一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統的製作方法
2024-02-10 05:58:15
一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統，包括高頻功率源、發射部分、接收部分和負載；發射部分包括串聯連接的原邊分數階電容和原邊分數階電感，原邊分數階電感具有原邊電阻；接收部分包括並聯連接的副邊分數階電容和副邊分數階電感，副邊分數階電感具有副邊電阻。本實用新型採用分數階元件實現無線電能傳輸，結構簡單，增加了參數設計的維度，完全區別於傳統的整數階元件實現的無線電能傳輸系統。
【專利說明】一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於無線電能傳輸或無線輸電技術的領域，特別涉及一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統。
【背景技術】
[0002]無線電能傳輸或無線輸電技術早在100多年前就由美國實用新型家特斯拉(Nicola Tesla)在實驗上得到嘗試。2006年，麻省理工學院(MIT)的研究人員利用物理的共振技術成功的在2m距離左右以40%的效率點亮了一個60W的燈泡，該實驗不僅僅是特斯拉實驗的重現，更是無線電能傳輸技術的又一個新突破，並且掀起了無線電能傳輸研究的熱潮。
[0003]無線電能傳輸技術是一種廣泛應用前景的電能傳輸方式，具有安全、可靠、靈活、方便等優點，已經日益受到世界各國的重視，並越來越廣泛應用於各種不適合或不方便使用有導線接觸傳輸電能的地方，如植入式醫療設備、移動電子產品、機器人、軌道電車供電等場合，並有望在不久的將來能夠在小功率電子產品無線充電方面取代傳統的插頭充電。
[0004]目前的無線電能傳輸系統都是基於整數階電感、電容實現的，其諧振頻率只由電感值和電容值決定，因此，其系統設計只需考慮參數值，無需考慮元件的階數，設計的自由度比較少。同時，實際系統的元件本質上是分數階的，但是目前實際中用的大部分的階數接近於1，對於分數階的情況完全忽略。傳統的通過整數階的建模來設計無線電能傳輸系統，在某些條件下，理論和實際的誤差可能會很大。
[0005]分數階器件(如分數階電容和分數階電感)概念的來源於分數階微積分的產生，而分數階微積分的概念已經有300多年的歷史，幾乎與整數階微積分同時誕生。但是由於分數階比較複雜，並且一直沒有很好的數值分析工具，因此其一直處於理論分析階段。近幾十年來，由於生物技術、高分子材料等的發展，人們發現整數階微積分不能很好的解釋自然界存在的現象，因此分數階微積分開始得到重視，並開始應用於工程領域，其在控制領域的研究和應用已日益完善。同時，兩端的分數階器件已經在實驗室被製造出來。但分數階電路與系統一些特殊的性質未得到研究，在無線電能傳輸領域的應用更是未被提及。
[0006]鑑於目前分數階元件或分數階電路在某些方面的巨大優勢，並且其還未被應用於無線電能傳輸領域，因此有必要提出一種分數階串-並諧振無線電能傳輸系統。
實用新型內容
[0007]本實用新型的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統。
[0008]本實用新型通過如下技術方案實現:
[0009]一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統,包括高頻功率源Vs、發射部分、接收部分和負載& ;發射部分包括串聯連接的原邊分數階電容G和原邊分數階電這私原邊分數階電感4具有原邊電阻Rp;接收部分包括並聯連接的副邊分數階電容q和副邊分數階電這4副邊分數階電這4具有副邊電阻Rs。
[0010]所述的一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統，原邊分數階電容C〗、副邊分數階電容〃的電壓、電流微分關係均滿足:ic=C'" t^r，相位關係滿足:％ = $，其中，ic
Clt2
為分數階電容電流，V。為分數階電容電壓，α為分數階電容的階數，並且O < a ^ 2, Ca為分數階電容的值。
[0011]所述的一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統，原邊分數階電這私副邊分
