谐振耦合式无线电力传输系统matlab建模.docx
《谐振耦合式无线电力传输系统matlab建模.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《谐振耦合式无线电力传输系统matlab建模.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
谐振耦合式无线电力传输系统matlab建模
ModelingResonantCoupledWireless Power Transfer System
谐振耦合式无线电力传输系统建模
Thisexampleshowshowtocreateandanalyzeresonantcouplingtypewirelesspowertransfer（WPT）systemwithemphasisonconceptssuchasresonantmode,couplingeffect,andmagneticfieldpattern.Theanalysisisbasedona2-elementsystemofspiralresonators.
这个例子显示了如何创建和分析谐振耦合式无线电力传输系统（WPT）的概念如谐振模式，强调耦合效应和磁场模式。
此分析是基于两螺旋谐振器系统。
Thisexamplerequiresthefollowingproduct:
这个例子需要以下产品：
PartialDifferentialEquationToolbox™
DesignFrequencyandSystemParameters设计频率和系统参数
Choosethedesignfrequencytobe30MHz.ThisisapopularfrequencyforcompactWPTsystemdesign.Alsospecifythefrequencyforbroadbandanalysis,andthepointsinspacetoplotnearfields.
选择的设计频率为30MHz。
这是便携式WPT系统设计的一个流行的频率。
还指定了宽带分析的频率，和在附近的空间中的点。
fc=30e6;
fcmin=28e6;
fcmax=31e6;
fband1=27e6:
1e6:
fcmin;
fband2=fcmin:
0.25e6:
fcmax;
fband3=fcmax:
1e6:
32e6;
freq=unique（[fband1fband2fband3]）;
pt=linspace（-0.3,0.3,61）;
[X,Y,Z]=meshgrid（pt,0,pt）;
field_p=[X（:
）';Y（:
）';Z（:
）'];
TheSpiralResonator螺旋谐振器
Thespiralisaverypopulargeometryinresonantcouplingtypewirelesspowertransfersystemforitscompactsizeandhighlyconfinedmagneticfield.Wewillusesuchaspiralasthefundamentalelementinthisexample.
螺旋是一种非常流行的几何形状在谐振耦合型无线功率传输系统，其紧凑的尺寸和高度密闭的磁场。
我们会使用这样一个螺旋的基本元素在这个例子中。
CreateSpiralGeometryThespiralisdefinedbyitsinnerandouterradius,andnumberofturns.Expressthegeometrybyitsboundarypoints,thenimportitsboundarypointsintopdetool.Themeshisgeneratedinpdetoolandexported.Themeshisdescribedbypointsandtriangles.
创建螺旋几何形状的螺旋是由它的内部和外部半径定义，和数量的圈数。
由边界点的几何表达，那么进口边界点为有效。
网格产生有效和出口。
网格是由点和三角形描述的。
Rin=0.05;
Rout=0.15;
N=6.25;
[p,t]=createSpiral（Rin,Rout,N）;
Createcustomantenna UsecustomAntennaMeshtoimportthemesh.Thefeediscreatedattheinnercircleofthespiralmesh.Thisstructureisnowreadyforanalysis.
创建自定义的天线，使用customAntennaMesh输入网格。
反馈是在螺旋网格的内圆上创建的。
这种结构现在已经准备好进行分析。
spiralobj=customAntennaMesh（p,t）;
spiralobj.Tilt=90;
spiralobj.TiltAxis='Y';
createFeed（spiralobj,[0.05250.0025],[0.06750.0025]）;
ResonanceFrequencyandMode谐振频率和模式
Itisimportanttofindtheresonantfrequencyofthedesignedspiralgeometry.Agoodwaytofindtheresonantfrequencyistostudytheimpedanceofthespiralresonantor.Sincethespiralisamagneticresonator,alorentzshapedreactanceisexpectedandobservedinthecalculatedimpedanceresult.
