本實(shí)用新型涉及無線電能傳輸或無線輸電技術(shù)的領(lǐng)域，具體涉及一種利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無線電能傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的完全電氣隔離，具有安全、可靠、靈活的優(yōu)點(diǎn)。早在19世紀(jì)末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)便利用無線電能傳輸原理，在沒有任何導(dǎo)線連接的情況下點(diǎn)亮了燈泡.基于磁耦合諧振式的無線電能傳輸是MIT的學(xué)者在無線電能傳輸領(lǐng)域取得的突破性進(jìn)展，自2007年被公開發(fā)表以來在無線電能傳輸領(lǐng)域引起了非常大的反響，越來越多的學(xué)者加入到無線電能傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)中來。

在目前的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中，包括線圈內(nèi)阻在內(nèi)的諧振電路的內(nèi)阻是影響無線電能傳輸?shù)闹匾蛩?，如何降低線圈內(nèi)阻是無線電能傳輸領(lǐng)域的一個重要難題，有文獻(xiàn)提出采用超導(dǎo)線圈來降低線圈內(nèi)阻，然而超導(dǎo)線圈一般需要在比較低的溫度環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)，成本較高。

分?jǐn)?shù)階微積分已經(jīng)有300多年的歷史，其將微積分的階次從整數(shù)階推廣到分?jǐn)?shù)甚至復(fù)數(shù)。分?jǐn)?shù)階電容的概念由分?jǐn)?shù)階微積分的概念而來，與傳統(tǒng)的整數(shù)階電容不同，分?jǐn)?shù)階電容包括容值和階數(shù)兩個參數(shù)，這使得分?jǐn)?shù)階電容的設(shè)計自由度比整數(shù)階電容多，具備一些傳統(tǒng)整數(shù)階電容不具備的性質(zhì)?，F(xiàn)有技術(shù)中還未存在利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)，本實(shí)用新型利用了分?jǐn)?shù)階電容在特定的參數(shù)范圍內(nèi)，具有負(fù)電阻的分量，將具有負(fù)電阻分量的分?jǐn)?shù)階電容應(yīng)用于無線電能傳輸系統(tǒng)中，對于降低諧振電路內(nèi)阻具有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對目前現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型提供一種利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)。

本實(shí)用新型通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)，其中包括高頻功率源V_S、發(fā)射電路、接收電路和負(fù)載R_L，其特征在于發(fā)射電路包括串聯(lián)連接的原邊分?jǐn)?shù)階電容C_α1、原邊發(fā)射線圈L₁、原邊電路內(nèi)阻R_S1，其中原邊電路內(nèi)阻R_S1為包括原邊線圈內(nèi)阻在內(nèi)的原邊電路所有正電阻；接收電路包括串聯(lián)連接的副邊分?jǐn)?shù)階電容C_α2、副邊接收線圈L₂、副邊電路內(nèi)阻R_S2，其中副邊電路內(nèi)阻為包括副邊線圈內(nèi)阻在內(nèi)的接收電路所有正電阻。

在所述的一種利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)中，原邊分?jǐn)?shù)階電容C_α1和副邊分?jǐn)?shù)階電容C_α2的電壓電流微分關(guān)系均滿足：

相位關(guān)系滿足：

阻抗為：

其中i_C為分?jǐn)?shù)階電容電流，v_C為分?jǐn)?shù)階電容電壓，α為分?jǐn)?shù)階電容階數(shù)，并且0<α≤2，C_α為分?jǐn)?shù)階電容容值,w為分?jǐn)?shù)階電容的工作角頻率。

所述的一種利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射電路和接收電路之間是通過串聯(lián)諧振耦合的方式實(shí)現(xiàn)的無線電能傳輸。

本實(shí)用新型的發(fā)射電路由原邊分?jǐn)?shù)階電容C_α1、原邊發(fā)射線圈L₁、原邊電路內(nèi)阻R_S1構(gòu)成RLC_α串聯(lián)諧振電路，接收電路由副邊分?jǐn)?shù)階電容C_α2、副邊接收線圈L₂、副邊電路內(nèi)阻R_S2構(gòu)成RLC_α串聯(lián)諧振電路。發(fā)射電路和接收電路通過諧振耦合的方式實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。同時，原邊分?jǐn)?shù)階電容C_α1和副邊分?jǐn)?shù)階電容C_α2之中，至少有一個分?jǐn)?shù)階電容除了工作在與線圈諧振的狀態(tài)，還用于抵消所在串聯(lián)諧振電路的內(nèi)阻。

