磁耦合谐振式无线电能传输系统中线圈谐振特性研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统中激励线圈与发射线圈是否谐振、接收线圈与负载线圈是否谐振,建立了4种结构模型;采用电路理论,详细分析了4种结构模型下的等效阻抗,并通过Pspice仿真重点分析了在相同参数下4种模型的输出功率。仿真结果表明,激励线圈与发射线圈谐振且接收线圈与负载线圈不谐振时的结构输出功率最大,且在大负载情况下,仍具有高效率。在电源频率为13.56 MHz,发射线圈与接收线圈的距离为26.8cm,耦合系数为0.2,负载为32Ω的情况下采用此模型,输出功率达到136.25 W。     

小功率无线电能传输系统谐振线圈设计优化

针对胶囊内镜微型化的发展趋势,采用MATLAB详细分析了PCB板平面螺旋线圈构成的无线电能传输系统中接收线圈的线间距、线宽、铜厚、线圈匝数等参数对于品质因数和传输效率的影响.在电源频率为13.56 MHz下,综合考虑各个方面对线圈的影响,得出优化参数如下:线间距为0.254 mm、线宽为2.54 mm、铜厚为35 μm、线圈匝数为6匝.在优化线圈参数的基础上,详细分析了线圈距离对系统传输效率的影响,验证了PCB螺旋线圈应用于胶囊内镜无线供电的可行性.该优化结果对于研究小功率谐振式无线电能传输系统有一定的参考意义.     

一种基于新型拓扑的动态感应电能传输系统研究

当感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统为轨道机车负载供电时,其发射线圈通常采用长D型结构,但D型结构作为发射线圈会产生严重的电磁干扰问题,本文利用8字型线圈结构作为发射线圈,同时考虑到利用传统D型接收线圈时,因发射线圈与接收线圈间的互感值变化幅度大,使得其IPT系统输出功率严重失衡甚至无功率输出,这样严重影响IPT系统的稳定运行,因此本文将DDQ型结构作为接收线圈以改善IPT系统的功率特性。最后,构建一个基于8字型发射线圈以及DDQ型接收线圈的IPT实验系统。实验验证了该方法可以有效改善其功率特性。     

基于平面螺旋发射线圈的胶囊机器人无线供能系统的设计与优化

摘要：针对传统环绕式发射线圈的尺寸过大及穿戴不便等问题,提出了一种使用平面螺旋线圈作为发射线圈的胶囊机器人无线供能系统,有效地减小了发射线圈的尺寸,同时避免了穿戴不便的问题,提高了胶囊机器人无线供电系统的适用性。首先给出了系统的等效电路模型,研究了系统传输效率与系统参数的关系;然后对接收端线圈匝数进行了优化,提高了系统的传输效率;接下来通过阻抗变换将负载的等效阻抗优化为最优负载;最后对基于该方案的无线能量传输系统进行了实验验证。结果表明,样机系统在10 cm传输距离下的传输效率达到了8.8%,传输功率超过了1W。     

磁谐振无线电能传输系统的阻抗匹配特性分析

针对磁谐振无线电能传输系统的四线圈结构,将其分解为三部分,不仅可简化系统传输效率和输出功率的分析,而且更能体现电源线圈和负载线圈的阻抗匹配作用.通过分析发现,电源线圈可以调节系统输入阻抗,负载线圈可以调节接收线圈等效负载电阻.因此相比于两线圈结构,四线圈结构对于不同的高频激励源和负载具有更好的适应性,容易使系统工作在较高效率的状态,并且可较灵活地调节系统输出功率.设计制作了一台试验样机,验证了前述分析的正确性.     

基于磁共振的无线能量传输系统接收模块参数研究

基于磁共振的无线能量传输技术应用环境复杂多变,很难保证收、发线圈的参数和结构保持一致。本文针对发射模块参数不变的情况,研究了接收模块线圈半径、线径、线圈匝数和线圈长度变化对电感、电阻、品质因数、互感、耦合系数和传输效率的影响。理论计算与Pspice仿真均表明,线圈半径的变化对系统传输效率的影响最大,系统传输效率随着线圈半径的增大而增大,但当接收模块的线圈半径小于发射模块线圈半径的50%时,系统的传输效率迅速降低;增大线圈长度对系统的传输效率影响相对较大,增大线圈长度使系统传输效率先减小后增大;导线半径和线圈匝数的变化对传输效率的影响最小,系统传输效率随着它们的增大而略微增大。     

