性能分析的磁耦合谐振无线能量传输系统

文摘

作为一个新的无线能量传输技术、磁耦合谐振无线能量传输系统(MCRETS)是不容易受到障碍在传输过程中,传输距离相对较远。然而,如何平衡传输效率和功率之间的关系来实现最优性能仍然是一个巨大的挑战。此外,很少有研究从理论上研究了无线能量传输系统的影响因素来获得一个最优的解决方案。这里,通过前所未有的理论分析,我们发现系统的确切参数优化和验证他们的仿真和实验。首先,最优拓扑MCRETS拓扑的是通过理论分析和比较。MCRETS第二,改善传输性能,其影响因素,包括传输距离、共振频率、继电器线圈,发射和接收线圈的相对位置,详细分析了获得准确的参数。此外,基于这样的分析,我们提出前所未有的概念最优效率之间的平衡和力量,这是叫电源产品。最后,验证了该方法的有效性通过分析和实验结果。这些发现揭示效率和功率之间的关系,为后续研究提供一个全面的理论基础。

1。介绍

数增加的传统的有线电源、接收终端的缺点,如插座,插头容易火花,以及其他问题,变得越来越明显。要解决这些问题,无线电力传输(WPT)是利用和实现无线传输通过物理领域之间的相互耦合。这种技术改进和设备安全功能,目前在电气领域的研究引起了人们的关注(1),特别是在当前热点的电动汽车2和无线传感器网络3]。目前,无触点WPT可分为三种形式,即电磁感应,微波,磁谐振耦合。电磁感应和微波发展相对成熟,主要用于磁悬浮列车(4和身体的微型摄像机电源(5]。磁耦合谐振无线能量传输系统(MCRETS),磁场作为传输媒体和创造能量无线传输通过共振(6- - - - - -8]。这种技术具有较高的传动效率,可以传输大量的力量,不容易受到某些金属在传播渠道(9]。与电磁感应和微波传输技术相比,MCRETS本质上是不同的在以下方面:首先,有更大的磁谐振耦合传输距离的限制,远远超出了限制电磁感应(10),而且,其传输距离可以进一步增加甚至不考虑其他因素的影响,如空气中的能量损失,磁性材料的影响,和其他设备发射电磁干扰的传播空间;第二,与微波WPT相比,磁谐振耦合传输功率更大。总的来说,MCRETS是新的和更广泛使用11),因为它符合电磁兼容性的要求,具有很高的应用价值和广泛的应用在医学植入机械(12,机器人13),无线传感器5),和家用电器(14]。

研究人员已经多次突破研究MCRETS [15]。例如,索尔贾希克光磁谐振耦合的原则使用60 W灯泡从2.16米的距离。灯泡的传输效率达到40%。两个谐振器之间的能量转移机制利用耦合模理论分析了。在[16),耦合模式理论也利用分析三个谐振线圈之间的能量传递和继电器线圈的影响。在[17的物理模型,建立了发射和接收线圈等效电路,对医用植入物材料four-coil无线能量传输模型,优化的主要因素,影响了系统的效率进行了理论分析。在[18),一个两层嵌套优化方法基于微分进化算法,传输系统的最大传输效率是通过有限元方法从理论上研究和验证。另一项研究介绍了MCRETS的工作原理,传输性能的影响因素(例如,传输距离)的系统进行了理论分析19]。在[20.),无线能量传输系统的物理分析磁场进行中继器,和电磁继电器的影响系统传输性能的理论分析。在[21)、物理结构和低功耗无线能量传输系统的工作原理应用于医疗设备进行了理论分析。此外,研究大功率应用已经取得了一些进展。在[22),研究人员研究了线圈的优化;在[23),磁耦合已得到改进,通过使用添加铁氧体磁芯材料的方法。然而,大多数先前的研究建模设计的单一传输,最大功率传输,或传输效率最高。没有设计基于双传输指标,比如那些建模同时传输或最大传输效率,是可用的。此外,很少有论文从理论上分析了多种因素对传输性能的影响,因为大部分的一些现有研究认为与单一影响因素。此外,相当一些实验来验证理论进行优化传播,比如那些假定传输效率低时无线能量传输系统满足最大传输功率。