作為一種實(shí)施方式，所述的原邊分?jǐn)?shù)階電容C_α1被設(shè)置為與原邊線圈產(chǎn)生諧振的同時又能抵消部分或全部原邊電路內(nèi)阻，原邊電路內(nèi)阻為包括原邊線圈內(nèi)阻在內(nèi)的原邊電路所有正電阻。

作為一種實(shí)施方式，所述的副邊分?jǐn)?shù)階電容C_α2被設(shè)置為與副邊線圈產(chǎn)生諧振的同時又能抵消部分或全部副邊電路內(nèi)阻，副邊電路內(nèi)阻為包括副邊接收線圈內(nèi)阻在內(nèi)的接收電路所有正電阻。

作為一種實(shí)施方式，所述的抵消內(nèi)阻包括原邊分?jǐn)?shù)階電容被設(shè)置為抵消原邊電路內(nèi)阻和與原邊線圈諧振，副邊分?jǐn)?shù)階電容只被設(shè)置為與副邊線圈諧振。

作為一種實(shí)施方式，所述的抵消內(nèi)阻包括副邊分?jǐn)?shù)階電容被設(shè)置為抵消副邊電路內(nèi)阻和與副邊線圈諧振，原邊分?jǐn)?shù)階電容只被設(shè)置為與原邊線圈諧振。

作為一種實(shí)施方式，所述的抵消內(nèi)阻包括原邊分?jǐn)?shù)階電容被設(shè)置為抵消原邊電路內(nèi)阻和與原邊線圈諧振，副邊分?jǐn)?shù)階電容被設(shè)置為抵消副邊電路內(nèi)阻和與副邊線圈諧振。

所述的一種利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)中，原邊和副邊電路的等效內(nèi)阻分別為：

式中為分?jǐn)?shù)階電容C_α1阻抗的實(shí)部分量，為分?jǐn)?shù)階電容C_α2阻抗的實(shí)部分量。

所述的一種利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)中，原邊分?jǐn)?shù)階電容的參數(shù)不僅需要滿足與原邊線圈諧振的條件：

用于抵消原邊電路內(nèi)阻R_S1時，分?jǐn)?shù)階電容參數(shù)還需滿足：

0≤Z_eqs1<R_S1

即：

此時原邊分?jǐn)?shù)階電容的阻抗具有負(fù)電阻的分量，因此可用于抵消原邊電路內(nèi)阻。而且當(dāng)時即原邊等效內(nèi)阻Z_eqs1＝0，原邊分?jǐn)?shù)階電容剛好全部抵消原邊電路內(nèi)阻R_S1。

所述的一種利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)中，副邊分?jǐn)?shù)階電容的參數(shù)不僅需要滿足與副邊線圈諧振的條件：

用于抵消副邊電路內(nèi)阻R_S2時，分?jǐn)?shù)階電容參數(shù)還需滿足：

0≤Z_eqs2<R_S2

即：

此時副邊分?jǐn)?shù)階電容的阻抗具有負(fù)電阻的分量，因此可用于抵消副邊電路內(nèi)阻。而且當(dāng)時即副邊等效內(nèi)阻Z_eqs2＝0，副邊分?jǐn)?shù)階電容剛好全部抵消副邊電路內(nèi)阻R_S2。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，分?jǐn)?shù)階電容不僅實(shí)現(xiàn)與線圈諧振，還可同時實(shí)現(xiàn)抵消電路內(nèi)阻。

2、通過分?jǐn)?shù)階電容部分或全部抵消電路內(nèi)阻，可以提高電路的品質(zhì)因數(shù)。

3、通過原副分?jǐn)?shù)階電容分別與發(fā)射和接收線圈諧振，并同時分別全部抵消原邊電路內(nèi)阻和副邊電路內(nèi)阻，可使高頻功率源的輸出功率全部輸出到負(fù)載上。

附圖說明

圖1為實(shí)施方式中提供的具體系統(tǒng)模型。

圖2為實(shí)施方式中電路品質(zhì)因數(shù)與分?jǐn)?shù)階電容階數(shù)的關(guān)系曲線。

圖3為實(shí)施方式中輸出功率和輸入功率與分?jǐn)?shù)階電容階數(shù)的關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型的內(nèi)容和特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方案進(jìn)行具體說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施和保護(hù)不限于此。

本實(shí)例的利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)的基本原理是利用分?jǐn)?shù)階電容與線圈產(chǎn)生諧振，同時利用分?jǐn)?shù)階電容在設(shè)定階數(shù)下具有負(fù)電阻分量的特點(diǎn)來抵消電路的正電阻。

