CN210092970U - 基于pt对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电*** - Google Patents

基于pt对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电*** Download PDF

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CN210092970U CN201920960134.6U CN201920960134U CN210092970U CN 210092970 U CN210092970 U CN 210092970U CN 201920960134 U CN201920960134 U CN 201920960134U CN 210092970 U CN210092970 U CN 210092970U
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张波
吴理豪
江彦伟
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Abstract

本实用新型公开了一种基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***，包括发射装置和接收装置；发射装置包括负电阻和n个发射模块，负电阻和n个发射模块并联连接，为***提供能量，每个发射模块均由串联连接的发射线圈、发射端谐振电容和发射线圈等效内阻组成；接收装置包括接收模块和负载，接收模块和负载串联连接，接收模块由串联连接的接收线圈、接收端谐振电容和接收线圈等效内阻组成。本实用新型在宇称‑时间对称区域内，实现了恒定的传输效率和输出功率，且有效降低了***的临界耦合系数，即提高了***的临界传输距离，并提高了***输出功率的能力，对于大功率的应用场合，具有显著优势。

Description

基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***
技术领域
本实用新型涉及无线电能传输或无线输电的技术领域，尤其是指一种基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***。
背景技术
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)，相比于传统的导线供电方式无电气连接，具有灵活便捷、安全可靠等优点。现有无线电能传输技术主要是基于电磁感应和磁共振原理，部分研究成果已应用于电子消费产品、植入式医疗设备、电动汽车充电等领域。但感应式无线电能传输技术传输距离短、效率低，磁共振无线电能传输技术存在频率***、谐振频率高、输出功率小、近距离甚至无法输出功率等问题。两者存在的瓶颈问题尚未解决，极大的限制了无线电能传输技术的实际应用。
1998年华盛顿大学的Bender.C.M教授创立了宇称-时间(PT)对称量子理论，该理论已被成功应用到光学、材料学等多个领域。近年来，研究学者将宇称-时间(PT)对称量子理论应用于无线电能传输领域，展现出了巨大的优势，但传统的基于宇称-时间对称原理的单发射线圈***的临界传输距离未达到最优。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***，在宇称-时间对称区域内，实现了恒定的传输效率和输出功率。相比于基于宇称-时间对称原理的单发射线圈的***，本实用新型有效降低了***的临界耦合系数，即提高了***的临界传输距离，并提高了***输出功率的能力，对于大功率的应用场合，具有显著优势。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***，所述无线供电***包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括负电阻和n个发射模块，所述负电阻和n个发射模块并联连接，为***提供能量，每个发射模块均由串联连接的发射线圈、发射端谐振电容和发射线圈等效内阻组成；所述接收装置包括接收模块和负载，所述接收模块和负载串联连接，所述接收模块由串联连接的接收线圈、接收端谐振电容和接收线圈等效内阻组成。
进一步，所述n个发射模块的发射线圈参数对称且与接收线圈之间的耦合程度相同，同时该n个发射模块的发射线圈相互之间完全解耦，即满足：
其中，
Figure BDA0002106096000000022
和
Figure BDA0002106096000000023
分别表示第i个发射线圈的电感值、等效内阻值以及与接收线圈之间的互感值，i＝1,2,3…n；表示第i个发射线圈和第j个发射线圈之间的互感值，i＝1,2,3…n,j＝1,2,3…n且i≠j，
Figure BDA0002106096000000025
表示第i个发射线圈与接收线圈之间的互感值。
进一步，所述无线供电***稳态运行满足宇称-时间对称条件：
Figure BDA0002106096000000026
其中，
Figure BDA0002106096000000027
表示各个发射线圈回路的固有频率，
Figure BDA0002106096000000028
表示接收线圈回路的固有频率；LP为各个发射线圈的电感值，即
Figure BDA0002106096000000029
LS为接收线圈的电感值；CP为各个发射端谐振电容值，即CS为接收端谐振电容值；Rp为各个发射线圈等效内阻值，即
