文摘

磁谐振耦合(MRC)的技术,广泛应用于无线电力传输(WPT)系统。这项技术通常用于提高距离,同时保持能量传输效率(PTE)。许多研究调查新技术来扩展MRC的同时保持高PTE的距离值。最有前途的技术到目前为止MRC的发射机和接收机之间的谐振器线圈。谐振器的实现基于不同的设计,不同的尺寸,和材料类型,虽然结果仍不理想。通过引入介电材料谐振器,可以提高PTE的欧姆损失降低传统谐振器成为一个问题。本研究提出了一个总体概述电介质材料的使用作为MRC WPT谐振器技术及其技术的发展。MRC WPT的基本操作是总结与最新的技术改进与介电材料作为谐振器在WPT的领域。概述当前该技术的局限性和挑战也强调了在这个研究。

1。介绍

磁谐振耦合无线电力传输(MRC WPT)技术使用了两个相同的电磁系统共振频率在目标距离无线传输电力。一般来说,电磁系统都可以激发强烈的磁共振如果自然共振频率是相同的,尽管弱耦合在一个目标的距离(1]。磁共振耦合进化之前,最受欢迎的和典型的技术是利用电感耦合(IC)。权力转移的概念最初由尼古拉·特斯拉的空气,主要实验和想法围绕这个概念(2]。尽管其偏好,集成电路只能传输功率在一个短的距离比MRC系统效率通常受到线圈的欧姆电阻和偏差2]。2007年,研究人员从麻省理工学院(MIT)被证明是一种有效的非辐射的功率传输的距离8倍线圈的半径使用4-coil系统传输的强烈耦合磁共振60瓦的功率效率超过40%,距离2米(3,4]。

由于不断增长的无线电力传输系统需求在过去几年中,WPT的应用研究也显著增加。有一个主要专注于电力传输效率(PTE)下降迅速增加当线圈之间的分离或当线圈偏差(5,6]。由于使用者应用程序需要极其有效负载无线电力传输,这是至关重要的考虑方法,达到最大效率。达到最优效率,几种方法进行了调查并提出在先前的研究5- - - - - -13]。这些方法包括阻抗匹配和控制策略使用单片机技术,包括质量(问)因素和耦合(k)系数控制,线圈结构,和偏差14]。

自适应阻抗匹配方法以前介绍(5,7- - - - - -13改善PTE)。不同于自动阻抗调谐控制,自适应调整的缺点是使用变容二极管电路中引入额外的损失。这减少了系统的总效率。以前的研究已经表明效率优化是通过改变耦合(k)系数之间的线圈5,10- - - - - -13]。这种方法是由手动调整线圈之间的距离达到一个合适的耦合系数(k)有针对性的共振频率,以确保最佳的效率。虽然这种方法取得了良好的效果,手动调整并不是一个可行的实际实现。

线圈结构,一些设计从平面印刷结构线圈(PSC) [15- - - - - -17)螺旋(18- - - - - -21),广场(22- - - - - -24),和3 d (25,26设计实现了。设计从简单到其他复杂的设计采用圆形结构虽然效率仍低于目标的价值。除了效率低下的表现,其无能作为工作装置由于笨重而复杂的设计需要进一步改善。失调问题[14),水平和角(方位)失调可能出现的两种主要类型的失调。已经几次由线圈结构的变化(解决这个问题27- - - - - -29日和使用多个谐振器20.]。线圈结构的变化来解决失衡问题降低了目标效率,并实现多个谐振器是不切实际的,因为不止一个谐振器使用,把发射机和接收机之间的线圈。

问题属于MRC WPT系统与传统谐振器的高电阻损失有关。欧姆损耗高,品质因数时自动减少,从而降低系统性能"持有"长时间的能量。因此,能量将迅速恶化当线圈都是分开的,当有一个线圈间的不一致。