數階電感τβ的電壓、電流微分關係均滿足-.Vl=Lp^,相位關係滿足:& = ^，其中，\
Lsdr2
為分數階電感的電壓，k為分數階電感的電流，β為分數階電感的階數，並且O < β <2，L0為分數階電感的值。
[0012]所述的一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統，發射部分和接收部分之間是通過分數階電路串-並聯諧振耦合的方式實現的無線電能傳輸。
[0013]本實用新型的工作原理為:發射部分和接收部分分別由原邊分數階電容C〗、原邊分數階電感4、原邊電阻RP、副邊分數階電容C〗、副邊分數階電感私、副邊電阻Rs構成分
數階RLC串-並聯諧振電 路，發射部分和接收部分通過諧振耦合的方式實現電能的無線傳輸。
[0014]與現有技術相比，本實用新型具有如下優點:
[0015]1、結構簡單，採用分數階元件實現的無線電能傳輸，完全區別於以往的無線電能傳輸系統，增加了參數設計的自由度。
[0016]2、通過設計選取元件的階數，可以大大降低無線電能傳輸系統的諧振頻率，從而降低對電力電子器件的要求，非常有利於實際系統的設計。
[0017]3、通過設計適當的分數階階數，可以使傳輸功率更大。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統的示意圖。
[0019]圖2為a =1.2，β =0.9時的輸出功率與頻率f的關係曲線。
[0020]圖3為a =0.8，β =0.9時的傳輸效率與頻率f的關係曲線。
[0021]圖4為a =1.2，β =1.5時的輸出功率與頻率f的關係曲線。
[0022]圖5為a =0.8，β =1.2時的輸出功率與頻率f的關係曲線。
具體實施方案
[0023]以下結合附圖對實用新型的具體實施作進一步描述，但本實用新型的實施和保護不限於此。
[0024]實施例
[0025]如圖1所示，為本實用新型的分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統的示意圖，以下結合本圖說明本實用新型的工作原理。圖1中，高頻功率源Vs、原邊分數階電容G原
邊分數階電感4和原邊電阻Rp連接構成串聯諧振；副邊分數階電容 Λα、副邊分數階電感
L!、、副邊電阻Rs和負載&連接構成並聯諧振；發射部分和接收部分通過互感M實現無線
電能傳輸。為了分析的方便，令原邊分數階電容G和副邊分數階電容Ci'參數一致，並省略
上、下標，記為C ;令原邊分數階電感烏和副邊分數階電感4參數一致，並省略上、下標，記為L ;令原邊電阻Rp和副邊電阻Rs為R。則可以得到系統的分數階微分方程:
_ _
【權利要求】
1.一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統,包括高頻功率源(vs)、發射部分、接收部分和負載(?);其特徵在於發射部分包括串聯連接的原邊分數階電容(Cp)和原邊分數階電感(4 )，原邊分數階電感(私)具有原邊電阻(Rp);接收部分包括並聯連接的副邊分數階電容(Qa )和副邊分數階電感(4 )，副邊分數階電感(4 )具有副邊電阻(Rs)。
2.根據權利要求1所述的一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統，其特徵在於原邊分數階電容、副邊分數階電容(q)的電壓、電流微分關係均滿足?α令』
απ相位關係滿足:外=Y，其中，i。為分數階電容電流，V。為分數階電容電壓，α為分數階電容的階數，並且O < a ^ 2, Ca為分數階電容的值。
3.根據權利要求1所述的一種分數階串-並聯諧振無線電能傳輸系統，其特徵在於原邊分數階電感(4 }副邊分數階電感(0 )的電壓、電流微分關係均滿足-.Vl=Lp^,相位關係滿足:，其中^為分數階電感的電壓，k為分數階電感的電流，β為分數階電感的階數，並且 O < β < 2，Le為分數階電感的值。
【文檔編號】H02J17/00GK203827070SQ201420156201
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】張波, 黃潤鴻, 丘東元 申請人:華南理工大學