[发明专利]研究中继线圈位置对磁耦合谐振无线输电效率影响的方法

说明书

本发明公开了一种研究中继线圈位置对磁耦合谐振无线输电效率影响的方法，包含以下步骤：根据具有中继线圈的磁耦合谐振无线输电系统模型图画出系统的等效电路图，列出系统的KVL方程，求出发射线圈、中继线圈、接收线圈内的电流，求得具有中继线圈的磁耦合谐振无线输电系统的传输效率公式，定义中继线圈的位置因子，求得传输效率与位置因子之间的关系公式，进行仿真分析。本发明可以简化中继线圈位置对传输效率影响的分析，根据该方法能够快速计算确定使得传输效率获得最大值的中继线圈的位置。研究中继线圈位置对磁耦合谐振无线电能输电系统效率的影响，对设备位置具有移动性的地方以及底盘高度不一的电动汽车等领域的无线电能传输系统的设计具有指导意义。

技术领域

本发明属于磁耦合谐振式无线输电技术领域，涉及一种研究具有中继线圈的三线圈结构磁耦合谐振式无线输电系统的方法，特别是一种适合研究中继线圈位置对磁耦合谐振无线输电效率影响的方法。

背景技术

随着经济的发展，各类电器设备逐渐进入了人类的生活中，杂乱无章的电线既破坏了优美的环境又具有发生触电事故及火灾的隐患，人们对高效、便捷、安全的供电方式的需求与日俱增。无线输电技术依靠电磁场等空间软介质进行能量传递，避免了电源与用电设备的直接接触，进而解决了接触打火、电力线破损漏电、电线冗杂等问题，同时使电力设备摆脱了电力线的束缚。由于无线输电技术具有灵活性高、安全性好、使用便捷、能够应用于复杂恶劣环境等优点，该技术被逐渐应用于煤矿井下、电动汽车、医疗植入、家用电器等诸多方面。目前，无线输电的方式主要有三种：微波式、电磁感应式以及磁耦合谐振式。微波式无线输电具有传输效率高、传输距离远、定向性好等优点，但是易受天气、地形、障碍物等影响，且电磁辐射较大，多用于外层空间的能量传输。电磁感应式无线输电技术具有传输功率大、传输效率高等优点，但是传输距离在毫米级别，随着距离的增加传输效率会大大下降。磁耦合谐振式无线输电技术具有传输效率高、传输功率大、传输距离远、受障碍物影响小、电磁辐射小等优点，属于中远距离无线输电，因此该技术具有较好的应用前景，并迅速成为了研究热点。

在煤矿井下的应用环境中，由于诸多设备是移动的，位置具有随机变化性，在发射端与接收端之间的距离增大时系统的传输效率快速下降，导致设备无法正常工作，进而影响安全高效的开采，特别是在灾后的搜救过程中，设备的断电将导致搜救无法进行。在煤矿井下由于应用场景的不同、巷道高度不同、旷工身高不同等因素导致磁耦合谐振式无线输电系统的发射线圈安装高度不同。因此，人们希望能够提出一种能够适用于所有巷道高度、旷工身高的无线输电系统。对于两线圈结构磁耦合谐振式无线输电系统而言，随着发射线圈与接收线圈之间距离的增加传输效率会快速下降。为解决这一问题，需要增加线圈间的耦合面积或者增加线圈的耦合能力，但是增加耦合面积需要增加线圈面积，会使设备的体积、重量及成本大大增加，而增加线圈的耦合能力需要为线圈增加磁芯，这样会增加设备的重量及成本，这两种方法都会增加设备的投入成本以及矿井作业人员的负重，设备体积的增加也会使得原本狭小的矿井更加拥挤，因此这两种方法不可行。

随着电动汽车技术的发展，电动汽车的种类及型号也越来越多，无线输电技术也逐渐被应用在了电动汽车的充电方面。但是，为了节约充电场的投入成本，需要同一个充电发射端能够分别为不同的电动汽车充电，而不同的电动汽车的底盘高度不同，导致磁耦合谐振式无线输电系统的传输距离不同，造成底盘高的电动汽车的充电效率降低。

为解决上述问题，诸多学者提出，在发射线圈与接收线圈之间加入一个具有相同谐振频率的线圈，构成具有中继线圈的磁耦合谐振无线输电系统，通过这一方法可以有效的提高系统的传输距离。但是，具有中继线圈的磁耦合谐振无线输电系统的效率在传输距离较近时会大大下降，中继线圈的位置对传输效率具有极大的影响，想要获得获得最优的传输效率，必须针对中继线圈位置对传输效率的影响进行研究。

为此，我们必须找到一种简单且易于理解的研究中继线圈位置对磁耦合谐振无线输电效率影响的方法，且根据该方法能够快速确定中继线圈的最优位置，使得磁耦合谐振无线输电系统获得最大效率。

发明内容