磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性_李阳

无线电能传输原理并成功利用该理论在 2m 范围内 点亮一个 60W 的灯泡， 无线电能传输技术的研究才
［4 ］ 成为国内外学者研究的热点 。 到目前为止， 根据电能传输原理， 无线电能传输 ［5 ］ 可以分为 3 类 ： ［6 － 8 ］ ， 第 1 类是感应耦合式 （ ICPT ） 主要解决了
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无线电能传输系统频率特性分析
收稿日期： 2012 － 02 － 29 基金项目： 国家自然科学基金（ 50977062 ） ； 天津市高等学校科技发展基金计划项目（ 20110411 ） 作者简介： 李 阳（ 1979 —） ， 男， 博士研究生， 讲师， 研究方向为无线电能传输理论与应用； 杨庆新（ 1961 —） ， 男， 博士， 教授， 博士生导师， 研究方向为工程电磁场数值计算与磁技术； 闫 卓（ 1981 —） ， 男， 博士， 工程师， 研究方向为无线电能传输理论与应用； 陈海燕（ 1973 —） ， 女， 博士， 教授， 硕士生导师， 研究方向为工程电磁场数值计算与磁技术； 张 金 薛 通讯作者： 李 献（ 1983 —） ， 男， 博士， 讲师， 研究方向为无线电能传输理论与应用； 亮（ 1982 —） ， 男， 博士， 讲师， 研究方向为无损检测技术； 明（ 1987 —） ， 男， 硕士研究生， 研究方向为无线电能传输技术 。 阳
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发射线圈、 接收线圈和负载线圈的等效电容； R p1 、 R p2 、 R p3 、 R p4 分别为激磁线圈、 发射线圈、 接收线圈和 负载线圈内由于集肤效应等因素产生的损耗电阻 ； R rad1 、 R rad2 、R rad3 、 R rad4 分别为激磁线圈、 发射线圈、 接 收线圈和负载线圈的辐射电阻。 为了分析问题的方便， 将激磁线圈的电路反射 到发射线圈， 相当于发射线圈中加入一个感应电动 势； 而将负载线圈反射到接收线圈相当于接收线圈 US 、 增加了一个反射阻抗。其等效电路如图 3 所示， R1 分别为激磁线圈等效到发射线圈的感应电动势 和阻抗； R4 为负载线圈反射到接收线圈的等效阻 R3 分别为发射线圈、 抗。R2 、 接收线圈的损耗电阻 和辐射电阻之和。
发射系统 R2 R1 Us C2 M23 I1 L2 L3 I2 R4 接收系统 R3
(
(
[
)
j ω0 L ω ω0 1 = · + · R CR j ω ω0 ω0
ω R 1 + jQ ω － 0 ω0 ω 可得
· ·
(
) ] = R （ 1 + jξ） ，
)
U S = R （ 1 + jξ） I1 － jωM I2 ，
传统的直接接触式电能传输由于存在诸如产生 接触火花， 影响供电的安全性和可靠性， 甚至引起爆 造成重大事故等弊端。 因此寻找一种更为灵活 炸， 多年来国 方便的能量传输方式成为人类一个追求，
［1 － 3 ］ 。 内外的科学家执着开展了很多探索研究工作 直到 2007 年 MIT 的科学家提出了磁耦合谐振式的
2 2 LI Yang1， ， YANG Qingxin1， ， YAN Zhuo2 ， CHEN Haiyan2 ， ZHANG Xian1 ， JIN Liang1 ， XUE Ming1
（ 1． Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology， Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China； 2． ProvinceMinistry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability， Hebei University of Technology，Tianjin 300130 ，China）
图 2 中激励源内阻为 R S ， 负载电阻为 R L ； L1 、 L2 、 L3 、 L4 分别为激磁线圈、 发射线圈、 接收线圈和负 C2 、 C3 、 C4 分别为激磁线圈、 载线圈的等效电感； C1 、
第7 期
李
阳等： 磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性 R + jωL + jωL 1 1 + =R 1 + = R jωCR jωC R 1+
无线电能传输的效率关键在于电磁发射系统和 电磁接收系统， 其模型如图 1 示。
激励线圈 发射线圈 （ 源端） 接受线圈 （ 设备端） 负载线圈
移动电气设备的电能灵活、 安全、 可靠的接入问题， 并已在轨道交通、 小家电、 大角度旋转机构等方面应 即直接利用 用。第 2 类是微波无线能量传输技术， ［9 ］ 电磁波 能 量 可 以 通 过 天 线 发 射 和 接 收 的 原 理 。 第 3 类是磁耦合谐振方式由美国麻省理工学院的 Marin Soljacic 科研小组提出， 他们也称之为 WiTricity 技术［10 － 12］。 相对来说， 微波方式目前传输距离最远， 传输功 率最大， 而且可以克服障碍物影响， 但是在能量传输 过程中， 发射器必须对准接收器， 能量传输受方向限 制， 微波在空气中的损耗也大， 效率低， 对人体和其 他生物都有严重伤害， 所以该技术一般应用于特殊 ［13 ］ 场合 。感应耦合式传输功率的容量目前可达数 百千瓦， 小尺度障碍物也并不会对其功率传输带来 大的影响， 但是传输距离非常近， 约为几个厘米。磁 耦合谐振式无线电能传输技术与感应式无线能量传 输技术不同之处在于该技术融合了共振技术 ， 不仅 提高了能量的传输距离， 而且提高了能量的传输效 ， 率 因此该技术已经成为无线能量传输领域又一新 的发展方向。 目前国内外在磁耦合谐振式无线电能传输方面 的研究都还处于起步阶段， 很多问题亟待解决， 比如 传输功率、 效率和距离的问题， 电磁兼容问题， 生物 安全问 题 等。 在 提 高 传 输 效 率 方 面 的 研 究， 文献 ［ 12］ 研究了生物体体内植入器件的无线电能传输 14］研究了不同参数的线圈对 系统的效率。 文献［ 传输效率的影响， 提出了最大效率的线圈优化设计 15］ 方法。文献［ 研究了发射、 接收线圈的匝数及线 16］通过 圈半径的大小对传输效率的影响。 文献［ 仿真和实验研究了不同传输频率和传输距离与传输 17 － 18］ 效率的关系。频率特性方面， 仅有文献［ 对
