[发明专利]等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法

说明书

本发明公开了等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法，针对具有相同半径的收发线圈的磁耦合共振式无线充电系统在近距离传输时，收发线圈间的互感随距离的减小而急剧增加，导致系统处于过耦合状态，产生频率分裂，致使系统在谐振频率处的传输效率变低的现象，在发射端并联一个反向线圈即流经电流方向与原发射线圈方向相反，减弱近距离传输时发射端与接收端线圈间互感，削弱了过耦合程度，抑制频率分裂，提高系统在谐振频率处的传输效率。

技术领域

本发明属于无线电能传输设备技术领域，具体涉及一种等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法。

背景技术

电能已作为人们生活中不可或缺的能源，它的主要传输方式是通过电线来实现的，迄今为止，这种输电方式的地位仍然是无可取代的。随着科技的迅速发展，电子产品越来越趋于小型化、便携化，使得传统输电方式的缺陷越来越明显，譬如供电导线占用了较大的空间资源；导线交叉重叠会产生大量的电磁干扰；特殊环境中(如防爆、防火、水下、工矿等领域)，导线连接处的电火花可能会造成重大的安全事故；充电导线的存在使得便携式电子产品(如手机、iPad、MP₃等)移动性变差；充电器、电线、插座标准的不完全统一，给出行带来了诸多麻烦，同时也造成了资源浪费等。事实证明，传统的供电方式已变得越来越不能满足生产和生活的实际需求，现代人对无线输电的需求愈发的迫切。近年来，随着无线电能传输技术的发展，国内外学者对无线电能传输技术的关注和研究越来越多，该技术已成为电气工程领域最活跃的热点研究方向之一。

无线电能传输(Wireless power transmission，WPT)一般指通过电磁场或电磁波实现电能无线传输的技术。这一设想最早由被誉为“交流电之父”、“无线电先驱”的美国发明家尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)在1889年提出，其设想是在地球表面以及距地表60千米以上的电离层两者之间，产生一个接近8赫兹的低频共振，通过地表周围的电磁波实现能量的传输，从而实现全球范围内电能的无线供应，但最终迫于经济原因和政治压力，没能完成试验。此后的一个多世纪，人们没有停止对无线输电技术的研究，先后出现了微波式无线输电和感应式无线输电。

但是，多年以来以这两种技术为基础的无线输电，并没有取得大的进展，这也是无线输电没有得到商业化的主要原因之一。直到2006年11月，麻省理工学院(MIT)的MarinSoljacic教授和相关研究人员利用一种新的技术-磁耦合谐振技术，成功点亮了一只相隔2.1m远处60W的灯泡，实现了电能中距离的无线传输，突破了一直以来制约无线输电技术发展的瓶颈，再次掀起了国内外对无线输电研究的热潮。该技术优势在于系统正常工作时，发射端不会产生辐射的电磁波，而是在其周围形成一个非辐射的交变磁场，使得接收端发生共振，能量在传输过程中几乎不存在损耗，与电磁感应式无线输电技术相比，其电能的消耗理论上减小约一百万倍，另外在远距离输电时，它的磁场强度接近地球磁场强度，所以根本不会对人产生不良影响。

综上可知，磁耦合谐振技术有着无可比拟的优势和极其广阔的应用前景(如在电动汽车、体内植入式医疗设备、水下作业、油田矿井作业等领域)，具有极高的研究价值和应用价值。但该技术发展至今，并没得到广泛应用，其原因主要是受输出功率和传输效率的制约，针对二者的优化研究，目前国内外的多数研究主要集中在典型的WPT系统，其方法主要是通过改变线圈参数(如材料、品质因数、形状等)、高频逆变电路拓扑、增加辅助电路(频率跟踪电路、调谐电路等)等，而关于线圈传输结构对系统性能影响的研究很少。因此，本发明主要是基于磁耦合谐振技术，分析了几种不同线圈结构系统的传输特性、研究了其输出功率和传输效率的优化，进行了试验验证。

发明内容

本发明为实现在系统中不附加额外复杂电路、消耗多余能量的同时，能够有效抑制WPT/MRC中出现的频率分裂，从而提供了一种等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法。