重要的是要找到所设计的螺旋几何的谐振频率。
找到谐振频率的好方法是研究螺旋谐振器的阻抗。
由于螺旋是一个磁电磁谐振腔，洛伦兹形电抗预计和计算的阻抗结果观察。
figure;
impedance（spiralobj,freq）;
Sincethespiralisamagneticresonator,thedominantfieldcomponentofthisresonanceisthemagneticfield.Astronglylocalizedmagneticfieldisobservedwhenthenearfieldisplotted.
由于螺旋是一个磁谐振器，这种共振的占主导地位的磁场分量是磁场。
绘制近场时，观察到一个强局部磁场。
figure;
EHfields（spiralobj,fc,field_p,'ViewField','H','ScaleFields',[05]）;
CreateSpiraltoSpiral Power Transfer System创建螺旋到螺旋动力传输系统
Thecompletewireless power transfer systemiscomposedoftwoparts:
thetransmitter（Tx）andreceiver（Rx）.Chooseidenticalresonatorsforbothtransmitterandreceivertomaximizethe transfer efficiency.Here,thewirelesspower transfer systemismodeledasalineararray.
完整的无线电力传输系统是由两部分组成：
发射机（Tx）和接收机（RX）。
选择发射器和接收器的最大传输效率相同的谐振器效率。
这里的无线电能传输系统建模为一个线性阵列。
wptsys=linearArray（'Element',[spiralobjspiralobj]）;
wptsys.ElementSpacing=Rout*2;
figure;
show（wptsys）;
VariationofSystemEfficiencywith Transfer Distance
系统效率随传输距离的变化
OnewaytoevaluatetheefficiencyofthesystemisbystudyingtheS21parameter.Aspresentedin[1],thesystemefficiencychangesrapidlywithoperatingfrequencyandthecouplingstrengthbetweenthetransmitterandreceiverresonator.Peakefficiencyoccurswhenthesystemisoperatingatitsresonantfrequency,andthetworesonatorsarestronglycoupled.Theresultsfors-parameteranalysishasbeenprecomputedandstoredinaMAT-file.
评估系统的效率的一个方法是研究的S21参数。
在[1]中，系统的效率迅速变化与工作频率和耦合强度之间发射机和接收机谐振器。
峰值效率发生时，该系统是在其谐振频率工作，和两个谐振器的强耦合。
参数分析结果已预先计算并存储在一个mat文件。
loadarraysparam
figure;
rfplot（sparam,2,1,'abs'）;
CriticalCoupledPoint 临界耦合点
Thecouplingbetweentwospiralsincreaseswithdecreasingdistancebetweentworesonators.Thistrendisapproximatelyproportionalto
.Therefore,thesystemefficiencyincreaseswithshortertransfer distancetillitreachesthecriticalcoupledregime[1].Whenthetwospiralsareovercoupled,exceedingthecriticalcoupledthreshold,systemefficiencyremainsatitspeak,asshowninFig.3in[1].Weobservethiscriticalcouplingpointandovercouplingeffectduringmodelingthesystem.Performaparametericstudyofthesystems-parametersasafunctionofthe transfer distance.
双螺旋线的增加与减少之间的距离两谐振器之间的耦合。
这种趋势是近似成正比。
因此，系统效率随shortertransfer距离直到它达到临界耦合机制[1]。
当两螺线是耦合的，超过临界耦合阈值，系统效率保持在峰值，如图3所示的[1]。
我们观察到这个关键的耦合点和超耦合效应建模过程中的系统。
执行系统的S参数，一个参数化的研究的一个转移距离函数。
The transfer distanceisvariedbychangingtheElementSpacing.Itisvariedfromhalfofspiraldimensiontooneandhalftimesofthespiraldimension,whichistwiceofthespiral'souterradius.Thefrequencyrangeisexpandedandsetfrom25MHzto36MHz.