为了解决上述问题,一个完整的建模和分析的基于无线能量传输系统的传输效率和权力是在本研究进行的。的基本结构,无线能量传输系统的工作原理,拓扑结构进行了分析和比较。传播的四个影响因素(即性能。,transmission distance, system resonance frequency, relay structure, and relative position of transmitting and receiving coils) are theoretically analyzed to derive the degree of influence of each factor. Although the size and shape of the coil have an impact on the transmission performance, the nature of such effects is the coil’s own parameter settings, such as resistance, which have little effect on practical applications. Therefore, the research factors in this paper set the transmission distance, the resonant frequency, and the relative position of the transmitting and receiving coils. The main reason is that the influence of these factors is more common in practical applications. The validity of the theoretical analysis is experimentally verified. This study also creatively presents the power product parameters, which are theoretically analyzed to obtain a conductive transmission state and optimize the transmission power and transmission efficiency. This analysis can provide theories and solutions for the design and optimization of MCRETSs. The main contributions of this paper are summarized as follows:(1)我们提出完整的无线能量传输系统的建模和分析基于两个传动的传动效率和传动功率指标,分析其基本结构和工作原理,并为最优拓扑分析和比较。(2)本文的影响因素是不同的传统方法和先前的研究。首先,我们得到确切的效果的四个影响因素从理论演绎,然后通过实验验证理论推导的正确性。此外,我们得到的理论值转折点,这对优化的实际问题有一定的意义。(3)比较影响该系统性能的因素上市之前,考虑的问题有关权力和效率优化不能实际应用,本文提出一种新方法的最优选择,命名为电力产品和详细阐述其推导原理和实验过程。(4)通过实验验证了理论分析,提出了电源产品参数达到最优的传动系统的功率和效率,理论分析。

本文的其余部分如下:部分2回顾了无线能量系统的相关工作。节3介绍该方法的过程。使用有限元仿真验证该方法的提出了部分4。节5我们报告各种实验结果以及与最先进的方法。最后,部分6总结本文的总结和讨论。

2。无线能量传输系统的结构和工作原理

在振动系统中,强耦合状态之间常常存在固有频率相同的几部分(24]。磁耦合共振是一种强耦合附近磁场的方法,所损失的能量传输甚至是最小传输效率高。不轻易受金属障碍和其他破坏性的材料中发现的传输通道,它可以生成没有方向的传播。

MCRETS的核心结构由两个或两个以上的设计谐振线圈:匹配模块提供高频能量等于固有频率的谐振线圈和支持模块接收高频能量和能量的变化形式。图1MCRETS显示了一个典型的中端框图,主要包括频率AC电源,整流滤波器模块,射频放大器,阻抗匹配和监管控制电路,发射和接收线圈、整流器和负载。射频放大器接收传输后,接收线圈电流产生共鸣,和无线能量传输系统达到最大效率。

MCRETS外部电容谐振补偿每个循环。外部电容器可分为串联和并联补偿电容的接入电路。分别讨论了薪酬结构的主系统和辅助电路。共振薪酬结构可分为系列(SS)、串并联(SP),并串联(PS)和并行并行(PP) (25]。四个电路补偿结构如图2。

在图2,下标表示主电路,Uprimary-induced电压源,IP是洋流,LP和RP线圈的等效电路参数,和CP调谐电容的主电路。下标S代表二次电路,负载RL,是循环电流,LS和RS线圈次级电路的等效电路参数,CS在二级电路调谐电容器,和米是两个电路之间的互感。

如果传输系统的频率是多少f主系统和辅助电路的方程如下: ZP和z小学和中学的阻抗电路。主要和次要的电流回路,IP,可以获得(1): 在哪里的反应阻抗主要电路和二次电路是主要的反应阻抗电路到辅助电路。当 ,传输系统中的每个线圈的谐振频率和谐振频率是一致的激励源,和系统传输效率是最高的。此外,电流在两个循环受到对方的影响循环(2)。

一系列结构谐振补偿电路时,阻抗它纯粹是耐共振频率,而两个平行结构共存。当系统有一个党卫军补偿结构,外部谐振电容二次回路的阻抗的影响,传输距离,或负载特点,和共振频率不影响谐振电容的选择,所以系统设计优化是更方便。因此,外部谐振电容的拓扑结构党卫军。

3所示。MCRETS的传输性能的理论分析

在传统的方法中,大多数以前的研究都是直接通过仿真得到各影响因素的最优参数,所以只能获得最优参数范围。本文与传统的方法不同。首先,从理论模型,推导出最优参数的精确值的公式,然后推导出结果验证了仿真和实验。通过这种方式,我们可以找到每个因素的本质并为未来的研究提供了理论依据。

