Study on Wireless Power Transmission for Gastrointestinal Microsystems Based on Inductive Coupling

Wireless power transmission based on inductive coupling for remotely implanted micro devices has been considered in this paper. The receiving coil, integrated in microsystems and the external transmitting coil compose a loosely coupled transformer. The coupling coefficient was calculated and measured on spacing misalignments. The geometric size of transmitting coil was analyzed for the target of remotely delivering power. The received power was maximized by choosing appropriate value of frequency, tuning capacitance and the load resistance. A conventional full bridge rectifier circuit was employed to convert ac to dc voltage. The received dc power was up to 160 mW with a transmitting vohage of 5 Vrms when the receiving coil was placed at the center of the transmitting coil. This may meet the requirement of some microsystems for high power over a long time.

基于磁耦合谐振的多自由度电机无线电能传输

针对多自由度电机无线电能传输中传输效率较低的问题,提出基于磁耦合谐振的多自由度电机无线电能传输方法。该方法根据共振原理构建磁耦合谐振式无线电能传输模型,通过反射系数描述阻抗匹配状态,获取最佳负载阻抗;采用混沌优化算法优化电机线圈损耗率,实现多自由度电机无线电能传输优化。实验结果表明,应用该方法后,多自由度电机的电能输出功率达到了893 W,传输效率提升了0.10以上,提高了电能输出功率和传输效率,方法有效,具备可行性。

面向无线传能的磁耦合通信射频链路解耦设计

针对磁耦合无线能量数据协同传输中传能链路与通信链路的解耦需求,在采用DD型通信线圈与传能线圈实现空域解耦的基础上,开展了滤波网络与线圈的协同设计,提升了通信链路通带阻抗匹配特性和带外抑制能力,并进一步引入带阻滤波网络,增强了与传能线圈的频域解耦。在耦合距离为30 mm时,搭建了与167 kHz无线传能天线共口径的磁耦合通信天线与滤波馈电网络硬件,在中心频率14.8 MHz实现了4 MHz的-3 dB通带带宽,该解耦天线系统相比DD线圈天线对传能信号提高了85 dB的抑制能力。

双线圈并联ICPT系统的分布式补偿电流均衡方法

针对双线圈并联的高功率感应耦合电能传输(ICPT)系统存在线圈间补偿电流不均衡问题,提出一种分布式补偿电流均衡方法。首先提出了双线圈并联ICPT系统的分布式补偿网络,然后依据等效思想和迭代思想提出补偿电流均衡方法,根据该方法求解得到补偿参数和各线圈补偿电流表达式,再将该方法拓展到n线圈并联结构。在北京超算云计算中心的COMSOL云平台验证了所提出的方法不仅有效均衡了各线圈的补偿电流,而且谐振状态受参数漂移的影响程度并未因补偿网络的复杂程度增加而增加。最后搭建了实验平台,验证了所提方法的有效性。

大传输距离下电动汽车无线充电系统优化

针对无线充电系统原边线圈嵌入路面结构后耦合线圈之间的距离增大、耦合程度减弱的问题,对线圈结构进行优化,以实现大传输距离下无线电能的传输。通过电磁有限元仿真对线圈的内径、外径和匝数进行优化,提出以耦合系数为优化目标的线圈结构参数优化流程,同时,在Simulink中搭建无线充电系统的电路仿真平台,对采用优化后线圈结构的无线充电系统性能进行测试。结果表明:随着线圈内径增大,耦合系数先增大,达到峰值后迅速减小;随着线圈外径增大,耦合系数逐渐增大;在不同外径下,线圈的最优匝数均为9匝;3个参数中,增大外径是提高线圈耦合程度最有效的方式;最终优化后线圈的参数为外径480 mm、内径210 mm、匝数9匝,可以实现300 mm距离的电能传输,系统输出功率保持在2.96~3.70 kW,传输效率达到86.54%,横向容许偏移距离可达60 mm。

磁耦合WPT系统中的线圈特性仿真分析

针对磁耦合谐振无线电能传输系统的性能问题,提出利用互感耦合理论分析及Maxwell软件建模相结合的方法,探索线圈结构参数及位置对系统传输效率的影响。首先,运用互感耦合理论对磁耦合谐振无线电能传输系统进行理论分析,得到系统传输效率与耦合因数k的理论关系。然后利用Maxwell软件实现对互感线圈的建模与仿真,得到线圈结构参数以及一定范围内任意发射线圈的空间位置对系统传输性能的影响。根据仿真结果分析得出在一定范围内匝数、线径、内径的增加,系统的性能会得到幅度逐渐降低的提升。当线圈同时发生水平和垂直偏移时,较小偏移量情况下,垂直偏移对系统的性能影响更大。发生较大偏移量时,水平偏移对系统的性能影响更大。