一种四线圈WPT系统的耦合动态调整方法

在四线圈的磁耦合谐振式无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统中,其效率随着传输距离及负载的不同而剧烈变化。由于传统WPT系统的线圈耦合参数难以根据工况进行动态调整,造成整体的传输功率及效率相对较低。为此,该文提出了一种新的四线圈WPT系统耦合调整方法。在详细分析并推导系统传输模型的基础上,提出在耦合线圈间设置辅助线圈实现耦合系数等效调整的方法,从而提高系统在不同传输距离下的传输效率及输出功率。该方法具有损耗小、调整范围大等优点。最后,通过实验样机的测量验证了所提出方法的可行性。样机的端到端效率峰值达到了86%。同时,所提出的耦合调整方法将系统在传输距离大于150mm,即发射线圈与接收线圈耦合系数小于0.05时的输出功率与整机效率由原有的20W、46%提升至50W、60%。     

无线充电系统发射和接收线圈优化

发射线圈和接收线圈是无线充电系统中的关键组成部分,二者的尺寸以及两线圈间的距离影响着系统的传输功率及效率,但对于两个线圈尺寸的最优匹配问题还未有系统的设计方法。针对此,以圆形发射和接收线圈为例,推导两线圈间的互感公式,用Mathcad绘制两线圈间互感随两线圈的径径比、接收线圈与传输距离间径距比变化的曲线,不同径距比下互感随发射线圈宽度变化的曲线,以及互感随发射线圈内外径变化的曲线。根据以上曲线得出两线圈的最优匹配尺寸,并以此进行了3组线圈匹配优化实验,分别绘制出输出电压和系统效率随传输距离的变化曲线。相关实验验证了所提优化方法的可行性。     

双发射单元无线电能传输系统抗偏移特性研究

双发射单元无线电能传输(WPT)系统采用两个发射单元对系统进行供电,能够有效提升系统的抗偏移特性.首先对双发射单元的系统建立数学模型,从理论上分析了功率波动的影响因素.针对接收线圈横向偏移过程中互感变化影响因素进行了仿真分析,给出了一种耦合机构的设计方法,通过对发射线圈及接收线圈匝数进行优化选择,从而保证系统具有平稳的输出功率和较高的效率.最后搭建了一个双发射单元磁耦合WPT系统进行了实验验证,实验结果表明接收端在正负5 cm的偏移范围内系统输出功率仅变化2 W,系统效率保持在80％以上.     

四线圈谐振式无线电能传输系统的拓扑结构分析

采用电路理论建立了四线圈无线电能传输系统模型,给出了4种拓扑结构（串串串串、并串串串、串串串并、并串串并）的传输效率、输出功率的详细计算公式,并针对4种拓扑结构进行MATLAB仿真,详细分析了传输距离、频率和负载电阻对系统传输效率及系统输出功率的影响。结果表明：串串串串结构在低频率、小负载、中等距离传输时,传输效率和输出功率有着明显的优势;串串串并结构在低频率、大负载、中长距离传输时,传输效率和输出功率存在着明显的优势。     

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%。     

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。     

采用三维偶极线圈的无线电能传输系统多自由度拾取机构

无线电能传输系统拾取机构相对于发射机构的方向性比较敏感,拾取机构的角度变化将会极大影响系统的能效特性。为实现无线电能的多自由度拾取,文中提出一种采用三维偶极线圈的无线电能系统多自由度拾取机构,对拾取机构多自由运动时的磁路进行了分析,引出拾取线圈输出组合方式的讨论;选取整流后串联模式搭建了三维偶极拾取线圈的等效电路模型,以拾取最大功率及输出平稳性为优化目标,对偶极线圈的匝数进行了优化。用COMSOL进行有限元分析,得出三维正交偶极线圈比三维正交环形线圈具有更高的功率密度的结论。实验结果表明:拾取机构任意旋转下,输出电压较为稳定且输出功率维持在10 W以上。     

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。     

平面螺旋线圈的无线电能传输特性研究

收发谐振体是无线电能传输系统的重要组成部分,它的性能直接决定了整个系统传输效率的大小.选择平面螺旋线圈作为收发谐振体,通过有限元仿真软件HFSS分析了线圈的属性(匝数、基板材料、层数等)对线圈参数的影响趋势,并分析了谐振体之间的能量传输特性,仿真结果表明了线圈之间的耦合因数比线圈Q值对传输效率的影响更大.最后综合考虑线圈的性能和制作成本,选择最优线圈作出实物并搭建无线电能传输装置,整个装置能够在线圈直径2.5倍的450 mm距离内点亮15W的LED灯泡,传输效率达到60％以上.     