在这一章,我们从理论上分析传输性能的影响因素(传输距离、系统共振频率继电器结构、传输的相对位置,和接收线圈),每个因素的影响。

3.1。传输距离对MCRETS的传输性能的影响

结果和讨论可能单独提出,或在一个部分相结合,可以被分成部分。MCRETS的传输效率被定义为功率的比值在负载端发射机的功率传输。MCRETS的传输性能容易受到四个因素,即传输距离、共振频率、继电器线圈,发射和接收线圈的相对位置。根据磁耦合谐振无线能量传输的机制,共振频率成正比,可以直接影响传输距离。原则上,短程应用的能源效率很高,但它会随着传输距离的增加迅速下降(26,27]。在这项研究中,传输距离的影响因素从理论上进行了分析。接待的图和MCRETS如图的等效电路3。

发射和接收电路的等效阻抗 当系统的共振频率 ,本系列的等效阻抗谐振传输电路的大约是0,和等效阻抗的并联谐振器是无限的。在coil-resonant耦合电路如图3,党卫军拓扑结构可以很容易地分析系统整合成一个谐振系统,只包含发射和接收线圈。下面的公式可以从图中获得3:

然后,

ZP和z是纳入(5),如下:

当 ,系统达到谐振状态。两者之间的互感表达式并行空心线圈同轴相连

线圈电阻可以等效 ,在哪里电导率,D传输距离,真空磁导率,r发射机和接收机的半径,和n显示的半径丝的接收和发射线圈和两个线圈的匝数,分别。

方程(6)是解决如下:

负载的输出功率和传输效率可以表示如下:

在共振频率 ,负载电阻 ,发射和接收线圈参数和线圈互感会影响MCRETS的传输效率和输出功率,互感系数的大小与传输距离。因此,传输距离与发射和接收线圈之间的互感,无线能量传输系统的传输效率和输出功率。

从(9),输出功率是来自互感 ;也就是说,当 ,极端点了

极端的距离可以源于(10),如下:

然后, 。

此外,当 , 马克思;当 , 马克思;当 , 马克斯,权力是最大的。因此,当传输距离变化时,最初负载输出功率的增加,然后随传输距离的增加而减小。

同样,互感和传动效率之间的关系可以从互感米: 在哪里建立了;也就是说,传输效率与互感的大小成正比,因为互感和传输距离成反比。因此,传输效率随传输距离的增加而减小。

3.2。共振频率对MCRETS的传输性能的影响

MCRETS共振频率的驱动信号的频率。当驱动信号频率和固有频率的发射和接收线圈是一致的,该系统可以达到谐振状态。当输出功率(9)是由共振频率,也就是说, ,极端的频率可以推导如下:

基于上述分析,当 , ;当 , ;当 , 。因此,系统的输出功率最初增加然后减少共振频率的增加。当 ,输出功率最大。

共振频率来自传输效率,也就是说, :

在(14),建立了;因此,传输效率与共振频率增加。然而,在实际的设置中,皮肤的效果将会增加系统的传输效率和提高共振频率往往是稳定的。

3.3。无线能量传输系统与一个继电器的结构

MCRETS four-coil结构可以实现能量在中等距离的传播。当无线能量传输的距离超过临界耦合距离和到under-coupled区域,系统的传输性能会下降。然而,添加一个继电器线圈之间的传输和接收线圈将提高系统的传输性能。five-coil无线能量传输系统的关系图如图4,继电器和谐振线圈可以一致。

在这种结构中,继电器线圈等效电路,谐振电容器是串行连接的电路。five-coil无线能量传输系统的等效电路如图5。为了简化模型,不相邻线圈之间的互感可以忽略。

附近的继电器和发射线圈彼此;因此,他们可以被视为一个传输源继电器线圈。继电器线圈本身有一个高质量的因素,可以提高谐振电流,提高磁场效应。这种情况允许长途的传递和接收线圈耦合共振增加传输距离,提高传播效果。

3.4。发射和接收线圈的相对位置对MCRETS的传输性能

没有方向的传播是一个分辨特性的磁耦合共振,使它有别于电磁感应。在电磁感应耦合,一个轻微的旋转和线圈的翻译明显诱发能量损失在接收线圈。然而,当通过MCRETS执行传输,传输和旋转的线圈一定的传输范围内将有一个相对较小的传输损耗。当收发线圈的相对位置超出范围的改变位置,接收线圈的转动对输出功率有相当大的影响。

4所示。有限元法验证

在这篇文章中,发射线圈和接收线圈由ANSYS 10.0软件模拟。因为不同的分析对象和不同的分析方法,采用SOLID97单元类型的节点方法在分析射线线圈,具有简单的特点,速度和效率。添加铁芯的仿真计算发射线圈和接收线圈之间通过使用边缘SOLID117单元类型的方法可以更简单、更准确。