Figure BDA0002106096000000032
RS为接收线圈等效内阻值；-RN为负电阻阻值，RL为负载电阻值；
Figure BDA0002106096000000033
为各个发射线圈和接收线圈之间的互感系数，MPS为各个发射线圈与接收线圈之间的互感值，即
Figure BDA0002106096000000034
进一步，所述负电阻的电压、电流关系满足：
Figure BDA0002106096000000035
相位关系满足：
Figure BDA0002106096000000036
其中，
Figure BDA0002106096000000037
为流过负电阻的电流，V1为负电阻两端的电压，-RN为负电阻的阻值，且自动可调。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本***结构简单可靠，在负载固定时能实现恒定的传输效率和输出功率。
2、相比传统单发射线圈的基于宇称-时间对称原理的无线供电***，本实用新型***临界耦合系数显著降低，即临界传输距离显著提高。
3、采用多发射线圈并联供电，有效提高了***输出功率的能力，适用于有大功率需求的场合，具有显著优势。
附图说明
图1为基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***等效电路示意图。
图2为实施方式中一种两个对称并完全解耦的发射线圈结构示意图。
图3为实施方式中另外一种两个对称并完全解耦的发射线圈结构示意图。
图4为实施方式中***传输效率与耦合系数的关系曲线。
图5为实施方式中***输出功率与耦合系数的关系曲线。
图6为双发射线圈无线供电***与传统单接收线圈无线充电***在不同负载下的临界耦合系数对比图。
具体实施方式
为进一步阐述本实用新型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行具体说明，但本实用新型的实施和保护不限于此。
如图1所示，本实施例所提供的基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***，包括发射装置和接收装置两部分，所述发射装置包括负电阻-RN和n个发射模块，所述负电阻-RN和n个发射模块并联连接，所述负电阻-RN为***提供能量，每个发射模块均由串联连接的发射线圈
Figure BDA0002106096000000041
发射端谐振电容
Figure BDA0002106096000000042
和发射线圈等效内阻
Figure BDA0002106096000000043
组成；所述接收装置包括接收模块和负载，所述接收模块和负载串联连接，所述接收模块由串联连接的接收线圈LS、接收端谐振电容CS和接收线圈等效内阻RS组成。
进一步，所述n个发射模块的发射线圈参数对称且与接收线圈之间的耦合程度相同，另外n个发射模块的发射线圈相互之间完全解耦，则根据图1，由基尔霍夫定律可得：
Figure BDA0002106096000000044
式(1)中，-RN为负电阻阻值，RL为负载电阻值；
Figure BDA0002106096000000045
和分别表示第i个发射线圈的电感值、等效内阻值以及第i个发射端谐振电容；LS为接收线圈的电感值，CS为接收端谐振电容值，RS为接收线圈等效内阻值；
Figure BDA0002106096000000051
为第i个发射线圈与接收线圈之间的互感值，
Figure BDA0002106096000000052
分别为第i个发射回路和接收回路电流向量，其中i＝1,2,3…n；ω为***的工作频率。
由于n个发射线圈参数完全对称且与接收线圈的耦合程度相同，可知
令LP为各个发射线圈的电感值，CP为各个发射端谐振电容值，RP为各个发射线圈的内阻值，MPS为各个发射线圈与接收线圈的互感值，
Figure BDA0002106096000000054
为各个发射回路的固有频率,
Figure BDA0002106096000000055
为接收回路的固有频率，则式(1)可化简化为：
Figure BDA0002106096000000056
其中，
Figure BDA0002106096000000057
为各个发射线圈和接收线圈之间的互感系数，
Figure BDA00021060960000000511
为等效发射回路电流向量。
式(2)有非零解的条件是：
对式(3)进行实虚部分离可得：
Figure BDA0002106096000000059
当发射回路和等效接收回路构成宇称-时间对称电路时，即
Figure BDA00021060960000000510
则式(4)可简化为：
Figure BDA0002106096000000061
由上式可得频率解为：
Figure BDA0002106096000000062
由式(7)可进一步得到频率存在纯实部解的条件为：
因此***稳态工作时还需满足如下条件:
Figure BDA0002106096000000067
此时，由式(2)和式(5)，可得等效发射回路电流有效值I′P与接收回路电流有效值IS之比为：
Figure BDA0002106096000000064
又根据功率守恒可得：
Figure BDA0002106096000000065
此时***的效率η等于：
Figure BDA0002106096000000066
传输功率Po等于：
Figure BDA0002106096000000071
