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CN113300493A - 基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统 - Google Patents

基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统 Download PDF

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CN113300493A CN202110604734.0A CN202110604734A CN113300493A CN 113300493 A CN113300493 A CN 113300493A CN 202110604734 A CN202110604734 A CN 202110604734A CN 113300493 A CN113300493 A CN 113300493A
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Abstract

本申请公开了一种基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括高频电源、第一功率检测模块、第一通讯模块、发射线圈、超材料耦合度调整装置、接收线圈、第二功率检测模块、第二通讯模块、负载、效率与功率计算模块以及电机控制与驱动模块。本发明能够依据传输效率和传输功率调节超材料耦合度调整结构的位置，使提供的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统获得最大的传输效率或传输的最大功率。

Description

基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及磁耦合谐振式无线电能传输技术领域，具体涉及基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统。
背景技术
磁耦合谐振式无线电能传输系统通过耦合近场中的倏逝波实现发射线圈与接收线圈之间的能量传输，具有高效、安全、便捷的特点，在国内外受到了广泛的关注。但当传输距离增大时，系统的传输效率会急速下降，极大限制了磁耦合谐振式无线电能传输的实际应用。将电磁超材料置于磁耦合谐振式无线电能传输系统中可有效改善传输线圈之间的磁场分布，减少磁力线的分散，增加传输线圈之间的耦合系数，有效解决其在较远传输距离内无法高效传输的问题。但是应用中电磁超材料在磁耦合谐振式无线电能传输系统中的位置是十分重要的，有时将其置于磁耦合谐振式无线电能传输系统某些位置时，电磁超材料不仅不能提升传输效率还会降低传输效率。一般无线电能传输最大传输效率和传输的最大功率是不同时出现的，不同需求下超材料在无线电能传输系统的位置亦需要分别去研究。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供了一种基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，能够有效克服在较远传输距离内无法高效传输的问题并提供无线电能传输最大传输效率和最大功率两种模式选择。
为实现上述功能，本发明提供以下技术方案。
基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括高频电源、第一功率检测模块、第一通讯模块、发射线圈、超材料耦合度调整装置、接收线圈、第二功率检测模块、第二通讯模块、负载、效率与功率计算模块和电机控制与驱动模块；
所述高频电源的输出端连接第一功率检测模块与发射线圈；
所述第一功率检测模块，分别与高频电源和发射线圈进行连接，对发射端电压与电流的数值进行测量并将其发送给第一通讯模块模块；
所述第一通讯模块，与第一功率检测模块连接，将第一功率检测模块采集的电压电流数据无线传输给效率与功率计算模块；所述发射线圈，分别与高频电源和第一功率检测模块连接；
所述超材料耦合度调整装置，包括超材料耦合度调整结构、滑动轨道、电机，其中，超材料耦合度调整结构与发射线圈同轴布置，对发射线圈辐射的交变磁场进行汇聚，下方设置滑动轨道，电机与滑动轨道相连，控制超材料耦合度调整结构沿滑动轨道左右移动；
所述接收线圈，与超材料耦合度调整结构同轴布置，与发射线圈进行谐振耦合；
所述第二功率检测模块，与接收线圈和负载相连接，对接收端的电压与电流的数值进行测量并将其发送给第二通讯模块；
所述第二通讯模块，与第二功率检测模块连接，将第二功率检测模块采集的电压电流数据无线传输给效率与功率计算模块；
所述效率与功率计算模块和电机控制与驱动模块连接；
所述电机控制与驱动模块，分别与效率与功率计算模块和电机连接，控制电机在初始化时移动至滑动轨道最左侧，调节开始后，控制电机以设定的最小移动距离向右侧移动，模式选择后，接收效率与功率计算模块发送的左移距离，驱动电机左移相应距离。
