應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對及其制造方法
【專利摘要】應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對及其制造方法，涉及一種應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)姆窍嗤瞻l(fā)線圈對及其制造方法。它實現(xiàn)了無需機械調(diào)節(jié)、無需額外控制電路的收發(fā)線圈對在不減小最大傳輸距離的同時，有效抑制WPT/MRC中出現(xiàn)的頻率分裂。其方法為：根據(jù)發(fā)射線圈輸入阻抗和負載阻抗，以及工作頻率確定收發(fā)線圈之間最優(yōu)互感系數(shù)；由實際應(yīng)用中充電目標(biāo)的尺寸確定接收線圈大小，調(diào)試發(fā)射線圈大小消除收發(fā)線圈之間互感系數(shù)的極點，以獲得平坦的互感系數(shù)隨傳輸距離變化曲線，進而合理設(shè)計收發(fā)線圈匝數(shù)以滿足無線電能傳輸系統(tǒng)之間最優(yōu)傳輸條件，然后調(diào)諧電容，將收發(fā)線圈調(diào)諧在所用工作頻率實現(xiàn)制造。
【專利說明】應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)姆窍嗤瞻l(fā)線圈對及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]磁稱合諧振式無線電能傳輸(wirelesspower transfer via magnetic resonantcoupling, WPT/MRC)系統(tǒng)于2007年被美國麻省理工大學(xué)學(xué)者提出，其成果被發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Science》上，引起了全世界的廣泛關(guān)注。該成果表明，采用諧振線圈作為收發(fā)天線，可以在中距離傳輸范圍(幾厘米至幾十厘米)內(nèi)，高效進行電磁能量的傳輸。然而，WPT/MRC系統(tǒng)的能量傳輸效率隨傳輸距離改變變化十分劇烈。
[0003]文獻[A.P.Sample, D.A.Meyer, and J.R.Smith.Analysis, experimentalresults,and range adaptat1n of magnetically coup led resonatorsfor wireless power transfer[J].I eee Transact 1ns on IndustrialElectronics, 2011, 58(2):544-554.]指出，WPT/MRC系統(tǒng)只能在某一特定距離在系統(tǒng)工作于諧振頻率處實現(xiàn)最大能量傳輸效率，當(dāng)傳輸距離變大，盡管系統(tǒng)仍在諧振頻率具有最大能量傳輸系數(shù)，但其數(shù)值將隨著諧振線圈耦合系數(shù)的減弱而大幅衰減；當(dāng)傳輸距離較近時，諧振頻率處的傳輸系數(shù)還會因為線圈之間耦合過強而減弱，而系統(tǒng)最佳能量傳輸頻點也將分裂成諧振頻率兩側(cè)的兩個頻點，而該現(xiàn)象也被稱為“頻率分裂(frequency splitting) ”。
[0004]目前，針對于頻率分裂，為獲得隨傳輸距離變化穩(wěn)定的能量傳輸系數(shù)，主要有一下幾種對策。其一就是根據(jù)傳輸距離變化，實時調(diào)整系統(tǒng)阻抗匹配特性。這種技術(shù)需要在能量發(fā)射端額外引入線圈進行磁感應(yīng)耦合饋電，所用的技術(shù)手段就是通過機械地改變該耦合線圈與諧振線圈之間的相對位置擺放姿態(tài)等等來調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻抗匹配。因而該技術(shù)操作復(fù)雜，不便應(yīng)用。另外一種方法即在發(fā)射端引入鎖相環(huán)路等附加電路，實時改變系統(tǒng)能量傳輸頻率，根據(jù)傳輸距離不同采取相應(yīng)的最佳傳輸頻率以獲得最優(yōu)傳輸系數(shù)。然而這種方法電路復(fù)雜，且最優(yōu)頻率處的傳輸系數(shù)值也很難被控制到最大。另外，還可以通過改變線圈的結(jié)構(gòu)來抑制頻率分裂，比如韓國學(xué)者曾通過在諧振線圈上引入反向線圈，抵消了過強的耦合，很好的抑制了頻率分裂，在諧振頻率處獲得了較為平穩(wěn)的傳輸系數(shù)。然而該技術(shù)的代價在于較遠傳輸距離的耦合強度同樣被大大降低，因此整個系統(tǒng)的最遠傳輸距離也被被大大縮短，應(yīng)用也受到了限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了實現(xiàn)機械調(diào)節(jié)、外加控制電路的收發(fā)線圈對在不減小最大傳輸距離的同時，能夠有效抑制WPT/MRC中出現(xiàn)的頻率分裂，從而提供一種應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對的制造方法。
[0006]應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對的制造方法，它由以下步驟實現(xiàn):
[0007]應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對的制造方法，它由以下步驟實現(xiàn):
[0008]步驟一、根據(jù)發(fā)射線圈的輸入阻抗Ztl和負載阻抗以及工作頻率ω，根據(jù)公式:
[0009]

【權(quán)利要求】
1.應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對的制造方法，其特征是:它由以下步驟實現(xiàn): 步驟一、根據(jù)發(fā)射線圈的輸入阻抗Ztl和負載阻抗以及工作頻率ω，根據(jù)公式:
確定發(fā)射線圈與接收線圈之間最優(yōu)互感系數(shù)Mm ； 步驟二、將發(fā)射線圈與接收線圈相對放置，并設(shè)定接收線圈與發(fā)射線圈的半徑分別為r1和r2，以及發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離d，并通過公式:
獲得發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感系數(shù)Μ; 式中:Κ(*)和Ε(*)分別為第一類和第二類完全橢圓積分，為真空磁導(dǎo)率，大小為4 31 X l(T7H/m ； 步驟三、將步驟一獲得的發(fā)射線圈與接收線圈之間最優(yōu)互感系數(shù)Mm除以步驟二獲得的發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感系數(shù)M，作為發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)； 步驟四、利用兩個可調(diào)電容，分別將發(fā)射線圈和接收線圈調(diào)諧在所用工作頻率，完成應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對的制造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對的制造方法，其特征在于接收線圈^的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)實際充電目標(biāo)確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對的制造方法，其特征在于發(fā)射線圈的半徑1"2的設(shè)定方法是互感系數(shù)隨傳輸距離變化曲線的平坦程度確定。
4.應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對，其特征是:它包括發(fā)射線圈、接收線圈、可調(diào)電容Cl和可調(diào)電容C2 ； 信號發(fā)生器的信號輸出端與功率放大器的信號輸出端連接；所述功率放大器的正向輸出端子與發(fā)射線圈的一端連接；所述發(fā)射線圈的另一端與可調(diào)電容Cl的一端連接；所述可調(diào)電容Cl的另一端與功率放大器的負向功率輸出端； 所述發(fā)射線圈和接收線圈相對設(shè)置，且距離為d，d為正數(shù)，所述接收線圈的一端與負載的正向輸入端子連接；所述接收線圈的另一端與可調(diào)電容C2的一端連接，所述可調(diào)電容C2的另一端與負載的負向電源端子連接。
5.應(yīng)用于無線電能傳輸?shù)目梢种祁l率分裂的非相同收發(fā)線圈對，其特征在于發(fā)射線圈和接收線圈均為圓形諧振線圈。
【文檔編號】H02J17/00GK104135088SQ201410390737
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】孟繁義, 呂玥瓏 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)