如圖1，一種利用分?jǐn)?shù)階電容抵消內(nèi)阻的分?jǐn)?shù)階無線電能傳輸系統(tǒng)，包括高頻功率源V_S、發(fā)射電路、接收電路和負(fù)載R_L，發(fā)射電路包括串聯(lián)連接的原邊分?jǐn)?shù)階電容C_α1、原邊發(fā)射線圈L₁、原邊電路內(nèi)阻R_S1，其中原邊電路內(nèi)阻R_S1為包括原邊線圈內(nèi)阻在內(nèi)的原邊電路所有正電阻；接收電路包括串聯(lián)連接的副邊分?jǐn)?shù)階電容C_α2、副邊接收線圈L₂、副邊電路內(nèi)阻R_S2，其中副邊電路內(nèi)阻為包括副邊線圈內(nèi)阻在內(nèi)的接收電路所有正電阻。為了分析方便，令原邊電路內(nèi)阻R_S1和副邊電路內(nèi)阻R_S2參數(shù)一致都為R_S；令原邊發(fā)射線圈L₁和副邊接線線圈L₂參數(shù)一致都為L；令原邊分?jǐn)?shù)階電容C_α1和副邊分?jǐn)?shù)階電容C_α2參數(shù)一致,容值都為C_α，階數(shù)都為α。

令系統(tǒng)諧振頻率為w_r，當(dāng)原邊和副邊的分?jǐn)?shù)階電容都設(shè)置為與線圈諧振和補(bǔ)償電路內(nèi)阻時，其參數(shù)滿足：

式中為分?jǐn)?shù)階電容阻抗的實(shí)部分量，解得：

當(dāng)發(fā)射電路和接收電路都諧振時，可得原邊的回路阻抗Z₁₁和副邊回路阻抗Z₂₂為：

又由基爾霍夫定律可得：

式中為高頻功率源電壓的向量表達(dá)式，和分別為為原邊電流和副邊電流的向量表達(dá)式。M為原邊發(fā)射線圈與副邊接收線圈之間的互感。

解得原邊電流的幅值I₁和副邊電流的幅值I₂為：

則可得系統(tǒng)諧振時輸出功率P_O的表達(dá)式為：

系統(tǒng)諧振時高頻功率源的電壓和電流同相，則可得高頻功率源的輸入功率表達(dá)式P_IN為：

諧振電路的一個重要參數(shù)就是品質(zhì)因數(shù)，此時系統(tǒng)發(fā)射電路和接收電路的品質(zhì)因數(shù)Q的表達(dá)式為：

式中為諧振電路的等效內(nèi)阻。

設(shè)高頻功率源電壓為V_S＝20V,角頻率w_S＝2*π*50000rad/s，線圈電感為L＝300uH,M＝30uH,內(nèi)阻R_S＝0.5Ω,負(fù)載R_L＝10Ω。發(fā)射電路與接收電路的諧振頻率與高頻功率源頻率相等，則可得分?jǐn)?shù)階電容的參數(shù)應(yīng)滿足:

此時系統(tǒng)輸出功率、高頻功率源的輸入功率與分?jǐn)?shù)階電容階數(shù)的關(guān)系曲線如圖2。由圖2可知，分?jǐn)?shù)階電容階數(shù)越高，系統(tǒng)輸出功率就越接近于高頻功率源的輸入功率，當(dāng)分?jǐn)?shù)階電容階數(shù)取得最大值時即此時分?jǐn)?shù)階電容完全抵消內(nèi)阻，則系統(tǒng)輸出功率等于高頻功率源的輸入功率，即高頻功率源的輸入功率全部輸出到負(fù)載上。

此時系統(tǒng)發(fā)射電路和接收電路的品質(zhì)因數(shù)Q與分?jǐn)?shù)階電容階數(shù)的關(guān)系曲線如圖3。由圖3可知，Q值隨電容階數(shù)的增加而增大，當(dāng)分?jǐn)?shù)階電容階數(shù)取得最大值時即此時分?jǐn)?shù)階電容完全抵消內(nèi)阻時，Q值趨于無窮大。

由上述分析可知，本實(shí)用新型的無線電能傳輸系統(tǒng)在抵消電路內(nèi)阻后，系統(tǒng)在功率特性，電路品質(zhì)因數(shù)等方面與傳統(tǒng)的無線電能傳輸系統(tǒng)存在很大差異，本實(shí)用新型系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是非常顯著的。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。