进一步地，所述超材料耦合度调整结构中的超材料单元结构参数根据线圈参数确定的工作频率设计。
进一步地，所述超材料耦合度调整结构中的超材料单元的组合排列情况根据发射线圈或接收线圈直径进行排列。
进一步地，磁耦合谐振式无线电能传输结构为双线圈结构。
进一步地，发射线圈与接收线圈通过串联谐振电容实现两传输线圈之间的谐振。
进一步地，所述效率与功率计算模块包括通讯单元、效率和功率计算单元和模式选择单元，内置通讯单元接收第一通讯模块和第二通讯模块发送的数据，效率和功率计算单元根据接收的数据对超材料耦合度调整结构位移后各点的发射端功率、接收端功率和传输效率进行计算并存储各点对应移动距离、接收端功率和传输效率，模式选择单元提供最大传输效率或最大功率调节模式选择，模式选择后对比相应效率或功率的各点储存数据，选取最大值及其对应移动距离，计算左移距离并将其发给电机控制与驱动模块。
进一步地，所述效率与功率计算模块和电机控制与驱动模块的控制流程，包括以下步骤：
步骤一：对系统进行初始化，驱动电机带动超材料耦合度调整结构移动至滑动轨道最左侧，靠近发射线圈；
步骤二：设定移动距离x1＝0，n＝0，电机转动后超材料耦合调整结构最小移动距离为Δx，传输距离为x；
步骤三：接收第一通讯模块与第二通讯模块发射的发射端与接收端电压电流数值U1、I1、U2、I2；
步骤四：对该位置处的发射端功率P1，接收端功率P2，传输效率η进行计算，计算公式为P1＝U1I1，P2＝U2I2，η＝P2/P1；步骤五：分别储存移动距离x1，接收端功率P2，传输效率η的数值；
步骤六：判断移动距离之和x1是否小于传输距离x，若是，继续判断传输距离与移动距离之差是否大于Δx，若是则驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向右侧移动Δx，令n＝n+1，移动距离x1＝n×Δx，并返回步骤四；
步骤七：若移动距离之和x1等于传输距离x或传输距离与移动距离之差小于Δx，则进入模式选择状态，可分别选择最大传输效率模式或最大功率模式；
步骤八：选择最大功率模式，比较储存的各位移点的接收端功率P2的大小，选取接收端功率P2的最大值及其对应的移动距离x1，驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向左侧移动(x-x1)，最大功率模式调节结束；
步骤九：选择最大传输效率模式，比较储存的各位移点的传输效率η的大小，选取接传输效率η的最大值及其对应的移动距离x1，驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向左侧移动(x-x1)，最大传输效率模式调节结束。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1.本发明能够依据选择的最大传输效率模式或最大功率模式，使提供的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统能获得最大的传输效率或传输的最大功率。
2.本发明中的超材料单元结构参数按照线圈参数进行设定，并根据发射线圈与接收线圈直径的大小确定单元的组合排列，可获得不同超材料耦合度调整结构下系统的最大传输效率或传输的最大功率，能够有效克服在较远传输距离内无法高效传输的问题。
附图说明
图1为本发明的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统的结构示意图；
图2为本发明的磁导率为-1的瑞士环形超材料单元结构；
图3为本发明的单元结构3×3的单板组合排列；
图4为本发明的效率与功率计算模块和电机控制与驱动模块控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括高频电源1、第一功率检测模块2、第一通讯模块3、发射线圈4、超材料耦合度调整装置5、接收线圈6、第二功率检测模块7、第二通讯模块8、负载9、效率与功率计算模块10和电机控制与驱动模块11。
所述高频电源1，用于产生频率为f0、功率为p的电源信号，输出端连接第一功率检测模块2与发射线圈4；
所述高频电源1可根据所需调节产生的工作频率以及功率；
所述第一功率检测模块2，并联在高频电源1和发射线圈4的连接线上，对发射端电压与电流的数值进行测量并将其发送给第一通讯模块3；
所述第一通讯模块3，与第一功率检测模块2连接，将第一功率检测模块2采集的电压电流数据无线传输给效率与功率计算模块10；
所述发射线圈4，分别与高频电源1和第一功率检测模块2连接，感应产生交变电磁场，超材料耦合度调整结构51将其进行聚焦，通过调节连接的电容器容值产生频率为f0的交变磁场，所述发射线圈6根据电源频率接入调节电容实现线圈谐振；
所述超材料耦合度调整装置5，包括超材料耦合度调整结构51、滑动轨道52、电机53，其中，超材料耦合度调整结构51与发射线圈4同轴布置，对发射线圈4辐射的交变磁场进行汇聚，下方设置滑动轨道52，电机53与滑动轨道52相连，控制超材料耦合度调整结构51沿滑动轨道52左右移动；
超材料耦合度调整结构51的超材料单元根据线圈参数确定的谐振频率f0进行设计；