无线传能磁通信带内干扰抑制射频架构与算法

针对磁耦合无线电能与数据协同传输系统中磁耦合数据通信面临的传能装置谐波干扰,建立了基于DD线圈的通信和干扰感测相互隔离的射频通道,并在数字域采用基于递归最小二乘(Recursive Least Square,RLS)算法的数字干扰对消,抑制通信链路的残余传能干扰。通过仿真验证了方案的可行性。建立了中心频率17.6 MHz、通信带宽2 MHz的通信与干扰感测通道,并基于GNU Radio和X310软件无线电平台完成了算法验证,成功恢复出受传能谐波干扰的正交相移键控(Phase-Shift Keying,QPSK)通信信号星座图,将带内干扰谐波抑制了12 dB以上,提升了磁耦合通信链路抗干扰能力。

基于E类逆变器的WPT系统线圈抗偏移研究

现有无线电能传输(WPT)系统中普遍存在元器件参数选型难,且常见线圈类型抗偏移能力普遍较弱。本文基于推挽式E类逆变器构建SS型拓扑结构磁耦合谐振式WPT(MCR-WPT)系统,计算系统中元器件参数,并推导其最大效率负载条件,同时提出同半径圆角矩形线圈设计,对同面积内不同条件线圈传输效率及抗偏移能力进行比较。仿真结果表明:耦合线圈结构与参数对传输性能有明显影响,在同等最佳负载条件下,所提线圈较其他常见类型线圈传输性能有所提升,最后通过实验验证仿真结果。

无线电能传输磁耦合系统损耗优化

在不含磁芯的无线电能传输WPT(wireless power transmission)系统中,由磁耦合系统引起的损耗是系统损耗的主要组成部分之一,而磁耦合系统的损耗由接收线圈、发射线圈的电阻以及流经收发线圈的电流所决定。结合串/串S/S(series/series)补偿拓扑无线电能传输的电路响应特性,分析磁耦合系统的线圈感量、线圈电阻与线圈匝数的关系,提出了根据发射、接收线圈电流工况调整收发线圈匝数的磁耦合系统线圈匝数组合优化设计方案。绕制3组不同匝数组合的收发线圈(含优化匝数组合及两组对照匝数组合线圈)用以验证优化方案的可行性。仿真及实验结果均表明:在相同工况下,优化组合方案的线圈总损耗均低于对照组,且整体样机的效率均高于对照组。

肠道机器人无线供能的混合式三维发射线圈特性研究

在不同位置和姿态下,为满足肠道机器人通过无线方式稳定获取能量的需要,同时尽可能减小肠道机器人的体积,需要发射线圈具有产生空间多维磁场的能力.提出一种混合式的发射线圈结构,采用亥姆霍兹线圈对与鞍形线圈对组合的方式,其结构紧凑并可利用自身的对称性,能够通过旋转产生无死区的三维空间磁场.对两种线圈形式的特性以及组合后的特性分别进行分析.仿真和实验结果表明,在2 A电流激励下,在线圈中心处具有最低3.44%的传输效率和1 204 mW的接收功率,位置均匀性最低为88.1%,能够实现能量的空间三维覆盖.

轨道交通无线电能传输系统动态谐振线圈耦合模型研究

鉴于传统采用平板式线圈结构的无线电能传输系统,不适合列车在运行过程中的电能传输,设计了一种E型铁心线圈的RX(接收端)耦合结构来满足轨道交通供电系统的动态需求。综合考虑车辆停靠的偏移、横向与竖向的间隙及列车上允许的安装体积,建立了动态谐振线圈耦合模型,分析了谐振状态的变量因素,包括线圈自感、线圈互感及耦合电容等;充分考虑工程应用的实际需求,对RX与TX(发射端)的结构参数进行了设计;通过系统仿真验证了E形铁心线圈分别在x轴(线路横向)正向进行偏移,在y轴(线路纵向)正向进行小范围偏移,在y轴负向进行大范围偏移,以及到达极限位置时对耦合系数的影响。结果表明:E形铁心线圈在x方向的偏移对自感和互感等耦合参数几乎无影响,E形铁心线圈结构除偏移至极限位置外线圈耦合系数基本保持稳定。该模型能够有效减小耦合系数变化对无线电能传输系统稳定性的影响。

一种新型凹面磁耦合谐振式无线电能传输装置

目前文献中,市场上多采用平面发射线圈、平面接收线圈实现磁耦合谐振式无线电能传输,弊端是传输效率不高。针对此弊端,设计并自制一新型凹面发射线圈。利用磁通门传感器测量磁场分布,结果表明,凹面发射线圈的磁场分布较平面发射线圈明显向中轴线汇聚;搭建实验电路进行对比实验,结果表明,对于相同的平面接收线圈,凹面发射线圈较平面发射线圈传输效率明显提高,高达10%。

自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计

谐振耦合电能无线传输是一种新的电能传输概念和方法,它能在中等距离范围内传递能量。该文基于空间隔离两线圈的互感耦合模型,从电路角度分析系统传输效率与线圈尺寸、距离等之间的关系,得到的传输效率表示式,进一步应用于系统最大传输效率的分析,以实现谐振耦合电能无线传输系统优化设计的目标。最后,设计制作一个谐振耦合电能无线传输装置,并设计多组不同参数的线圈进行比较实验,结果证明当空间隔离的两空心线圈达到谐振耦合时,两线圈之间传递能量最大,从而验证该文的理论研究。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的仿真与实验

