抗匹配拓扑。为了提高整个系统的电能传输效率,在次级线圈后增加一个匹配馈电线圈形成新的阻抗变换结构,使负载阻抗达到最佳匹配条件。匹配馈电线圈通过对本身固有参数的调节来匹配不同的负载.让负载达到最佳匹配条件以实现系统传输效率的最大化。实验结果证明,通过这种方法对不同负载进行匹配实验,均可使系统传输效率接近理论最优值。     

基于赫姆霍兹线圈LCC-S型多负载无线电能传输系统的研究

针对多负载无线电能传输系统存在负载之间功率分配不均及取放负载时对其他负载有影响的问题,提出了基于赫姆霍兹线圈LCC-S型多负载无线电能传输系统。首先,利用电路互感模型对该系统进行了建模分析,推导出了流过发射线圈的电流、输出电压及效率的表达式,研究了工作频率和负载个数对效率的影响,该系统还具有恒压输出的特性。其次,为了使发射线圈产生的磁场更加均匀,发射线圈采用赫姆霍兹线圈,利用有限元仿真软件设计了两种赫姆霍兹线圈,这两种赫姆霍兹线圈在轴中心附近的较大范围内产生均匀的磁场。最后通过仿真验证了理论分析的正确性。     

一种应用于不同轴径转轴的感应供电平面阵列线圈结构

感应耦合供电(ICPT)技术为旋转结构供电提供了安全高效的解决方案,针对旋转结构传统的侧置式和同轴式感应耦合供电结构存在耦合结构设计、安装、调试繁琐的缺点,提出了一种感应耦合供电的平面阵列线圈结构。通过建立精确三维有限元模型,分析了移动中系统供电的稳定性和抗偏移性。实验结果表明,该耦合结构消除了传统结构供电时发射与接收线圈位置保持相对静止的弊端,对运动物体供电具有良好的鲁棒性和可移植性,易于安装和使用,更好地适应移动设备供电。提取阵列线圈结构感应供电时接收线圈感应电压幅值的小幅波动,可以同时实现转轴转速测量。     

锥形线圈无线电能传输特性优化

锥形线圈具有平面螺旋线圈与柱形螺旋线圈的综合特性,可用于无线电能传输系统中的磁耦合机构。本文首先基于电路理论建立模型,推导出磁耦合机构参数与系统输出参数的关系;然后利用Maxwell软件,从磁感应强度与互感的角度分析与比较传统平面螺旋线圈与圆柱螺旋线圈,提出匝间距不同的两种锥形线圈,两种线圈分别使用铁氧体板及铁氧体条;最后搭建无线电能传输系统实验样机。实验与仿真结果表明,与柱形螺旋线圈相比,锥形线圈结构作为发射线圈时,接收线圈在偏移距离为0～75mm内可获得最高达85.5%的电能传输效率,最高提升4.9%;偏移距离为0～50mm内输出功率也较高,最高达264W,提升15.3%。     

A coil layout of wireless power transfer systems based on multicoil arrangement for underwater vehicles

This paper proposes an optimal coil layout of wireless power transfer (WPT) systems for underwater vehicles (UVs). The power supply station adopts a multicoil arrangement with a double layer, and the UV also uses two receiving coils. The proposed WPT system for UVs has a reasonable advantage, where it does not request to adjust the relative position of coils. This paper experimentally discusses an optimal coil layout based on measurement results of a coupling coefficient. As a result, the proposed coil arrangement with the geometry rule realizes a certain power transfer under any positions and directions of UVs.     

Improvement of equivalent magnetic coupling coefficient of wireless power transfer system with multiwinding transmission coil

This article proposes a novel method of improving the overall coupling coefficient of a wireless power transfer system by using a four‐winding transformer of which two pairs of windings each are connected in parallel in the primary side and secondary side. By weakening the coupling coefficients k_c between the parallel windings, the overall magnetic coupling between the primary side and secondary side of the transformer is improved. In order to confirm the validity of the proposed method, a conventional high‐k_c four‐winding transmission coil and the proposed low‐k_c four‐winding transmission coil are experimentally assessed. Then, the coils are introduced into a nonresonant inductive power transfer system utilizing a dual active bridge converter in order to confirm the correction of the input power factor. As a result, the overall magnetic coupling of the proposed four‐winding coils was found to be improved by 17% compared with the overall magnetic coupling of the conventional coil. Moreover, the input power factor for the entire load is corrected with the proposed four‐winding coil. Therefore, a low k_c is effective in improving the overall magnetic coupling.     

