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。     

磁谐振无线电能传输系统线圈设计综述

线圈是无线输电系统中实现电磁耦合谐振的核心部件,具有高品质因数和均匀磁场的线圈是无线电能传输系统获得高传输效率和稳定输出的重要保证。基于磁谐振无线电能传输系统的基本结构和工作原理,总结了磁谐振无线输电系统中线圈的主要设计方法。首先介绍了常用的线圈类型和线圈尺寸的优化选择;然后对比了不同的线圈电感计算公式的适用范围;最后论述了线圈内阻、匝间距等参数对磁谐振无线输电系统传输效率和输出功率的影响。此工作对磁谐振无线电能传输系统的线圈优化设计有一定的指导意义。     

无线电能传输系统耦合线圈优化设计

无线电能传输技术有效地解决了在线监测设备供电问题,但是仍存在线圈耦合程度弱、传输效率低等不足。基于耦合线圈互感和系统传输效率特性分析,提出1种带有"⊥"型磁芯的新型组合线圈结构,从提高耦合线圈间互感的角度提升了系统传输效率。通过仿真模型分析,详细阐述了耦合线圈结构参数及内部磁芯的优化过程。并搭建试验平台,在450 k Hz的工作频率和40 cm的传输距离下,系统能够获得80%左右的传输效率,验证了本文提出的设计方案的可行性,为在线监测设备无线供电系统的设计提供了参考依据。     

基于无线电能传输系统多线圈结构参数优化设计

多线圈系统常用于实现均匀磁场分布,而线圈系统的尺寸优化则决定了磁场均匀程度,为此构建亥姆霍兹型多线圈系统产生磁场的数学模型以及相应的遗传算法,分析单特征点磁场均匀程度作为决策指标的劣势与多特征点作为决策指标的优势,对三线圈与四线圈系统进行几何结构优化,并对比两线圈系统的磁场分布规律,确定线圈个数对系统性能的影响.分析表...     

多接收线圈无线电能传输系统的抗干扰控制

多接收线圈无线输电系统存在负载线圈间相互影响的问题。为了实现负载线圈间的解耦,此处引入开关可控电容(SCC)结构,通过移相控制电容的大小实现对系统的时变补偿,进而实现负载线圈的解耦。对控制策略分别进行软件仿真和实际电路模拟,在负载端负载线圈位置、个数及负载大小分别变化时,该策略都能起到控制系统稳定输出的目的,即实现负载端线圈的解耦。     

多负载多线圈无线电能传输系统各路输出的 恒压特性设计

在多负载多线圈无线电能传输系统中,非期望耦合线圈之间的磁场交叉耦合导致系统建模复杂以及各路负载恒压设计难以实现。为此,本文提出多层结构的隔离方案以实现非期望耦合线圈间的磁交叉去耦,基于此,给出多路负载无源恒压输出设计。在磁交叉去耦方案中,采用三层结构(铁氧体-铝-铁氧体)的隔离方案对同轴线圈的非期望耦合进行去耦,采用双层结构(铁氧体-铝)实现对非同轴线圈的磁交叉去耦。把所提的磁交叉去耦方案应用到一个三负载六线圈的级联式无线电能传输系统中,系统中非期望耦合线圈间的互感降低至小于原来的6%,而期望耦合线圈间的互感得到一定提升。进一步利用T参数矩阵法设计出无源补偿网络,实现各路负载恒压特性。最后实验结果表明,各路负载在10～100Ω的变化范围内负载的最大电压偏差不超过其设计值的9.3%。     

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.     

多耦合线圈自动切换技术的无线电能传输系统

磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WPT)系统功率传输效率随传输距离变化而迅速下降。为此,根据四线圈MCR-WPT系统电感耦合模型,推导出传输效率的数学计算式,以此提出利用不同半径的谐振器耦合线圈来匹配不同传输距离,并利用微控制器自动切换对应的谐振器耦合线圈。为验证设计方法的有效性进行仿真和实验分析,结果表明,这种方法可以使系统能量传输效率在较宽的距离区间内维持高效的水平。     

多耦合线圈的磁耦合谐振无线电能传输系统

基于耦合电感理论建立了4线圈磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WRT)系统的电路模型,根据该模型推导出耦合系数、能量传输距离和能量传输效率之间的数学关系。针对4线圈MCR-WRT系统能量传输效率随传输距离变化而变化的现象,提出利用开关切换不同半径谐振器耦合线圈来匹配不同传输距离的方法。为验证该方法的有效性,进行了电磁仿真、电路仿真和实验分析。结果表明,采用这种方法有效地提高了系统在不同传输距离下的能量传输效率。     

