[发明专利]一种并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输或无线输电的技术领域，尤其是指一种并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统。

背景技术

在100多年前，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡，证明了电能无线传输的可行性。由于无线电能技术是一种非接触式的电能传输技术，具有安全、可靠、灵活的优点，越来越多的学者投入到无线电能传输领域中。

目前，无线电能传输的实现方式包括：磁感应耦合、磁谐振耦合、电场耦合、微波、激光等。其中磁感应耦合无线电能传输在工程应用中极为广泛，如植入式医疗设备、电动牙刷、手机、电动汽车等。当前的磁感应耦合无线电能传输系统都是基于整数阶元件实现。

分数阶元件(即分数阶电感和分数阶电容)的概念来源于分数阶微积分。事实上，整数阶电感、电容元件在自然界并不存在，只是目前采用的电感、电容的分数阶数接近于1。随着人们对电感、电容特性认识的不断深入，开始考虑它们的分数阶影响，或有目的地利用它们的分数阶数改进电路性能，且在一些应用场合也已经被证明比整数阶元件更具优势，比如在阻抗匹配电路中的应用。然而，分数阶元件在并联补偿型感应耦合无线电能传输系统中的应用从未被提及，因此提出一种并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统具有实际价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供了一种并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统，利用分数阶电感线圈进行感应耦合实现电能的无线传输，分数阶电感线圈产生的磁链或电压，不仅与电感值相关，而且与其分数阶数相关，而分数阶补偿网络补偿的无功功率也与其中的分数阶元件阶数相关，参数设计灵活，易于优化，性能完全区别于传统并联补偿型整数阶感应式无线电能传输系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种并联补偿型分数阶感应耦合无线电能传输系统，包括发射部分、接收部分及与该发射部分连接的电流源和与该接收部分连接的负载，所述发射部分包括发射端分数阶补偿网络、分数阶电感发射线圈和发射电路内阻，所述分数阶电感发射线圈和发射电路内阻串联后与发射端分数阶补偿网络并联，所述发射端分数阶补偿网络并联于发射部分中补偿系统无功功率，所述接收部分包括接收端分数阶补偿网络、分数阶电感接收线圈和接收电路内阻，所述分数阶电感接收线圈和接收电路内阻串联后与接收端分数阶补偿网络并联，所述接收端分数阶补偿网络并联于接收部分中补偿系统无功功率；所述分数阶电感发射线圈和分数阶电感接收线圈通过电磁感应耦合实现电能的无线传输；所述发射端分数阶补偿网络和接收端分数阶补偿网络分别至少包含一个分数阶电容。

所述分数阶电感发射线圈的电压、电流微分关系满足：相位关系满足阻抗为：式中，i_L1为分数阶电感发射线圈电流，v_L1为分数阶电感发射线圈电压，β₁为分数阶电感发射线圈的自感分数阶数，并且0＜β₁≤2，L_β1为分数阶电感发射线圈的自感值，当β₁取1时，分数阶电感发射线圈即为整数阶电感线圈；所述分数阶电感接收线圈的电压、电流微分关系满足：相位关系满足阻抗为：式中，i_L2为分数阶电感接收线圈电流，v_L2为分数阶电感接收线圈电压，β₂为分数阶电感接收线圈的自感分数阶数，并且0＜β₂≤2，L_β2为分数阶电感接收线圈的自感值，当β₂取1时，分数阶电感接收线圈即为整数阶电感线圈；所述分数阶电感发射线圈和分数阶电感接收线圈的互感值为M、互感阶数为γ，互感的电压、电流微分关系满足或

所述分数阶电容的电压v_C和电流i_C微分关系满足：相位关系满足阻抗为：其中分数阶阶数满足0＜α≤2，C_α为分数阶电容容值，ω为系统的工作角频率，当分数阶电容的阶数为1时，即为整数阶电容。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、采用分数阶电感实现感应耦合无线电能传输，增加了参数设计的自由度，完全区别于以往的整数阶感应耦合无线电能传输系统。

2、采用包含分数阶电容的补偿网络，不仅可以补偿系统无功功率还可以补偿系统的有功功率，而且补偿的功率与元件阶数有关，参数设计灵活，完全区别于以往的整数阶并联补偿的感应耦合无线电能传输系统。

3、通过适当地设计分数阶阶数，可以使传输功率和效率更高。