一种动态无线电能传输系统的线圈切换方法

阵列式动态无线电能传输系统因其运行损耗和漏磁更小、灵活性更好而被提出,其工作性能通常取决于发射阵列和接收线圈的结构。提出了一种基于LCC-S补偿拓扑的线圈切换方法,使切换时刻的互感下降和互感突变最小化以提高系统的偏移容忍度;同时,比较了应用该切换方法后,单层和双层发射阵列系统的工作性能。仿真结果显示,虽然双层发射阵列系统的切换控制更复杂,但在接收线圈与发射线圈间发生偏移时其输出功率下降更小,偏移容忍度更高。实验结果证明,该线圈切换方法在实际中有效可行。     

磁耦合谐振式无线电能传输电动汽车充电系统研究

为研究电动汽车无线充电系统,解决电动汽车有线充电时的不安全、不便利问题,采用磁耦合谐振式无线电能传输技术,从改进传输线圈结构出发,在传输线圈外侧增加导磁体,将磁通尽可能束缚在两传输线圈之间,减小向外界的泄漏,缩短磁通在空气中的磁路长度,从而有效增强无线电能传输系统的耦合程度,大大增加传输功率,提高低频条件下的传输距离和效率。设计了具有频率自动跟踪控制的12 k W/70 k Hz高效磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统,并进行实验研究,得到一系列传输线圈距离和负载阻抗、传输功率及传输效率之间关系的实验数据。特别地,实验结果表明在传输距离0.3 m、输入功率12.6 k W时,谐振频率为72.6 k Hz,传输效率达到94.33%。     

Distributed‐element modelling for spiral resonators used in wireless power transfer

In this paper, a circuit model for the printed circular spiral resonators based on the piece electrical equivalent circuit is presented. Lumped circuit elements such as inductors, resistors, and mutual inductances are calculated using the conventional formulae for circular loops, whereas the mutual capacitances are calculated by a numerical algorithm. These capacitances are renormalized by scaling factors derived from a simulation‐based library of the self‐resonant frequency of the spiral resonators. It is shown that involving minuscule effects such as mutual capacitances of nonadjacent turns causes a more accurate estimation of the current distribution and high‐frequency characteristics of the resonator. Finally, a closed‐form formula for estimating the capacitor values is extracted by curve fitting leading to a decrease in analysis time. The proposed model predicts the input impedance, quality factor, and current distribution along the resonator in agreement with the results generated by full‐wave simulation and experimental results.     

具有抗偏移特性的无线电能传输系统研究

针对无线电能传输系统中耦合机构易偏移导致系统输出电流变化问题,研究具有抗偏移特性的双拓扑无线电能传输系统.首先分析SS与LCC-LCC拓扑电路的输出特性,选取DDQ线圈结构实现线圈间的解耦.然后提出基于粒子群参数优化算法对补偿网络的参数进行优化使其具有更好的抗偏移特性.最后在PSIM仿真软件中搭建系统电路验证理论分析的...     

(20期拿下）谐振耦合式无线电能传输系统谐振线圈的优化设计*

谐振耦合式无线能量传输方式可用于中距离传输能量,是一种新型的能量传输方式。文中针对谐振耦合式无线电能传输系统中谐振线圈对无线电能传输的影响问题,建立两线圈等效电路模型,详细分析了线圈谐振状态和互感对系统传输功率和效率的影响,提出了一种兼顾系统传输功率与效率的谐振器优化设计方法,并结合实例仿真,设计制作了多组参数的谐振线圈进行比较实验,结果证明,在谐振状态下两谐振线圈匝数乘积为定值时,系统的传输功率和效率基本保持不变,从而证明了所提方法的可行性。