品质因数与共振频率对无线电能传输的影响

0简介

无线电传播的概念首先是由尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出的，并进行了实验研究[1]。与传统的有线电源技术[2]相比，无线电能量传输可以在电源和电力负载之间实现完全的电气隔离，避免安全危害（例如接触式放电）开元棋官方正版下载，并具有无与伦比的优势，例如安全性，可靠性和灵活性[3]。经过多年的研究和开发，无线电能源得出了辐射传递模式，例如微波，无线电波，激光和超声波，以及两种非放射传播模式[4]，它们具有自己的优势和缺点[5-6]。

电磁诱导是过去二十年来无线电传输技术发展的主要形式。目前，市场上推出了电动牙刷和电动剃须刀之类的商业产品。尽管感应无线电传输的效率通常很高，达到80％甚至90％，但其传输距离非常短，因此无法满足最广泛的应用需求；在这种情况下，Marin Soljacic教授的MIT团队提出了使用磁共振耦合来增加传输距离的想法，并已将无线能量传输从2 m，60 W到5 m和800 W [7]，从而在磁共振上耦合无线电能传播技术中的研究繁荣。与电磁感应传输模式相比，该模式的有效能量传输距离得到显着改善，并且已进入中距离距离的传输范围，其应用范围将更宽。但是，它的传输效率和功率显着下降，其效率只能达到约40％kaiyun全站app登录入口，并且随着传输距离的增加而急剧下降。因此，如何有效提高传输功率和效率是当前磁谐振耦合无线电传输技术的瓶颈。对这项技术的研究仍处于国内和国际上的起步阶段。理论模型，例如耦合模式理论[8-9]和电路理论[10]，依次指出的是，确保谐振系统在谐振频率点附近起作用是系统传输高效率能量的基本条件。在此基础上kaiyun全站网页版登录，它可以提高质量因素，以提高系统传输效率。

本文使用电路理论和仿真技术来分析提高共振能量传递效率的方法，并通过实验，通过两种改善系统质量因子的两种不同方法之间的能量传输效率，功率和传播距离之间的影响对于线圈参数的合理设计和驾驶电路至关重要。最后，对频率响应和频率拆分的仿真分析揭示了系统在谐振频率点工作的重要性。

1理论分析

谐振耦合无线电能传递通过具有相同谐振频率的两个线圈的谐振实现了电力的传播。工作过程是：传输电路会生成高频信号以提供传输线圈，并且线圈中的交替电流在谐振体周围产生高频交替的磁场（线圈加外科电容器）。当接收线圈的谐振频率和传输线圈保持一致时，接收线圈和传输线圈共振，并且能量传递在线圈之间开始；负载电路将接收线圈中的能量转换为适合负载操作的电压。共振系统可以分为串联共振模式和平行共振模式，该模式与电磁感应耦合相同。谐振耦合可以根据电容器访问方法分为四种类型[11]。本文使用SS类型作为分析的示例。图1是相应的等效电路图。其中，R1，R2，C1和C2都是高频时线圈的寄生参数，L1和L2是线圈的电感，RS是驱动电路的等效电阻，RL是负载的电阻值。

当两个线圈引起共鸣时，共振角频率？棕色=（L1C1）-1/2 =（L2C2）-1/2。 KVL方程的接收器端的功率和效率来自[12-13]：

发射器和接收器之间的耦合系数为：K = M（L1L2）-1/2，电路质量因子为：Q1 = WL1（RS+R1）-1，Q2 = WL2（R2+RL）-1。

m是两个线圈之间的相互电感[14]。当两端的线圈是密度缠绕的空心线圈时，两端的相互电感公式可用于计算系统两端的相互电感：

其中，真空渗透率N1和N2是收发器线圈，R1和R2的转弯数是收发器线圈的半径，D是两个线圈之间的距离。

计算DPL/DK = 0并获得[15]：

也就是说，当K = KO时，系统到达耦合临界点，目前的输出功率是系统的最大值。其中，从公式k = m（l1l2）-1/2中，可以看出，k与d3成反比，即ko值越小，相同输出功率下的传输距离越长。从公式KO来看，可以看出，增加系统的Q值可以在最大功率点上降低耦合系数，即增加最大功率出现点的距离，并在相同距离处提高输出功率，从而提高系统的传输效率。

2模拟和实验

使用电路软件绘制等效电路图，如图1所示并进行模拟。根据表1，通过增加谐振频率或更改线圈参数来获得不同Q值对输出功率的影响的图。

适当配置了参数，以确保当更改系统谐振频率时电路参数保持不变，并且当更改线圈参数时，系统频率保持不变，从而向发射器线圈提供20 V电压调节的电源。在增加系统共振频率并增加线直径后，测量接收端处的输出电压，并计算相应的输出功率并绘制图2（b）的图。系统参数如表1所示，并且通过不同方法提高的Q值的特定值在表2中显示。

图2显示了通过增加谐振频率并通过增加线圈直径对输出功率增加线圈Q值来增加电路Q值的效果。从图2（a）中的初始系统曲线中可以看出，初始系统的最大输出功率为3.2 W，最大输出功率点为3.53 cm；通过增加运行频率来增加电路的Q值，发现系统的最大输出功率点被移至4.1 cm，但最大输出功率下降到2.5 w，这与频率增加引起的线圈的等效阻抗的增加有关；更改绕线线圈的电线直径以增加线圈的Q值。从电线直径曲线的增加来看，可以看出，最大输出功率增加到3.46 W，但最大发电点移至剩余3.1厘米。