回顾介电材料的谐振器MRC WPT系统提出了研究。使用介质谐振器的目的是减少传统谐振器的欧姆损失。在材料科学领域的研究(30.,31日)表明,电介质材料可以提高品质因数通过介电材料的介电常数特性表现出。先前的评论在2010年发表的论文(31日,32)提供了一个广泛的审查在介电材料和设计。因此,本文旨在讨论WPT介电材料相关的基本元素和最新的发展在过去的几年里。

2。WPT系统的工作原理

WPT系统分为两类基于传输技术:远场和近场传输。电磁场辐射远场过程中使用,而非辐射的电磁场用于近场技术。近场方法,比如电感耦合(IC),磁谐振耦合(MRC)和电容耦合,是最普遍和受欢迎的WPT方法(CC)。表1显示了近场WPT的一般比较。

WPT系统的基本工作原理包括两个线圈:(a)源和(b)的发射机接收机的输出。图1显示了在WPT基本操作系统的框图。

MRC的基本2-coiled WPT系统包含两个或多个谐振器(通常两个)发射机和接收机之间的线圈,通常称为线圈。图2说明了本系统的基本操作。线圈和谐振器必须以同样的频率共振时达到最佳效率虽然距离变化或偏差。

MRC拓扑是由应用反映阻抗方法,可以确定补偿元件的参数,根据不同的网络拓扑等系列(SS)、串并联(SP),并串联(PS)和并行并行(PP) (33]。基于反射阻抗法,党卫军是唯一的拓扑是独立的耦合系数(k)(改变k不会影响系统)和负载条件反射的一次侧电抗等于零(33]。党卫军拓扑结构提出了用电路分析如图3。

磁传感器的特点是通过利用基尔霍夫电压定律(在任一瞬间)在第一阶段计算的电路。发射机和接收机的阻抗电路由以下表达式: 互感的地方,米,取决于电感l₁和l₂发射机/接收机的线圈和耦合系数k通过表达式如下所示:

每个电路激发相同的互感的邻居是观察到的两个电路之间的反馈机制。净效应是,每个电路的阻抗调节邻国通过耦合的磁通和随之而来的互感。在共振,电抗的阻抗Z₁和Z₂等于零,得到了谐振方程如下:

在共振,两个电路工作在近乎完美的和谐转移方程如下所示:

方程(4)指导电力传输系统的工作频率。不需要使用的电感和电容的值相同。最重要的特点是电路的谐振频率应该是相同的。的权力交接关系同nonresonant双线圈系统根据以下方程:

在共振,在每种情况下的功率因素成为一个输入和输出功率计算从以下方程:

因此,能量传输效率被定义为输出功率与输入功率的比例如下:

反射系数,年代₂₁和辐射模式参数(E场和H场)测量的结果WPT系统性能。发射机、接收机线圈和介质谐振器可以实现由独立的等效RLC电路如上所述,每个反应一定的共振频率。计算公式如下年代₂₁(理论)妥协的价值问因素来证明问因素影响WPT效率。

方程(11)和(12)用于计算反射系数以百分比的形式的基础上,仿真和实验结果。评估整体WPT系统性能,PTE计算使用以下方程:

的问相关系数值是个体被动组件,它依赖于计算频率,共振频率的电路。的问值的电感系列电阻的总损失问电感和电容的谐振电路利用如下:

在这里,R_l必须减少到最小值增加的价值问。因此,一个合适的方法来减少R是通过添加一个谐振器与发射机和接收机具有良好的耦合线圈。采取了许多类型的谐振器,一系列的各种设计和线类型,甚至使用铜等多个谐振器线圈和超材料(34]。尽管使用各种谐振器的类型和设计,实现结果仍低于目标指示的条件如下:

根据(35),效率迅速恶化,如果距离的比例不到50%,D之间的线圈大于线圈直径,d_米。当条件(14)发生,PTE显著下降。图4显示的表示D和d_米在本系统中。

以前的研究已经指出这个条件,旨在提高距离和没有比较它与线圈直径PTE。表2突出了几个例子的研究表明D/d_米比率低于1,从而表明线圈直径大于距离。这些发现在35)支持,显示了PTE恶化时的距离是一样的或高于线圈直径值。主要的问题在于生产高PTE不考虑线圈的大小。随后,系统有一个很大的线圈,但较低的PTE的有效距离。在实际应用中,除了高PTE和更长的有效距离,整个系统设计应紧凑,能够适应至少一个小线圈间的不一致。

因此,另一种解决方案提出了这一问题是本系统来取代传统的谐振器与其他类型如介电材料的使用。研究采用介质谐振器在WPT相对稀缺,和新见解可以增强整个MRC WPT系统瓦解。

3所示。介质谐振器

介质是一种不良导体材料,但可以维持静电场。如果当前的运动在相反的电荷波兰人是保留最小和通量的静电线路完好无损,静电场将能够储存能量。大多数介电材料作为固体形式存在(32)如陶瓷或陶瓷、云母、玻璃、塑料、各种金属和氧化物。一些液体和气体也作为电介质的好材料。干燥的空气是一个很好的介质,而蒸馏水是一个公平的介质。另一方面,真空的一个例子是一个有效的介质。

介电特性的特殊和重要的特征是其能力来维持一个静电场而释放的能量最小的热量。减少介电材料的介电损耗更有效率,能量损失热量的比例是最小的(36]。另一个考虑是介电常数代表一种物质集中的程度的静电行通量。物质与低介电常数包括真空和干燥的空气,而中等介电常数包括陶瓷、蒸馏水、纸、云母、聚乙烯、和玻璃。高介电常数是来自金属氧化物。高介电常数应用电场极化更在回应一个比一个低介电常数的材料,从而将更多的能量存储在材料(37]。因此,高介电常数是有利的选择WPT系统增加PTE和距离以及减少失调问题。

介质谐振器的工作频率取决于WPT系统之前的研究表明,低介电常数(1 - 100)通常是合适的和产生一个更高频率的系统,而高介电常数(100以上)适用于kHz和MHz系统。WPT众所周知在兆赫范围;因此,介质的介电常数约1000是可取的。

通过使用一个合适的介电常数的介电材料,可以创建一个低损耗谐振器。低损耗谐振器展品高折射率,导致降低电磁波运动。WPT的特点介绍了强磁介质谐振器谐振,从而导致更强的共鸣和更高的效率(32,34]。通过使用在WPT介质谐振器,磁偶极产生由于发射机和接收机之间的相互作用源激发。提高传输效率,质量因素,问,必须高于12。因此,获得一个高问值时,R_l基于价值(10)必须很小。减少R_l,选择谐振器和耦合与发射机和谐振器。谐振器的缺点在先前的研究是选择R_l价值还高,从而导致低问因素的圈式谐振器欧姆电阻。

因此,介质谐振器作为介电材料中没有额外的欧姆电阻,因此视为高阶磁转移模式(37,38]。基于边界条件的信号反射和折射介质和材料属性被用来评估系统的品质因数。介质谐振器品质因数的取决于介质的大小和介电常数的值(38]。内部回声形成电介质可以生成基本频率的高次谐波输入激励。这些也被称为高阶模式。无论实例,这些回声或加权叠加介质内的所有在场的模式,因此称为主导模式(37]。基本模式谐振频率最低,而高阶模式频率最高。

介质谐振器的实现在WPT系统驱动器的共振频率高阶模式。电偶极子的基本MRC运作(ED)模式,但是当使用介质谐振器,其他模式称为磁偶极子(MD)和磁四极(MQ)模式出现32,34,39]。辐射损失可能是减少在更高的模式,从而提高系统效率。每个频率模式是不同的形状和大小对他们的磁场。图5显示之间的差异E- - -H场MD和MQ中描述(39]。

