三维无线能量传输系统失谐影响的研究

三维无线能量传输系统在工作时最理想的状态是初次级回路在发生谐振,然而在实际工作时系统初次级线圈回路的固有谐振频率会偏离系统预设的工作频率,导致系统的传输效率降低。通过对三维无线能量传输系统进行数学建模,推导出传输效率表达式。通过理论和实验分析了初次级线圈的失谐对系统传输效率的影响,得出初级线圈回路固有谐振频率的变化对系统的传输效率有着重要的影响。     

微机器人胶囊能量无线传输系统的优化设计

微机器人胶囊能量无线传输系统的传输性能受到谐振频率、耦合系数、线圈匝数、线圈半径、补偿电容、线圈互感等诸多因素影响.为实现系统性能的全局最优,必须在满足微机器人胶囊最低能耗要求的前提下提高系统传输效率,同时兼顾系统稳定性、温升安全性、可靠性、体积参数等因素.文中基于微机器人胶囊能量无线传输系统初级线圈串联补偿-次级线圈串联谐振补偿模型,建立了系统的能效模型,以初、次级线圈匝数与线圈半径、谐振频率等参数作为优化变量,构建了优化问题的目标函数,对微机器人胶囊能量无线传输系统进行综合优化设计.针对该多变量非线性约束优化问题,采用了改进的遗传算法进行优化计算.实验结果表明,所提出的优化设计方法正确有效,所设计的的微机器人胶囊能量无线传输系统样机的能效达86.6 mW,传输效率达8.01%.     

非接触式移动电源技术研究

研究了提高非接触式移动电源系统传输效率的方法.提出了一种可以实现零电压、零电流开关的移相全桥PWM逆变器的电路拓扑结构,这种电路拓扑可以显著提高逆变器的频率,降低开关损耗.对于非接触式移动电源的能量传输装置,提出了一种新型的基于松耦合变压器构成的结构.建立了松耦合变压器的数学模型和参数计算方法,研究了原边线圈处于不同位置的松耦合变压器的传输效率.     

人工肛门括约肌无线供能系统设计与优化

基于电磁耦合原理,针对人造肛门括约肌系统,设计了一套无线供能系统.该系统主要包括无线能量发射端、接收端、整流模块、稳压模块和充电模块.研究了发射端的发射频率(40～120 kHz)对传输功率的影响,进而优化了稳压模块,并比较了锂电池充电效果.结果表明:在一定发射频率范围内,无线供能传输效率随着发射频率的增大而升高;发射频率为120 kHz时,传输效率可以达到57.47%,接收功率为1.12 W;锂电池能快速充电,为人造肛门括约肌系统提供稳定能量保障.     

一种低损耗高耦合片上变压器的设计

采用0.13μm Si Ge Bi CMOS工艺,设计了一种低损耗高耦合的单圈倒装交错层叠结构的片上变压器,这种结构减小了初级线圈与次级线圈间的垂直距离,提高了线圈间的耦合度及线圈的品质因数Q,从而提高了变压器的传输效率。同时对地面层进行了改进,在100 GHz时,耦合因子k从0.81增大到0.95,并探讨了线圈直径d和宽度w对变压器性能的影响。该变压器在89 GHz时Q达到最大值18.5,在30~150 GHz频率范围内耦合因子k为0.65~1,最大可用增益Gmax接近于1,该变压器可应用于毫米波集成电路设计中改善电路性能。     

双轴驱动式人造肛门括约肌系统经皮无线供能

作为植入式医疗设备的一种,双轴驱动式人造肛门括约肌(BAAS)系统的经皮无线供能(TET)系统在植入活体后,受到增生包裹等体内环境的影响,面临耦合性能明显低于体外实验的问题,降低了其在医疗中的实用价值.结合现有BAAS的TET系统实验结果,针对受增生包裹导致的传输角度等问题,对现有TET系统的参数进行分析研究,得出了传输角度与传输效率的关系曲线.实验结果表明,在传输距离为30 mm时,传输效率仍可达到60%以上.在传输距离为30 mm条件下,传输角度为20°时,传输效率的均值可达到66.65%;传输角度为30°时,传输效率的均值可达到59.96%.发射线圈充电温度最大值为23℃,充电温度不会对人体造成低温烫伤的情况,满足BAAS系统性能要求,达到了在传输距离较远时仍可高效率传输能量的目的.     