具体地，如图2所示，设计磁导率μ＝-1的瑞士环结构的超材料单元，使其在频率f0时磁导率为-1；
超材料耦合度调整结构51由超材料单元根据发射线圈4与接收线圈6的直径拓展为所需尺寸；
具体地，将负磁超材料单元采用n×n的排列形式，组合成单板结构，单板结构的直径大于或等于发射线圈4直径，如图3所示为3×3的单板排列组合结构；
滑动轨道长度与发射线圈4和接收线圈6之间的传输距离x一致，超材料耦合度调整结构可从左侧沿滑动轨道移动至右侧；
所述接收线圈6，与超材料耦合度调整结构51同轴布置，与发射线圈4采用相同的结构参数，对超材料耦合度调整结构调整后的电磁场进行耦合，产生交变电流；
所述第二功率检测模块7，与接收线圈6和负载9相连接，对接收端的电压与电流的数值进行测量并将其发送给第二通讯模块8；
所述第二通讯模块8，与第二功率检测模块7连接，将第二功率检测模块7采集的电压电流数据无线传输给效率与功率计算模块10；
所述接收线圈6根据谐振频率接入调节电容实现与发射线圈4的谐振；
所述效率与功率计算模块10，和电机控制与驱动模块11连接，包括通讯单元101、效率和功率计算单元102和模式选择单元103，内置通讯单元101接收第一通讯模块3和第二通讯模块8发送的数据，效率和功率计算单元102根据接收的数据对超材料耦合度调整结构位移后各点的发射端功率、接收端功率和传输效率进行计算并存储各点对应移动距离、接收端功率和传输效率，模式选择单元103提供最大传输效率或最大功率调节模式选择，模式选择后对比相应效率或功率的各点储存数据，选取最大值及其对应移动距离，计算左移距离并将其发给电机控制与驱动模块11；
所述电机控制与驱动模块11，分别与效率与功率计算模块10和电机53连接，控制电机53在初始化时移动至滑动轨道最左侧，调节开始后，控制电机53以设定的最小移动距离向右侧移动，模式选择后，接收效率与功率计算模块10发送的左移距离，驱动电机53左移相应距离。
所述效率与功率计算模块10和电机控制与驱动模块11的控制流程图如图4所示：
步骤一：对系统进行初始化，驱动电机带动超材料耦合度调整结构移动至滑动轨道最左侧，靠近发射线圈；
步骤二：设定移动距离x1＝0，n＝0，电机转动后超材料耦合调整结构最小移动距离为Δx，传输距离为x；
步骤三：接收第一通讯模块与第二通讯模块发射的发射端与接收端电压电流数值U1、I1、U2、I2；
步骤四：对该位置处的发射端功率P1，接收端功率P2，传输效率η进行计算，计算公式为P1＝U1I1，P2＝U2I2，η＝P2/P1；
步骤五：分别储存移动距离x1，接收端功率P2，传输效率η的数值；
步骤六：判断移动距离之和x1是否小于传输距离x，若是，继续判断传输距离与移动距离之差是否大于Δx，若是则驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向右侧移动Δx，令n＝n+1，移动距离x1＝n×Δx，并返回步骤四；
步骤七：若移动距离之和x1等于传输距离x或传输距离与移动距离之差小于Δx，则进入模式选择状态，可分别选择最大传输效率模式或最大功率模式；
步骤八：选择最大功率模式，比较储存的各位移点的接收端功率P2的大小，选取接收端功率P2的最大值及其对应的移动距离x1，驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向左侧移动(x-x1)，最大功率模式调节结束；
步骤九：选择最大传输效率模式，比较储存的各位移点的传输效率η的大小，选取接传输效率η的最大值及其对应的移动距离x1，驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向左侧移动(x-x1)，最大传输效率模式调节结束。
本发明能够依据选择的最大传输效率模式或最大功率模式，使提供的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统能获得最大的传输效率或传输的最大功率。
本发明中的超材料单元结构参数按照线圈参数进行设定，并根据发射线圈与接收线圈直径的大小确定单元的组合排列，可获得不同超材料耦合度调整结构下系统的最大传输效率或传输的最大功率，能够有效克服在较远传输距离内无法高效传输的问题。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (7)

1.基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，包括高频电源(1)、第一功率检测模块(2)、第一通讯模块(3)、发射线圈(4)、超材料耦合度调整装置(5)、接收线圈(6)、第二功率检测模块(7)、第二通讯模块(8)、负载(9)、效率与功率计算模块(10)和电机控制与驱动模块(11)；
所述高频电源(1)的输出端连接第一功率检测模块(2)与发射线圈(4)；
所述第一功率检测模块(2)，分别与高频电源(1)和发射线圈(4)进行连接，对发射端电压与电流的数值进行测量并将其发送给第一通讯模块(3)；