在医学研究表明,WPT效率运营模式不仅是更有效率,还具有较高的抗任意取向的发射机和接收机。高阶模式存在折射率的值较高,导致降低欧姆电阻(39]。因此,操作在医学或MQ模式而不是教育模式产生更有效的WPT体系由于减少电阻和辐射损失。

理论对磁和电偶极子是必不可少的谐振模式的理解在WPT作为谐振器采用介电材料。介质谐振器的一个有趣的特性是,它有不同的辐射模式,类似于电和磁多极称为偶极子,四极,八极。辐射模式可以预测准确,没有使用任何复杂的计算常规形状的介质谐振器(38]。

例如,在圆柱形介质谐振器,TE_01δ模式存在,辐射就像一个磁偶极子沿其轴对齐,如图6。TE_{011 +δ}作为一个轴向磁四极辐射(40]。同样,TM_01δ和TM_{011 +δ}模式作为轴向电偶极子和四极辐射。辐射领域的基本形式的TE和TM模式是独立的介电常数与谐振器的材料。

介质谐振器的独特特性产生各种辐射模式从不同的激发辐射模式没有被调查,似乎是有趣的。例如,高阶模式哼哼_21δ介质谐振器,被称为磁四极模式下,有能力维持磁场中少利用WPT相关研究。图7显示了TM之间的差异_01δ哼哼_21δ模式。

4所示。从文献综述研究的推论

介质谐振器的操作和应用在WPT始于2013年。然而,他们的潜力几乎是探索在生产高介电常数介电谐振器由于困难。不一致和不可靠的制造过程被研究人员面临的一些挑战的实际应用。然而,潜在的介质谐振器在提高WPT系统可以进一步探索,从而使新材料的识别。出版物的摘要报告从2013年到2019年图所示8。

WPT系统基于陶瓷材料介电谐振器进行了研究(42)如图9。在这项研究中,使用Nishikawa和Ishizaki圆形状的陶瓷介质的研究,避免了使用传统谐振器作为传统谐振器卸载阻抗欧姆损失。研究人员关注问因素,特别是强调微波波段的频率。共振频率设置为2.4 GHz和被认为是相当高的MRC操作频率。介电材料介电常数和PTE的距离都没有提到的研究。

2014年,Hotta等人使用水作为介质对MRC的效率(43)如图10。他们比较传统与介质谐振器谐振器的使用。结果显示,传统方法生产效率增加5 - 10%由于水的低介电常数。

在另一项研究[44),作者使用水或水溶液作为介电材料,但介电常数变化从80年到2000多。基于固有模式的分析结果表明,介电常数越高,越高问的因素。这个观察支持低介电常数介质中观察到的概念(43)是低效率比传统的谐振器。因此,高介电常数更适合WPT系统中的实现。

使用高介电常数的建议(39)如图11,陶瓷介质介电常数为80被纳入设计。更高的问值时,辐射损失最小化,提高系统运行的效率。系统的基本原理可以从米氏散射理论获得指定绑定的指控在介质谐振器与外部磁场不同订单的磁多极模式可以形成于不同的频率。因此,磁偶极子(MD)模式在210 MHz的频率而兴奋磁四极(MQ)模式是兴奋在300 MHz的频率更高。这两个频率被认为效率的操作频率在一个5厘米的距离近90%。相关的效率(14)仍然是低谐振器介质是8厘米,球体谐振器设计是大而笨重,因此被认为不适合实际的目的。

在后续研究中,同一作者改进了WPT系统提出了(46,47使用与巨大的介电常数介质圆柱谐振器)。介质谐振器是由陶瓷具有高介电常数约为1000。结果非常有前途的共振频率从GHz转向MHz,从而使WPT操作。仿真和实验结果验证了50%效率的分离距离内可保持16厘米(3.8对谐振器半径比大小)如图12和图13。

其他后续研究也发表了相同的作者在2016年(39,48,49),201745,47,50),2019 (10]。图14说明了WPT系统提出的作者(48- - - - - -50]。使用低和高介电常数介质谐振器的效果在WPT系统研究使用陶瓷基于Ba、Sr、TiO₃溶液掺杂毫克。先前的研究仅仅是基于使用CST仿真软件定位WPT系统内的磁场分布。