多负载IPT系统效率分析与控制

针对感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统多负载条件下能量传输效率问题研究频率与效率的关系,并从系统能量流动的角度解释效率特性.为了验证最大传输效率结论的正确性,采用双工作模式切换的电流调节方法和离散准滑模控制策略来维持原边谐振电流(激磁电流)的恒定.基于系统能量平衡函数关系,建立关于激磁电流峰值包络的系统离散变结构模型,构建具有重置积分环节的切换函数来改善系统的稳态响应.实验结果表明,当工作频率偏离副边固有谐振频率时,系统效率最大,合理的积分增益可以使系统具有较好的控制性能,对于负载大范围变化具有较强的鲁棒性,如当负载完全拿开时,控制器经过时长约为5 ms的调节,激磁电流最终稳定在参考值,表现出较好的抗扰动性,且系统效率均保持90％以上.     

微机电系统二维线圈能量接收性能的研究

介绍了空间两线圈互感及铁磁芯线圈自感的计算，以此为基础对微机电系统能量接收线圈二维正交绕组的接收性能进行了研究。分析了改变次级线圈位置和夹角，以及有铁磁芯和无铁磁芯情况对系统耦合系数的影响。通过仿真和实验验证了理论分析的结论：二维次级线圈在不同的姿态下均可以得到较好的互补效果，防止传输效率过低。结果还表明：铁磁芯可显著增强系统的耦合性能。然后，根据系统微型化的要求选用合适的电子元器件，对后续整流电路进行了设计，研制了微型整流电路。利用自行设计微机电系统进行的实验表明：本文设计的二维无线能量传输系统的效率及稳定性可以满足实际需求。     

新型无接触电能传输系统多负载解耦控制研究

利用无接触感应耦合电能传输系统互感数学模型,研究了多负载时系统的功率传输问题.提出了一种解耦控制策略,在能量拾取侧中增加一个Boost电路.在负载轻载时,以较低开关频率控制Boost电路中功率开关管的通断.当功率开关管关断时,系统向负载传输功率;当功率开关管导通时,系统屏蔽副边负载,实现原边线圈与副边线圈的解耦控制.针对系统有无Boost电路分别进行了PSpice仿真分析.理论分析与仿真结果表明,该控制方法能在多负载系统的单一负载轻载时实现副边线圈与原边线圈的电磁解耦,为多负载无接触感应耦合电能传输系统的稳定运行提供保障.     

基于E类放大器的新型无线电能传输控制策略

E类放大器是磁共振无线电能传输(wireless power transmission,WPT)系统中常用的高频电源,其开关效率是评价WPT系统整体性能的关键指标.针对E类放大器中开关器件的效率和电压应力与负载的紧耦合关系导致其输出效率的不稳定,根据锂离子电池的充电特性和E类放大器的输出效率特性,选用合理的谐振补偿网络结构,提出了一种通过电容和电感阵列实现E类放大器零电压开关状态的主动控制策略.结果表明:在20 cm气隙条件下实现了功率输出为1.1 kW、逆变部分效率高于95％以上的WPT系统实验,大大提高了采用E类放大器的WPT系统的稳定性,验证了所提出控制策略的有效性.     

电梯轿厢无随行电缆非接触供电系统设计

电梯轿厢随行电缆有碍美观且需要定期维护,为了摆脱对随行电缆的依赖,设计了一种新颖的电梯轿厢无随行电缆非接触供电系统,采用高频松耦合变压器实现电能的非接触传输.电梯轿厢升降运动时利用蓄电池的储能供电,非接触供电系统处于关闭状态;在每个楼层平层静止时,系统收到电梯平层信号,系统启动供电并对蓄电池充电.这种供电方式可以提高供电效率,减少高频电磁污染.分析了松耦合变压器的等效电路模型,研究了工作气隙、工作频率、补偿电容等对供电效率的影响.根据系统要求设计了简单高效的大功率开关电源充电器,稳压效果好,可靠性高.     

混凝土介质中无线电能传输系统的效率分析及优化

运用无线电能传输技术将室外能量收集系统的能量无线传输到室内能量消耗系统可以减少对建筑物结构的破坏,能够实现绿色建筑与光伏发电技术的有机融合。但是,作为电介质的混凝土材料会对发射线圈与接收线圈间的互感产生影响,使得输入阻抗发生改变并最终导致系统传输效率的下降。以电路理论为基础,分析了混凝土介质对无线电能传输系统传输效率的影响,并且提出了基于阻抗匹配网络实现系统最优传输效率的优化策略。仿真结果表明,随着轴向距离的增加,混凝土介质对无线电能传输系统传输效率的抑制作用逐渐减小,同时由于阻抗匹配网络的加入,系统的传输性能得到明显的改善。最后通过实验验证理论的正确性,实现了针对混凝土介质中无线电能传输系统效率的优化,减少了理论研究与工程应用之间的差距。     

基于联合仿真法边缘气隙效应的绕组优化设计

优化高频变压器的线圈结构能够减小边缘气隙效应,降低由于边缘气隙效应所引起的线圈涡流损耗和发热.采用场-路联合仿真方法,通过气隙回避设计出了高频变压器的三种新型绕组结构,并与传统变压器结构作对比分析,解决了传统设计方法难以通过优化线圈结构以减少高频变压器线损的问题.     

