一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，包括恒定频率交流电源US、原边谐振器、副边谐振器和负载；原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边可调电容，原边电感线圈具有原边线圈内阻，原边电容的容值可通过控制进行调节；副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边可调电容，副边电感线圈具有副边线圈内阻，副边可调电容的容值可通过控制进行调节。本实用新型专利技术利用恒定频率交流电源US对系统进行供电，通过调节原、副边谐振器的可调电容的容值，对系统的本征角频率进行控制，使其追踪交流电源的工作角频率，实现稳定、高效的无线电能传输。

An intrinsic angular frequency controlled magnetic resonance SS type radio energy transmission system

The utility model discloses an intrinsic angle frequency controlled magnetic resonance SS type radio power transmission system, which comprises a constant frequency alternating current power supply US, a primary side resonator, a secondary side resonator and a load; the primary side resonator comprises a series connected primary side transmitting coil and an adjustable primary side capacitor, and the primary side inductance coil has an internal resistance of the primary side coil. The capacitance of the side capacitor can be adjusted by control; the secondary side resonator includes the secondary side receiving coil connected in series and the secondary side adjustable capacitance; the secondary side inductance coil has the internal resistance of the secondary side coil, and the capacitance of the secondary side adjustable capacitor can be adjusted by control. The utility model uses the constant frequency AC power supply US to supply power to the system, and controls the intrinsic angle frequency of the system by adjusting the capacitance of the primary and secondary resonators, so as to track the working angle frequency of the AC power supply and realize stable and efficient radio power transmission.