假设传统基于PT对称原理的单接收线圈供电***与本实用新型提出的基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***的发射线圈电感值和接收线圈电感值之比(LP/LS)相等，则由式(12)可知在采用多发射线圈并联供电的供电***与单发射线圈的供电***，具有相同的传输效率；同时，由式(9)可知，采用多发射线圈并联供电能有效降低***的临界耦合系数，由式(13)可知，采用多发射线圈并联供电能有效提高***的输出功率。
为了进一步说明本实用新型的优点，在本实施例中，作为举例，设计了一个基于宇称-时间对称原理的双发射线圈并联供电的无线供电***。***的电气参数如下：V1＝100V，发射线圈电感
Figure BDA0002106096000000072
接收线圈电感LS＝100μH，固有频率ωP＝ωS＝300kHz，等效内阻
Figure BDA0002106096000000073
负电阻由电力电子电路实现。
可选地，图2为一种两个参数对称且互相解耦的发射线圈结构，采用两个完全对称的DD型线圈垂直叠放的方式实现，此方案中接收线圈也采用相同的结构，仅将两层DD型线圈改为串联连接；可选地，图3为另一种两个参数对称且互相解耦的发射线圈结构，通过将两个完全对称的平面线圈部分重叠实现，优选的，采用两个完全对称的矩形平面线圈，优选地，此方案中接收线圈采用平面矩形线圈，但接发射线圈与收线圈不仅限于上述两种结构。
图4、图5为负载RL＝5Ω时，***传输效率、输出功率与耦合系数的关系曲线，从图中可见本实用新型提出的***在宇称-时间对称区域内，实现了恒定的传输效率和输出功率。图6为双发射线圈无线供电***与传统单接收线圈无线充电***在不同负载下的临界耦合系数，可见本实用新型提出的***能有效降低临界耦合系数，即临界传输距离显著提高，具有实际应用价值，值得推广。
以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，本实用新型及其实施例不应仅限于此，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***，其特征在于：所述无线供电***包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括负电阻和n个发射模块，所述负电阻和n个发射模块并联连接，为***提供能量，每个发射模块均由串联连接的发射线圈、发射端谐振电容和发射线圈等效内阻组成；所述接收装置包括接收模块和负载，所述接收模块和负载串联连接，所述接收模块由串联连接的接收线圈、接收端谐振电容和接收线圈等效内阻组成。
2.根据权利要求1所述的基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***，其特征在于：所述n个发射模块的发射线圈参数对称且与接收线圈之间的耦合程度相同，同时该n个发射模块的发射线圈相互之间完全解耦，即满足：
Figure FDA0002106095990000011
其中，
Figure FDA0002106095990000012
和
Figure FDA0002106095990000013
分别表示第i个发射线圈的电感值、等效内阻值以及与接收线圈之间的互感值，i＝1,2,3…n；
Figure FDA0002106095990000014
表示第i个发射线圈和第j个发射线圈之间的互感值，i＝1,2,3…n,j＝1,2,3…n且i≠j，
Figure FDA0002106095990000015
表示第i个发射线圈与接收线圈之间的互感值。
3.根据权利要求1所述的基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***，其特征在于：所述无线供电***稳态运行满足宇称-时间对称条件：
Figure FDA0002106095990000021
其中，
Figure FDA0002106095990000022
表示各个发射线圈回路的固有频率，
Figure FDA0002106095990000023
表示接收线圈回路的固有频率；LP为各个发射线圈的电感值，即
Figure FDA0002106095990000024
LS为接收线圈的电感值；CP为各个发射端谐振电容值，即
Figure FDA0002106095990000025
CS为接收端谐振电容值；Rp为各个发射线圈等效内阻值，即
Figure FDA0002106095990000026
RS为接收线圈等效内阻值；-RN为负电阻阻值，RL为负载电阻值；
Figure FDA0002106095990000027
为各个发射线圈和接收线圈之间的互感系数，MPS为各个发射线圈与接收线圈之间的互感值，即
Figure FDA0002106095990000028
。
4.根据权利要求1所述的基于PT对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电***，其特征在于：所述负电阻的电压、电流关系满足：
Figure FDA0002106095990000029
相位关系满足：
Figure FDA00021060959900000210
其中，
Figure FDA00021060959900000211
为流过负电阻的电流，V1为负电阻两端的电压，-RN为负电阻的阻值，且自动可调。
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