以SOLID97为例,我们设置的自由度AX,是的,和阿兹。然后,圆柱线圈的三维模型和空气可以建造。因为线圈产生的磁感应强度模型相对对称的,为了节省计算时间,铜线被选为载流线圈绕组,其电阻率和相对渗透率是1。线圈模型如图6。线圈直径100毫米,高100毫米,焊丝直径3毫米,匝数是5,和当前每50。

以下仿真,以下假设和约定:近似材料各向同性;温度变化的影响是暂时不考虑;空气区域被认为是无限的;铁芯被添加到仿真时,铁芯的磁化曲线近似认为是线性的;铁芯被添加到仿真时,涡流去磁不是考虑的影响。

ANSYS的分析模型、网络分区尤为重要。解决方案的准确性和速度深受网络的密度分区。本文的线圈和空气维度模型有很大的不同,因此不能被划分在一个时间。线圈的大小/铁芯和空气分别设置单位需要自由划分。考虑求解精度的要求和解决时间,线圈区域需要详细分区,而空气地区遵循由内至外的分区规则网格密度稀疏的网格。图7与线圈是一个分区图。图8是一个通用的空气和线圈的分区图。黑色的网格密度,细线圈面积。在中间最密集的部分是线圈。

仿真是一个平面螺旋线圈的线圈。为了有效地限制细分单元的数量在有限元模拟中,有必要简化线圈形状建模。简化了线圈形状不会影响传输通道中的磁场分布的太多了。在仿真软件中,模型如图9。横截面简化,包括方形截面圆形截面的导线,而是它的边长是5毫米,把号码是8,最大外径是38厘米,距离是3毫米。

在仿真,麦克斯韦和Simplorer用于模拟磁场分布。磁场分布的结果如图10。磁场强度的分布,当发射线圈的磁场强度最大如图11。在线圈的磁场强度,可以看出当前生成的谐振线圈在接收端。

因为设计的相似模拟实验过程,本文以上述过程为例。重置模拟过程的参数,包括系统谐振频率,传输距离继电器结构、发射和接收线圈的相对位置,我们可以通过反复模拟多组仿真数据。在下一章中,将使用这些模拟数据与实验数据进行比较和讨论。

5。实验验证MCRETS的传输性能

相应的实验物理设备构建基于MCRETS的工作原理。的传输性能的理论分析结果可以验证无线能量传输系统实验通过这个装置,如图所示12。相关实验设备的参数如表所示1。设备包括5个部分,即传输装置,发射线圈、线圈接收,接收设备和加载。传输设备发出的能量。接收线圈接收能量,然后负载能力。在实验过程中,输入和输出电压,输入和输出电流,输入和输出大国,和其他相关数据显示由发射机和接收机。接收线圈和发射线圈的照片呈现在图13实验装置如图14。

5.1。传输距离对MCRETS的传输性能的影响

传输距离是实验的结果验证。在实验中,发射线圈的位置保持不变,接收线圈向右移动,和系统的传输距离逐渐增加。收集的相关实验数据的传输和接收设备。从理论分析和实验获得的数据。的图像传输距离和传输功率之间的关系如图(15日)传输距离和传输效率之间,如图15 (b)。

从图7最初,无线能量传输系统的输出功率增加,然后随传输距离的增加,而无线能量传输系统的传输效率随传输距离的增加而减小。这些变化与上述理论分析相一致。

5.2。共振频率对MCRETS的传输性能的影响

无线能量传输系统的谐振补偿电容可以匹配。系统的共振频率的变化可以通过改变谐振补偿电容器。在实验中,传输距离是固定为2.5,3.0和3.5厘米。实验数据收集系统的共振频率的变化,然后用模拟数据显示画共振频率和输出功率之间的关系之间的共振频率和传输效率。输出功率之间的关系的图形和共振频率如图(16日)这之间的共振频率和传输效率如图16 (b)。

从图16传输距离保持不变,系统的输出功率最初增加然后减少与系统的共振频率的增加,而系统的传输和共振频率有直接关系。然而,实际系统中的集肤效应的存在会增加它的传输效率,和共振频率的增加往往是稳定的。实验和理论分析的传输效率价值差距逐渐增加。因此,当无线能量传输系统的共振频率很低,一个大的输出功率应保持接近传输,如果无线能量传输系统的共振频率高,输出功率大应该保持远离传播。

5.3。继电器线圈对MCRETS的传输性能的影响

继电器和nonrelay线圈的实验数据收集的实验设备。相关的实验数据,在接收终端电压波动传输距离变化,收集,曲线的电压和传输距离继电器和nonrelay。比较图如图17。