激磁线圈 Rrad1 Rp1 发射线圈 Rrad2 Rp2 接收线圈 Rrad3 Rp3 Rp4 负载线圈 Rrad4
L1 C1 M12
L2 C2 M23
L3 C3 M34
L4 C4
图2 Fig． 2
无线电能传输系统等效电路模型 Equivalent circuit model of wireless power transmission
Abstract： Aiming at the efficiency of wireless power transfer via magnetic resonance coupling varies according to the air gap between the transfer device and receiver device，a new analysis on characteristic of frequency was presented，which yielded critical insight into the design of practical systems，including the introduction of frequency splitting that could be used to compensate the efficiency with different distance and the maximum operation distance that could be used to improve power transfer distance． Equivalent circuit model was designed and the experiment results verify the correctness of key theoretical analysis on frequency splitting and the maximum operation distance（ critical coupling point） ； thus it provides an effective reference for improving the power transfer efficiency and operation distance． Key words： wireless power transfer； magnetic resonance coupling； characteristic of frequency； frequency tacking； maximum operation distance
中图分类号： TM 72 文献标志码： A 文章编号： 1007－ 449X（ 2012 ） 07－ 0007－ 05
Characteristic of frequency in wireless power transfer system via magnetic resonance coupling
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引
言
频率分裂现象进行了研究， 但其研究主要针对感应 式电能传输系统进行的。目前对磁耦合谐振式无线 电能传输系统的频率特性还很少有研究 。这些研究 对无线电能传输技术作了大量有意义的探索工作 ， 因此本文在上述研究工作基础上， 进一步利用频率 特性的新方法来分析无线电能传输系统 。本文的特 色在于研究了磁耦合谐振式无线电能传输系统的频 率特性， 由此得到了频率分裂的规律和电能传输的 最Hale Waihona Puke Baidu距离。这些为提高无线电能传输效率和距离提 供了有益的参考。
第 16 卷
第7 期
2012 年 7 月
电 机 与 控 制 学 报 ELECTRI C MACHINES AND CONTROL
Vol. 16 No. 7 July 2012
磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性
1， 2 1， 2 2 2 1 1 1 李阳 ， 杨庆新 ， 闫卓 ， 陈海燕 ， 张献 ， 金亮 ， 薛明
（ 1． 天津工业大学 电工电能新技术天津市重点实验室，天津 300387 ； 2． 河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130 ）
摘 要： 针对磁耦合谐振式无线电能传输技术的传输效率随着发射设备与接收设备距离的变化而 波动的问题， 采用频率特性的新方法分析无线电能传输系统得到了对实际系统设计具有关键指导 作用的结果， 其中包括频率分裂特性和最大传输距离 。利用频率分裂规律对不同距离的效率进行 频率跟踪补偿可以提高系统传能效率 。通过设计的相关的实验电路验证了频率分裂特性与系统最 大传输距离（ 临界耦合点） 理论分析的正确性， 为提高无线电能传输功率和距离提供有效的参考 。 关键词： 无线电能传输； 磁耦合谐振； 频率特性； 频率跟踪； 最大传输距离
图1 Fig． 1
无线电能传输系统发射和接收模型 Transmitter and receiver model of wireless power transfer
电磁发射系统由激磁线圈和发射线圈组成， 他 们之间是通过直接耦合关系把能量从激磁线圈传到 发射线圈。电磁接收系统由接收线圈和负载线圈组 成， 他们之间也是通过直接耦合关系把能量从接收 线圈传到负载线圈。发射线圈与接收线圈之间通过 空间磁场的谐振耦合实现电能的无线传输 。其等效 电路模型如图 2 所示， 激磁线圈由激励源 （ 高频功 放） V S 和单匝线圈组成， 负载线圈由单匝线圈和负 载组成， 发射线圈和接收线圈均由具有相同谐振频 率的多匝线圈组成。