从图2（a）中，也可以看出，与Q值不同的三个电路的最大输出功率相对应的距离分别为3.5 cm，4.1 cm和3.1 cm。从此计算的KO值分别为0.24、0.09和0.337，这与公式（3）的计算一致。

从图2（b）可以看出，与三个不同Q值相对应的输出功率曲线基本上与仿真曲线一致，但是输出功率小于图3（a）中的整体。分析原因是在特定的实验测试中存在接触电阻，并且在模拟中未考虑这些不可控制的因素。同时，在特定的实验中，线圈是手动缠绕的，因此在传输端和接收端的线圈电感之间存在一些不可忽略的偏差。此外，线圈的电感和无负载Q值是测量值，它将具有某些误差。这就是为什么实验不如理想模拟的原因。

从公式（2）中的效率与K之间的关系，可以看出效率是耦合系数k的降低功能[13]，也就是说，随着k的降低，效率降低。 K与距离D3成反比，因此系统效率随距离的增加而降低。该理论结果已在模拟中得到了验证。如图3（a）所示，在不同系统质量因素下影响系统效率的模拟曲线，图3（b）是相应的实验曲线。从图3（a）中的仿真曲线中可以看出，改善谐振频率的系统的效率已得到改善，而通过改善线圈参数提高了系统Q值的输出效率。图3（b）基本上符合3 cm的仿真规则，但是当发射机和接收端之间的距离小于3 cm时，系统频率会降低，这与模拟不一致。双方相互反射抗性的增加是主要原因。

谐振耦合无线电能传输基于发射器和接收器处线圈的一致共振频率，以产生共振以实现能量传输。确保高效率传输的关键点是使系统在共振频率点[5]。本文在模拟和实验中还验证了这一点，如图4所示。图4中的仿真曲线是仿真频率响应曲线。从图来看，我们可以看到系统的共振频率点为668 kHz，谐振频率点的输出功率为3.2 w;实验中的共振频率点为648 kHz，最大输出功率为2.1 W；仿真和实验之间的谐振频率点之间的差异是因为在实际工作电路中，设备在电源后运行过程中产生的热量会导致设备值漂移。同时，密度伤口的线圈通常忽略线圈本身的分布电容，但实际上它仍然对电路谐振频率产生一定的影响。图4表明，该系统的能量传递基于共振而不是传统的电磁诱导。

文献[9]提到，当k> ko（即，当耦合系数较大到一定值时）时，接收端的载荷电压的频率响应特性将出现两个峰值点，并且在原始的固有频率点处将出现一个山谷。同时，当Q1≠Q2时，只有在满足K/KO≥[1/2（Q1/Q2+Q2/Q1）] 1/2时，才会发生频率分解。如图5所示，在k = 0.42中的频率拆分的耦合系数值和峰高下降。在模拟中也观察到频率拆分现象，而频率分离的峰值和山谷降低（该系统中的q1≠q2），这验证了文献的理论分析。当两端质量因子之间的差异更大时，发生频率分裂后峰值下降幅度会增加。

在实际的实验设置中，左侧是一个基本线圈，半径为3.5 cm，由多个搪瓷线制成，右侧是高Q值线圈缠绕，带有大直径的搪瓷线。

基于上述分析，尽管系统传输效率随着耦合系数K的增加而单调增加，但传输功率具有最大值。因此，不是k越大，越好。当k大于一定值时，会发生频率分割，从而导致系统失呼并导致传输功率迅速降低。此外，通过增加频率，您可以获得更高的效率并增加最大功率点的传输距离，但是最大输出功率降低，这与频率的增加有关，以增加系统的高频等效电阻；更改线圈参数以增加系统的Q值具有更好的最大输出功率，但效率降低了。这是因为本文使用了增加电线直径以增加线圈Q值的方法。在相同的频率下，线圈的等效电阻小于原始电阻，即，公式中的R1和R2的值会降低，从而增加了系统的输出功率。应在实际设计中考虑到这一点，根据实际需求权衡输出功率和效率之间的关系，优化参数，并确保在考虑到传输效率的同时，确保输出功率和传输距离。该系统偏离谐振频率，并导致系统传输能力急剧下降。当系统两端的耦合系数大于一定值时，将发生频率分裂，这将影响系统能量的有效传输。尤其是当两端的质量因子不同时，频率分裂伴随着峰值的下降。通过优化系统参数，可以使系统的临界耦合系数KO大于1，这可以有效防止系统频率拆分的发生，因为系统中耦合系数的最大值在实际工作中不超过1。

3结论

本文介绍了实用应用中谐振耦合无线电传输技术的基本原理和优势。通过增加频率和变化的线圈参数来分析系统输出功率和效率的影响，并讨论了这种影响的原因。由于谐振耦合无线电能量传输技术基于共振，因此模拟和实验表明，确保系统在共振频点运行是实现有效能量传输的关键。同时，在仿真实验中观察到频率分裂，并通过分析提出了一种防止频率分裂的方法。通过上述仿真和实验分析，如何优化参数以实现谐振耦合无线电能力的有效传输具有一定的参考意义。

参考

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