在图的变化曲线17显示的电压值接收机终端传输距离成反比。曲线的传输距离继电器线圈比曲线较慢的传输距离nonrelay线圈。的幅度衰减磁场或继电器线圈磁场的范围增加。同时,继电器线圈有效地提高系统的传输距离,增强了传播效果。实验结果与理论分析结果一致。

5.4。的影响,接收和发射线圈的相对位置MCRETS的传输性能

从理论分析发现在这项研究中通过实验进行了验证。在实验开始之前,接收线圈之间的角度设置为−40°和接收线圈然后慢慢旋转的方向垂直于线圈直径35°直到旋转一个角度。输出功率的值在旋转记录。输出功率随接收线圈的旋转角度。实验数据画在图18。然而,理论推导发射和接收线圈的相对位置尚未准确。我们只进行了初步验证验证后通过实验并获得初步结论。在未来的研究中,我们将进一步推导出理论依据。

5.5。在最大功率传输特点,党卫军拓扑系统的产品

上面的理论分析和实验表明,当系统在最大输出功率,传输效率往往是极低的。无线能量传输系统是一个相对容易影响系统,及其传输性能容易受到许多因素的影响。目前,许多学者分析无线能量传输系统的功率和效率,但这不能保证最优系统的传输性能。本文结合无线能源系统传输功率和效率的问题,也就是说,考虑到传播的力量和效率和优化系统传输性能。这种研究仍然是罕见的。

文献[28)比较和分析了两种模型的four-coil end-opening线圈和短路string-capacitor four-coil基于螺旋线圈通过电磁仿真。但这只是从电磁仿真的角度,缺乏具体的推理计算过程不能优化系统的输出功率和传输效率,更不可能优化系统传输性能。在这个文献[29日),两种基本结构分析和传输效率的公式推导。两个重要的因素,即传输品质因数和负载匹配因素,探索。然而,并没有研究如何平衡传输效率和电力以优化无线能量传输系统的传输性能。

对于上述问题,本研究提出了电力产品。无线能量传输系统的最优参数分析系统中允许更高的传输效率即使输出功率高。电力产品是产品的输出功率和传输效率,而且可以表达的(它的单位是两个变量的乘积单位:W),如下面所示:

为简单起见,假设无线能量传输系统的理想状态和剩余的物品是常数;因此,改变只是共振频率1个单位的数量。需要设置一系列的参数根据理想化的情况。根据设置的参数,可以分析相关的公式更有效和方便。分析更简单和清晰。系统参数表中列出2。从方程(15),电力产品Ψ和共振频率的曲线ω可以获得,如图19。为了找到一个相对最优值,它可以满足传输功率和传输效率在一定的情况下达到相对最优值。

在图11,当在峰值 ,极端点可以得到如下:

解决的输出功率和传输效率的系统如下:

从上面的分析,结果表明,当 ,输出功率达到最优值,我们可以得到相应的输出功率最大输出功率和传输效率 : 和是输出功率的变化范围和传输效率,分别。当和 ,系统的输出功率下降了11.1%,和传动效率增加了33.3%。

类似地,如果其他条件不改变,只控制传输距离的变化。当传输距离满足 ,系统的电源产品达到最大。此时,输出功率 ,和传输效率 。根据最大功率指数,当传输距离满足 ,输出功率最大值 ,和传输效率 。

总之,权力的使用产品参数优化确保输出和传输能力会相对较高,从而优化传输性能。

6。结论

本研究介绍了MCRETS模型,获得最优的拓扑结构进行建模和分析的四个拓扑结构。理论分析和实验验证的因素,影响MCRETS的传输性能(例如,transmission distance, resonant frequency, relay coil, and relative position of transmitting and receiving coils) were conducted and discussed. The theoretical analysis and experimental results show that these factors greatly influence the transmission performance of the wireless energy transmission system, such that the factors can further improve the transmission performance once optimized. Based on the above analysis, this study proposed the parameters of the power product to ensure a relatively high transmission power with the maximized performance. This concept is of great significance in practical application. For example, the problem of choosing the highest power or higher charging efficiency has always existed. With the concept of power product, the maximum efficiency product can be preferentially selected, which is more conducive to the optimization of charging performance.

然而,MCRETS传输结构的研究是有限的,因为它是基于双线圈结构。进一步的研究将研究单个或多个电源充电的效果使用一对一的结构或组成的网络结构。分析的基础上,进一步研究设计更高效,更强大,更稳定的MCRETS也是可取的。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢中国支持国家重点研发项目(批准号2018 yfb1304600),中科院跨学科创新团队(批准号jctd - 2018 - 11),欧盟FP7-ICT梦想项目(批准号611391年),中国国家自然科学基金(批准号。51575412,51575412,5157540)。

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