多负载无线电能传输系统

多负载无线电能传输技术是近年来研究热点之一,针对其负载多样性、多方向性、控制复杂性等问题,该文对现有技术进行了系统的梳理和分析。首先根据发射方式及发射线圈形状和结构将多负载无线电能传输系统分为平面线圈类、空间线圈类和非线圈类;进而分析平面线圈的单输入多输出型、多输入多输出型及带中继线圈多输出型的特性,研究空间线圈的多线圈正交型、旋转线圈型、单导线立体线圈型、多线圈立体形以及亥姆霍兹线圈型的特性,探讨非线圈类空腔谐振型以及微波传输型的特性;然后分别对不同类型多负载无线电能传输系统的发射端结构、系统传输原理和传输特性进行对比,提出它们的适用场合;最后分析多负载无线电能传输系统面临的技术瓶颈,并对未来的发展进行了展望。     

基于弧形线圈的无线电能传输系统研究

在采用串串(SS)补偿结构的无线电能传输系统中,针对不同场合下对受电体不同形态的需求,提出一种基于弧形线圈的能量传输结构。推导在SS补偿结构下的系统效率影响因素,得出互感对系统输出功率与效率的影响,之后在Maxwell软件中对平板形与弧形线圈的不同组合进行电磁仿真与有限元分析。基于仿真得到的结论,对采用弧形线圈的无线电能传输系统进行了设计和确定相关参数,并搭建硬件平台进行实验。实验结果证明理论与仿真的正确性,为无线电能传输系统的优化与设计提供参考。     

线圈距离可变的无线电能传输系统研究

在无线电能传输(WPT)系统中线圈之间的距离是影响输出功率的一个重要因素。针对特定场合中线圈距离可变时仍要保持一定输出功率的需求,此处基于串串(SS)型补偿拓扑对线圈距离与输出功率的关系进行了研究。首先对电路拓扑建立数学模型,利用Matlab软件拟合并分析了线圈距离与互感的关系,通过互感将线圈距离与输出功率两者进行联系并分析,得出了当线圈距离变化时输出功率的变化情况,并基于此说明提升初级电压对增大线圈距离可变范围的可行性。最后搭建了实验装置,通过实验结果与理论分析曲线的对比验证了理论分析结果的正确性。     

无线电能传输抗偏移线圈的设计方法

无线电能传输技术具有灵活性高、安全、美观等优点,因而受到广泛关注和研究。传统线圈由于磁场分布不均匀,导致接收端在发生偏移时,互感系数发生变化,进而影响系统稳定性。针对上述问题,提出一种利用穷举推导抗偏移线圈参数的方法。该方法首先根据所需发射和接收线圈尺寸、线圈气隙,穷举出不同匝数和匝距的发射线圈。然后利用互感公式计算线圈发生偏移过程中的互感数值,并判断线圈发生偏移时互感是否稳定,最后通过筛选可以得到所需线圈的绕制参数。利用所提方法推导抗偏移线圈,计算时间较短,设计精度较高。通过实验验证,证明了所提方法的有效性。     

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%。     

基于多接收耦合线圈模式的无线电能传输系统特性分析

在大功率无线电能传输系统的应用中,为降低系统设计难度会采用多接收耦合线圈并联的方式降低器件应力,但是对该模式的特性需要详细分析。在相同输出功率和负载的约束下,对比分析一对一耦合线圈模式和多接收耦合线圈模式,采用固定变量法分析多接收耦合线圈个数与系统互感、频率、负载和效率的关系。在多接收耦合线圈模式下,对单负载和多负载两种情况下系统参数进行推导和分析,论证多接收耦合线圈在提升系统效率方面的优势。最后,通过实验结果验证了多接收耦合线圈模式对系统效率提升有一定的作用。     

耦合谐振式无线电能传输系统的线圈优化

在设计磁耦合谐振式无线电能传输系统时,由于存在理论偏差和实际损耗,其传输效率会随着传输距离的增大而急剧减小。因此如何有效地提升发射端与接收端的耦合系数,设计最优的线圈结构以提高传输效率,对研究磁耦合谐振式无线电能传输系统有着重要的理论意义和实用价值。本文采用耦合模理论对系统进行建模,在COMSOL软件平台下,对磁耦合谐振式系统的线圈结构进行了仿真分析,初步得到不同结构的线圈对系统传输效率的影响,在此基础上,提出了在固定线圈距离时线圈参数优化的方案。     

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。     

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。