所述第一通讯模块(3)，与第一功率检测模块(2)连接，将第一功率检测模块(2)采集的电压电流数据无线传输给效率与功率计算模块(10)；
所述发射线圈(4)，分别与高频电源(1)和第一功率检测模块(2)连接；
所述超材料耦合度调整装置(5)，包括超材料耦合度调整结构(51)、滑动轨道(52)、电机(53)，其中，超材料耦合度调整结构(51)与发射线圈(4)同轴布置，对发射线圈(4)辐射的交变磁场进行汇聚，下方设置滑动轨道(52)，电机(53)与滑动轨道(52)相连，控制超材料耦合度调整结构(51)沿滑动轨道(52)左右移动；
所述接收线圈(6)，与超材料耦合度调整结构(51)同轴布置，与发射线圈(4)进行谐振耦合；
所述第二功率检测模块(7)，与接收线圈(6)和负载(9)相连接，对接收端的电压、电流数值进行测量并将其发送给第二通讯模块(8)；
所述第二通讯模块(8)，与第二功率检测模块(7)连接，将第二功率检测模块(7)采集的电压电流数据无线传输给效率与功率计算模块(10)；所述效率与功率计算模块(10)，和电机控制与驱动模块(11)连接；
所述电机控制与驱动模块(11)，分别与效率与功率计算模块(10)和电机(53)连接，控制电机(53)在初始化时移动至滑动轨道最左侧，调节开始后，控制电机(53)以设定的最小移动距离向右侧移动，模式选择后，接收效率与功率计算模块(10)发送的左移距离，驱动电机(53)左移相应距离。
2.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述超材料耦合度调整结构中的超材料单元结构参数根据线圈参数确定的工作频率设计。
3.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述超材料耦合度调整结构中的超材料单元的组合排列情况根据发射线圈或接收线圈直径进行排列。
4.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，磁耦合谐振式无线电能传输结构为双线圈结构。
5.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，发射线圈(4)与接收线圈(6)通过串联谐振电容实现两传输线圈之间的谐振。
6.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述效率与功率计算模块(10)包括通讯单元(101)、效率和功率计算单元(102)和模式选择单元(103)，内置通讯单元(101)接收第一通讯模块(3)和第二通讯模块(8)发送的数据，效率和功率计算单元(102)根据接收的数据对超材料耦合度调整结构(51)位移后各点的发射端功率、接收端功率和传输效率进行计算并存储各点对应移动距离、接收端功率和传输效率，模式选择单元(103)提供最大传输效率或最大功率调节模式选择，模式选择后对比相应效率或功率的各点储存数据，选取最大值及其对应移动距离，计算左移距离并将其发给电机控制与驱动模块(11)。
7.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述效率与功率计算模块(10)和电机控制与驱动模块(11)的控制流程，包括以下步骤：
(1)对系统进行初始化，驱动电机(53)带动超材料耦合度调整结构(51)移动至滑动轨道(52)最左侧，靠近发射线圈；
(2)设定移动距离x1＝0，n＝0，电机转动后超材料耦合调整结构最小移动距离为Δx，传输距离为x；
(3)接收第一通讯模块(3)与第二通讯模块(8)发送的发射端与接收端的电压电流数值U1、I1、U2、I2；
(4)对该位置处的发射端功率P1，接收端功率P2，传输效率η进行计算，计算公式为P1＝U1I1，P2＝U2I2，η＝P2/P1；
(5)分别储存移动距离x1，接收端功率P2，传输效率η的数值；
(6)判断移动距离之和x1是否小于传输距离x，若是，继续判断传输距离与移动距离之差是否大于Δx，若是则驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向右侧移动Δx，令n＝n+1，移动距离x1＝n×Δx，并返回步骤(4)；
(7)若移动距离之和x1等于传输距离x或传输距离与移动距离之差小于Δx，则进入模式选择状态，可分别选择最大传输效率模式或最大功率模式；
(8)选择最大功率模式，比较储存的各位移点的接收端功率P2的大小，选取接收端功率P2的最大值及其对应的移动距离x1，驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向左侧移动(x-x1)，最大功率模式调节结束；
(9)选择最大传输效率模式，比较储存的各位移点的传输效率η的大小，选取接传输效率η的最大值及其对应的移动距离x1，驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向左侧移动(x-x1)，最大传输效率模式调节结束。
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