针对无线电能传输系统中传输功率小、传输效率低和传输距离短的问题,提出了一种增加中继线圈的新结构。基于磁耦合谐振式无线电能传输系统的工作原理,为增强系统耦合性能,在电源线圈与负载线圈中增加了中继线圈,并分析了其系统模型及传输功率公式。通过ANSYS有限元分析软件对不同数量中继线圈的实验系统进行电磁仿真,绘制了不同距离的磁感应强度空间分布图。最后,搭建了一个磁耦合谐振式无线电能传输实验台,根据负载功率变化与线圈距离的关系,验证了数值仿真的正确性。仿真和实验结果表明:增加中继线圈的数量能够有效地增强空间磁感应强度,对提高传输效率和增加传输距离有显著作用。

磁谐振耦合式单中继线圈无线功率接力传输系统的建模与分析

传统的由发射–接收线圈谐振器组成的基于磁谐振耦合的无线功率传输系统只能短距离的传输能量,在发射端和接收端之间适当的位置插入中继线圈谐振器可以有效的提高传输距离。该文对插入单中继线圈的磁耦合谐振式无线功率接力传输系统进行了研究,得出临界耦合条件和最大功率传输条件。研究了发射线圈和接收线圈之间的交叉耦合系数k13对系统的影响,并得到避免其不利影响的设计准则。数值仿真和实验表明,恰当的使用中继线圈不但能显著提高传输距离,并且因为系统的传输效率和负载功率对中继线圈的横向偏移和角度倾斜变化不敏感,因此还能提高设计的灵活性。

具有中继谐振线圈的磁耦合谐振无线电能传输系统

论文首先通过耦合模理论建立了具有中继谐振线圈的磁耦合谐振式无线电能传输系统的高阶数学模型,在此基础上分析了该系统耦合系数、谐振线圈衰减率及负载端衰减率对系统传输效率的影响,并进一步得出了系统取得最大传输效率所需满足的约束条件和控制函数。最后根据理论分析搭建相关系统进行仿真和实验,并与无中继线圈的无线输电系统做了对比,结果验证了约束条件及控制函数与最大传输效率理论分析的正确性,以及该系统在能量传输距离和效率方面的优势,为后续设计远距离、高效率的无线电能传输系统提供了有效的参考。

大功率无线电能传输系统能量发射线圈设计、优化与验证

如何对电磁线圈进行合理的设计及优化是无线电能传输系统设计时需要解决的关键问题之一。本文提出了无线电能传输系统的直接场路耦合算法模型,并通过参数求解的方法计算了不同半径的单匝线圈空间磁场及电路参数的整体变化趋势,从而得出与线圈设计相关的指导原则。然后根据大功率电磁耦合谐振式无线电能传输系统的特点设计了三种不同结构发射线圈,计算了电气特性并通过实验进行验证。实验结果表明,五组并绕盘型线圈与其他结构线圈相比具有更低的电感量与更高的谐振频率,并且实际工况下中心轴向磁场强度与沿轴向磁场较大,适合作为发射线圈形式。通过采用本文分析方法可有效避免设计和试验的盲目性。

基于电磁感应的消化道内微系统的无线供能

针对人体消化道内微小系统,提出了利用电磁耦合进行无线能量传输的方法.体外发射线圈围绕在腰间,产生交变磁场,体内微小接收线圈产生感应电压,两线圈耦合从而实现能量传输.基于线圈耦合电路模型,推导了弱耦合条件下能量传输效率公式和效率最大化条件.对比分析了两种电路结构,给出了提高能量传输效率的根本途径.实验验证了方案的可行性和能量传输效率公式的正确性.结果表明,200 mW功率能够可靠传输,效率达1.31%.

基于电磁感应的消化道内微系统无线能量传输问题研究

针对消化道内微小系统,提出一种基于电磁耦合的无线能量传输方案。通过计算线圈间的互感,分析了相对位置对耦合系数的影响。建立了能量传输模型,推导出弱耦合情况下接收功率最大化的条件,指出提高传输效率的两种方法。实验传输功率超过200 mW(接收线圈位于发射线圈中心),验证了这种方案的可行性。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的四线圈模型研究

针对目前磁耦合谐振式无线电能传输系统的四线圈结构理论不完善的问题,提出了四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统的互感耦合理论模型,并用Matlab对四线圈无线电能传输系统的传输效率与线圈尺寸、互感系数和距离等参数之间的关系进行了详细的仿真分析。最后,搭建了四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统实物模型,测量并分析了不同线圈间的距离对系统传输效率和负载电压的影响,验证了理论分析与实验数据的一致性,为分析磁耦合谐振式无线电能传输的四线圈结构提供了新的理论依据。