2018年(34),WPT的工作原型设计和验证系统使用metasurface WPT移动收费应用程序。图14说明了该系统,PTE极大增加到80%在25厘米的距离。

此外,一些研究[51- - - - - -54WPT系统)研究了介质谐振器的效果。最近的一项研究[35]表明,WPT系统运营的四极模式更有效率和更强的抵抗力不同取向的发射机和接收机位置。这一发现证实了介质谐振器的使用可以增加WPT PTE和有效的距离以及减少失调问题。介质设计或形状的影响研究使用介质捆扎谐振器(51)如图(15日)和dielectric-loaded多模谐振腔(SCR) [52)如图15 (b)。这个结果很有前途虽然需要进一步研究实现其实际应用。在另一项研究[53),如图(16日)介质谐振器从EXXELIA TEMEX E5080的氧化物成分组成的B_米,年代_米,T_我材料的介电常数78人就业。作者指出,这种陶瓷材料非常困难源作为一个现成的谐振器,它是不容易制作谐振器与一个特定的介电常数的值。如图17介质谐振器使用一层一层地发射机和接收机之间的线圈。

正如前面指出的,MRC失调是另一个必须解决的问题。有两种主要类型:横向(水平)失调和角(方位)失调[56]。两位作者强调错位的问题在MRC WPT的介质谐振器(53,57]。两位作者讨论了在横向偏差和角度轴。表3显示了一个错位使用介电材料总结之前的研究。

相比之下,表4总结了以往的研究在错位使用传统谐振器。结果使用介质谐振器两种类型的失调是相当不错的与先前的研究相比,如(27,58- - - - - -62年]。在之前的研究中,作者使用了一个不同的线圈,谐振器和跟踪技术来减少失调的影响。精确比较的性能不能做,因为偏差的概念被定义在先前的研究不同,应用程序相关的。例如,在电动汽车的情况下,横向偏差被认为是由于充电板固定在车辆,防止方位偏差。

如表所示5介质在不同的形式设计,尺寸是相同的发射机和接收机的线圈。介质的形状没有明显影响整个系统的性能,根据(65年),介电常数是最关键的因素。介电常数越大,时间越长介质可以保留磁场;然而,频率转移到一个较低的值。在[演示53),使用的参数研究介电常数,从1000年到2000年;然而,由于所需的介电常数的无法理解,作者采用78介电值实验验证。从数百兆赫GHz频率增加,减少了有效距离(只有几毫米)由于系统波长随着频率的增加减少。根据歌曲et al .,最初的研究使用了一个球形介质参数对介电常数的影响进行调查WPT系统从2016年开始(48和2019年转移到一个苗条的介质34]盘式陶瓷的形状,因为它是更适合于实现和商业化在真实的应用程序中。

比较的性能MRC介质谐振器和传统谐振器表所示6和7。如表所示,D/d_米比率大于介质谐振器时使用,表明介质谐振器有一个实质性影响MRC的性能。更积极的一面,研究介质谐振器可能扩大和进一步研究。

5。结论

由于WPT系统的高潜力,许多行业从业者迫切希望采用这种系统在其应用程序。各种研究已经解决了问题WPT系统,特别是关于PTE的距离以及偏差问题。介质谐振器天线之前用于应用程序的操作对高频采用WPT系统为当前的问题提供更好的解决方案。然而,有针对性的介电常数的介质谐振器的制造是难以来源,和介电材料的成本很高。因此,一个合适的设计WPT系统结合介电材料必须确保其实际实现。

数据可用性

对应的数据可从作者的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由马来西亚大学玻璃市(UniMAP)和高等教育(邻蒙古)部格兰特德意志联邦共和国/ 1/2014 / TK06 / UniMAP / 02/7 (40352 - 65077)。