【技术实现步骤摘要】
一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统
本技术涉及无线电能传输的
，尤其是指一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统。
技术介绍
无线电能传输技术可以实现电源与用电设备之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活的优点。早在19世纪末，尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了一盏灯泡。基于磁耦合谐振式的无线电能传输是MIT的学者在无线电能传输领域取得的突破性进展，自2007年被公开发表以来在无线电能传输领域引起了非常大的反响，越来越多的学者加入到无线电能传输技术的基础研究和应用开发中来。目前的无线电能传输系统根据耦合的强弱可以分为两类。系统耦合的强弱由传输距离决定。当原边谐振器和副边谐振器间的距离较近时，系统将会进入强耦合状态；反之将处于弱耦合状态。在弱耦合工作条件下，系统的输出功率在系统工作频率等于原、副边固有频率处取得最大值。而在强耦合工作条件下，系统会出现无线电能传输系统特有的频率分裂现象，即系统的输出功率峰值分裂成两个点，分别位于原、副边固有频率的两侧。频率分裂的本质即系统的本征频率由两个共轭复根变为两个不同的实根。为了保证系统的输出功率，许多解决方案被提出。目前已有的解决方案主要有三种类型：MPPT，追踪原边电压、电流零相位点，追踪原边电压和副边电流零相位点。而以上三种类型都是对系统的工作频率进行改变。然而在很多的实际应用中，需要系统的工作频率符合相关标准。工作频率被限制在一定的频带内。因此变频控制的适用性偏低。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于可调电容实现的本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，是通过控制系统双侧的可调电容对系统的本征角频率进行调节，使得本征角频率追踪恒定的电源角频率，该系统可以解决频率的适应性问题，同时该系统的传输效率和输出功率在强耦合工作状态下保持不变，实现了恒稳的无线电能传输。为实现上述目的，本技术所提供的技术方案为：一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，所述系统由恒定频率交流电源US、原边谐振器、副边谐振器和负载组成；所述恒定频率交流电源US与原边谐振器相连，其工作频率fS及工作角频率ωs＝2πfS保持不变；所述原边谐振器由原边可调电容Cs1和原边电感线圈L1串联而成，所述原边电感线圈L1具有原边线圈内阻RS1，所述原边谐振器具有固有谐振角频率和原边内阻损耗系数γ1＝RS1/2L1；所述副边谐振器由副边可调电容Cs2和副边电感线圈L2串联而成，所述副边电感线圈L2具有副边线圈内阻RS2，所述副边谐振器具有固有谐振角频率和副边内阻损耗系数γ2＝RS2/2L2；所述负载RL与副边谐振器相连，对应于负载损耗系数γL＝RL/2L2；所述原边谐振器和副边谐振器通过磁场相互耦合，耦合的强度由互感M或耦合系数表征；所述原边可调电容和副边可调电容的容值由外部信号进行控制，从而调节原边谐振器的固有角频率ω1和副边谐振器的固有角频率ω2，使所述系统的本征角频率ωe与恒定频率交流电源的工作角频率ωs保持相同。所述系统的本征角频率ωe由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、耦合系数、原边谐振器的固有角频率和副边谐振器的固有角频率确定；所述系统的交流电源角频率与本征角频率相同时，所述系统的交流电源输出电压基波有效值US和交流电源输出电流基波有效值IS满足关系：所述系统的电源输出电压基波相量和交流电源输出电流基波相量的相位差满足关系：其中为系统的电源输出电压基波相量的相角值，为系统的电源输出电流基波相量的相角值。所述原边可调电容Cs1的电压基波有效值UC1和电流基波有效值有效值IC1满足关系：IC1＝ωSCs1UC1；所述原边可调电容电压基波相量和电流基波相量之间的相位差满足关系：其中为系统的原边可调电容电压基波相量的相角值，为系统的原边可调电容电流基波相量的相角值；所述副边可调电容Cs2的电压基波有效值UC2和电流基波有效值IC2满足关系：IC2＝ωSCs2UC2；所述副边可调电容电压基波相量和电流基波相量之间的相位差满足关系：其中为系统的副边可调电容电压基波相量的相角值，为系统的副边可调电容电流基波相量的相角值。所述原边谐振器的品质因数Q1＝ω1/2γ1至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q2＝ω2/2γ2至少大于100。本技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、系统结构简单，实现方式多样。2、系统工作频率不发生改变，滤波器设计更为简单，对具有频带限制的应用具有更强的适应性。3、系统的传输效率和传输功率对传输距离的变化不敏感，可实现稳定的无线电能传输。附图说明图1为实施方式中提供的系统电路。图2为可调电容容值与互感关系图。图3为可调电容容值与负载关系图。图4为实施方式中原边谐振器电流与副边谐振器电流的波形图。图5为实施方式中原边谐振器电压与副边谐振器电压的波形图。图6为实施方案中传输效率和传输距离的关系图。图7为实施方案中输出功率和传输距离的关系图。具体实施方式下面结合具体实施例对本技术作进一步说明。如图1所示，本实施例所提供的本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，由恒定频率交流电源US、原边谐振器、副边谐振器和负载组成；所述恒定频率交流电源US与原边谐振器相连，其工作频率fS及工作角频率ωs＝2πfS保持不变；所述原边谐振器由原边可调电容Cs1和原边电感线圈L1串联而成，所述原边电感线圈L1具有原边线圈内阻RS1，所述原边谐振器具有固有谐振角频率和原边内阻损耗系数γ1＝RS1/2L1；所述副边谐振器由副边可调电容Cs2和副边电感线圈L2串联而成，所述副边电感线圈L2具有副边线圈内阻RS2，所述副边谐振器具有固有谐振角频率和副边内阻损耗系数γ2＝RS2/2L2；所述负载RL与副边谐振器相连，对应于负载损耗系数γL＝RL/2L2；所述原边谐振器和副边谐振器通过磁场相互耦合，耦合的强度由互感M或耦合系数表征；所述原边可调电容和副边可调电容的容值由外部信号进行控制，从而调节原边谐振器的固有角频率ω1和副边谐振器的固有角频率ω2，使所述系统的本征角频率ωe与恒定频率交流电源的工作角频率ωs保持相同。所述原边谐振器的品质因数Q1＝ω1/2γ1至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q2＝ω2/2γ2至少大于100。为了分析方便，令原边谐振器、副边谐振器线圈电感和内阻分别相等，即Rs1＝Rs2＝R0，L1＝L2＝L0。首先假设电源的角频率可变，表示为ω，那么系统的耦合模方程为：式中，为原、副边谐振器的内阻损耗系数，为负载损耗系数，为发射电路与接收电路之间的耦合系数，F为与激励源的幅值相关的一个正常数，其值的大小对分析结果没有影响。模式a1、a2可以的定义如下其中i1、i2分别为原边电感和副边电感的电流，u1、u2分别为原边可调电容和副边电容的基波电压，I1m、I2m分别为原边电感和副边电感的电流幅值。因此模式与功率之间的关系为Px＝2γx|ax|2(4)其中，Px为电阻Rx上产生的功率，γx为电阻Rx对应的损耗系数，|ax|2为电阻对应边模式的模平方。令电源的频率与模式a1和a2相等，那么a1和激励源Fejωt之间的关系可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，其特征在于：所述系统由恒定频率交流电源US、原边谐振器、副边谐振器和负载组成；所述恒定频率交流电源US与原边谐振器相连，其工作频率fS及工作角频率ωs＝2πfS保持不变；所述原边谐振器由原边可调电容Cs1和原边电感线圈L1串联而成，所述原边电感线圈L1具有原边线圈内阻RS1，所述原边谐振器具有固有谐振角频率

【技术特征摘要】
1.一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，其特征在于：所述系统由恒定频率交流电源US、原边谐振器、副边谐振器和负载组成；所述恒定频率交流电源US与原边谐振器相连，其工作频率fS及工作角频率ωs＝2πfS保持不变；所述原边谐振器由原边可调电容Cs1和原边电感线圈L1串联而成，所述原边电感线圈L1具有原边线圈内阻RS1，所述原边谐振器具有固有谐振角频率和原边内阻损耗系数γ1＝RS1/2L1；所述副边谐振器由副边可调电容Cs2和副边电感线圈L2串联而成，所述副边电感线圈L2具有副边线圈内阻RS2，所述副边谐振器具有固有谐振角频率和副边内阻损耗系数γ2＝RS2/2L2；所述负载RL与副边谐振器相连，对应于负载损耗系数γL＝RL/2L2；所述原边谐振器和副边谐振器通过磁场相互耦合，耦合的强度由互感M或耦合系数表征；所述原边可调电容和副边可调电容的容值由外部信号进行控制，从而调节原边谐振器的固有角频率ω1和副边谐振器的固有角频率ω2，使所述系统的本征角频率ωe与恒定频率交流电源的工作角频率ωs保持相同。2.根据权利要求1所述的一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，其特征在于：所述系统的本征角频率ωe由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、耦合系数、原边谐振器的固有角频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，韩冲，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44