Development of a novel spindle-shaped coil-based wireless power transfer system for frequency splitting elimination

To eliminate frequency splitting in wireless power transfer, a novel spindle-shaped coil-based wireless power transfer system is introduced and designed. Based on the equivalent circuit model, the transmission coefficient and the input impedance are calculated. A comparative analysis is performed between the traditional and the proposed systems. It is found that the frequency splitting is suppressed by utilizing spindle-shaped transmitting and receiving coils in the proposed system because of the larger mutual inductance between the source coil (load coil) and transmitting coil (receiving coil) and the smaller mutual inductance between the transmitting and the receiving coils in comparison with the traditional system. In the overcoupled region, the transmission coefficient of the proposed system almost remains unchanged and keeps at a high value. The input impedance is characterized with high amplitude and small argument, which is beneficial for efficient power transfer. Experimental setup is established to validate the performance of the proposed wireless power transfer system. The results indicate that the proposed system is superior to the traditional one in eliminating the frequency splitting, which is well consistent with the simulation analysis.     

磁耦合谐振式无线电能传输系统谐振方式分析

磁耦合谐振式无线电能传输系统在实际设计中具有传输效率高,结构简单,实用性强等特点。从等效电路的角度研究了单发射-单接收谐振模式中串联-串联式、串联-并联式、并联-串联式和并联-并联式4种谐振模型下系统传输效率。经过数值仿真,得出了每种谐振模型下系统传输效率和输出功率与系统振荡频率、传输距离及带负载能力之间的变化关系,发现每种谐振模型各有其适用工况,总结出了在设计中如何根据实际情况选择适当的谐振方式来达到最佳的传输效果:当所设计的系统供电对象为小负载且仅需较小的传输距离时,采用串联-串联谐振模型能够达到较好的传输效果;当需要具有较远的传输距离和较强的带负载能力时,应采用串联-并联谐振模型;当无法实现较高的系统谐振频率时,应采用并联-并联谐振模型。最后根据4种谐振模型,实际设计制作了4套磁耦合谐振式无线电能传输系统,验证了上述分析的正确性。     

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。     

On the self-resonant frequency reduction of closed- and open-bifilar coils

In this work we present the electrical characterization of closed- and open-bifilar solenoid coils by comparing their self-capacitance, self-inductance, and self-resonant frequency (SRF). The analysis is done by relating these parameters with those of a conventional solenoid coil with same dimensions and number of turns. It is shown that bifilar coils have a greater self-capacitance and lower SRF when compared with the respective conventional coil and that this relation can be expressed only in terms of the number of turns of the coils. Therefore, these components have a potential use in applications that need to avoid the use of a real capacitor and need to operate in a smaller resonant frequency, such as in wireless power transfer systems, for example. In a similar way, the self-inductances of closed- and open-bifilar coils are also compared with those of conventional coils with the same dimensions. It is also shown that the SRF of closed- and open-bifilar coils are approximately the same for practical values of the quality factor and that their impedance behaves as series and parallel RLC circuits. Practical experiments are conducted validating the developed theory.     

自谐振线圈耦合式电能无线传输的 最大效率分析与设计

谐振耦合电能无线传输是一种新的电能传输概念和方法,它能在中等距离范围内传递能量。该文基于空间隔离两线圈的互感耦合模型,从电路角度分析系统传输效率与线圈尺寸、距离等之间的关系,得到的传输效率表示式,进一步应用于系统最大传输效率的分析,以实现谐振耦合电能无线传输系统优化设计的目标。最后,设计制作一个谐振耦合电能无线传输装置,并设计多组不同参数的线圈进行比较实验,结果证明当空间隔离的两空心线圈达到谐振耦合时,两线圈之间传递能量最大,从而验证该文的理论研究。