基于风光互补发电无线电能传输系统的研究与设计*

风光互补发电系统作为一种绿色能源可独立对外部供电,无线电能传输(Wireless Power Transfer)技术又提供了一种方便快捷的能量传输方式,本文结合两者的优点,将风光互补发电系统的输出作为WPT谐振电路的输入端,利用无线电能传输技术对负载供电,利用了绿色能源的同时又能节约电力运输成本。分析了磁耦合感应与磁耦合谐振之间的联系以及平面线圈频率分裂的相关因素,针对目前小型平面谐振无线充电设备随发射端和接收端距离的变化而产生传输波动的问题,在发射端采用XKT-408集成电路进行自动频率锁定,在发生频率分裂时调整线圈偏移角度可削弱两线圈的互感系数来抑制频率分裂现象,提高了接收线圈峰值电压。最后搭建了小光互补无线能量传输系统,在径向距离50mm处可成功对负载充电,该模型为基于风光互补发电无线充电系统的应用提供了参考。     

无线电能传输系统实本征态与零相角点分析

磁耦合无线电能传输(Magnetic coupling wireless power transfer, MC-WPT)系统的能效受原副边线圈距离的影响较大。在过耦合状态下,由于发生了频率分裂,会导致系统的能效随着传输距离的减小而下降。通过本征模态理论求取系统的实本征态工作条件使系统在过耦合区保证在零相角点处以最大能效工作。并从零相角点的角度出发对比该工作模式和实本征态模式的相似之处。从而实现了利用频率跟踪使系统在过耦合区保持恒功率和恒效率输出。最后,进行了仿真验证,证实了本文计算结果的正确性。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统中锥形谐振线圈结构优化

在磁耦合谐振式无线电能传输系统中,谐振线圈结构是影响电能传输效率的关键因素.针对锥形谐振线圈结构,基于电路理论,推导了电能传输效率与电路参数的关系表达式;采用数值计算方法,对比研究了锥形谐振线圈与螺旋谐振线圈的电能传输效率.结果表明,轴向间距在一定范围内,锥形谐振线圈电能传输效率更高;进一步研究了锥形谐振线圈结构参数与电能传输效率的关系,提出谐振线圈结构优化方案;实验结果证明,与螺旋谐振线圈比较,锥形谐振线圈的电能传输效率更高.     

S-LCC型无线电能传输系统补偿网络分析

为分析S-LCC型拓扑结构的无线电能传输系统中补偿网络参数对于传输特性的影响,首先利用双线圈等效电路模型建立回路电路方程并推导出系统输出功率表达式,其次在不同参数条件下讨论系统的恒流恒压特性,确定以最优输出功率为目标的补偿网络参数之间的相互关系,分析负载电阻与谐振电感以及寄生电阻对于系统输出功率的影响,并搭建双线圈WPT实物系统。研究结果表明：可精准确定以最优输出功率为目标的原副边侧谐振电容关系;系统的输出功率随负载电阻的增加而表现出先增加后减少或者先增加后减少再增加又减少的趋势;最佳负载电阻随着谐振电容的减少而先减少后增加,随着谐振电感的减少而先减少后增加,随着寄生电阻的增加而增加。     

电动汽车用无线充电系统的线圈特性研究

针对电动汽车无线充电线圈的相关特性,提出了耦合谐振电路结合 Maxwell 软件建模的方法对 其进行分析;电动汽车用无线充电系统的互感线圈是实现无线充电的重要模块,对其进行特性研究有助于实 际生产中线圈的设计和优化。 为此,首先分析电动汽车用无线充电技术,并建立耦合谐振电路的等效模型进 行公式推导,进而通过 Matlab 仿真研究线圈互感系数对系统输出功率和传输效率的影响。 然后在 Maxwell 软件中搭建互感线圈的仿真模型,依次改变线圈的匝数、水平偏移程度和垂直距离进行仿真实验分析;仿真 得到线圈在不同互感系数下系统输出功率和传输效率线圈的变化情况和磁感应强度分布图、耦合系数变化 折线图。 根据仿真结果对线圈特性进行分析,最后得出随着互感系数的增加系统输出功率先增后减,传输效 率不断增加。 以及在线圈匝数减小线圈水平偏移程度以及垂直距离不断变大的情况下,线圈的耦合系数不 断降低,且降低幅度变大的线圈特性。