传输距离是通过改变elementspacing变化。
它是从螺旋尺寸的一半变化到一个和半倍的螺旋尺寸，这是螺旋的外半径的两倍。
他的频率范围扩大，并设置从25兆赫至36兆赫。
freq=（25:
0.1:
36）*1e6;
dist=Rout*2*（0.5:
0.1:
1.5）;
load（'wptData.mat'）;
s21_dist=zeros（length（dist）,length（freq））;fori=1:
length（dist）
s21_dist（i,:
）=rfparam（sparam_dist（i）,2,1）;end
figure;
[X,Y]=meshgrid（freq/1e6,dist）;
surf（X,Y,abs（s21_dist）,'EdgeColor','none'）;
view（150,20）;
shading（gca,'interp'）;
axistight;
xlabel（'Frequency[MHz]'）;
ylabel（'Distance[m]'）;
zlabel（'S_{21}Magnitude'）;
CouplingModebetweenTwoSpiralResonator
双螺旋谐振腔的耦合模
Thedominantenergyexchangemechanismbetweenthetwospiralresonatorsisthroughthemagneticfield.Strongmagneticfieldsarepresentbetweenthetwospiralsattheresonantfrequency.
两个螺旋谐振器之间的占主导地位的能量交换机制是通过磁场。
强磁场存在于两个在谐振频率螺旋。
wptsys.ElementSpacing=Rout*2;
figure;
EHfields（wptsys,fc,field_p,'ViewField','H','ScaleFields',[05]）;
view（0,0）;
Conclusion
Theresultsobtainedforthewireless power transfer systemmatchwellwiththeresultspublishedin[1].
所获得的无线功率传输系统的结果相匹配，以及与在[1]发表的结果。
（见下文）
References
[1]A.P.Sample,D.T.Meyer,andJ.R.Smith,"Analysis,ExperimentalResults,andRangeAdaptationofMagneticallyCoupledResonatorsforWirelss Power Transfer",IEEETransationsonIndustrialElectronics,pp.544-554,58,2,2011.
[1]A.P.Sample，D.T.Meyer，J.R.Smith，”分析，实验结果，和无线电力传输的“磁耦合谐振器系列改编，IEEE工业电子交易电子、pp.544-554，58，2，2011。
Magneticallycoupledresonantstructuresofferauniquesetofbenefitsaswellasdesignchallengeswhenusedforwirelesspowertransfer.Oneoftheremarkableresultsistheexistenceofthe‘magicregime’,whereefficiencyremainsnearlyconstantoverdistance,aslongasthereceiveriswithintheoperatingrangeofthetransmitter.Thisisnotthecaseforconventionalfar-fieldandnear-fieldwirelesspowersystems,whoseefficienciesdeclinesharplywithrange.Theworkinthispaperprovidesadeeperunderstandingoftheunderlyingprinciplesofcoupledmagneticresonance,aswellasasimplecircuitmodelofthesystem.Aderivationofthetransferfunctionofthismodelrevealswhichconceptsplayacriticalroleinsystemperformance:
frequencysplitting,operatingrange,andimpedancematching.Inordertoaccuratelycharacterizethewirelesspowersystem,measurementtechniquesthatuseanetworkanalyzerforcircuitparameterextractionhavebeenimplemented.Excellentagreementbetweenthecircuitmodelandmeasurementshasbeendemonstrated,withacoefficientofdeterminationof0.9875.Lastly,theissueofreceiveralignmentsensitivityisaddressedwithanadaptivetuningalgorithm.Wedemonstratethatforanyreceiverpositionand/ororientation,afrequencycanbeidentifiedthatmaximizespowertransferefficiency.Additionally,atrackingalgorithmallowsforthepeakefficiencytobemaintainedasthereceiverismovedinspace.
磁耦合的谐振结构提供了一个独特的好处，以及设计的挑战时，用于无线功率传输。
其中一个显著的结果就是“魔术”的存在政权，在那里效率保持几乎恒定的距离，只要接收器是在发射机的工作范围内。
这不是传统的远场和近场的情况下无线电力系统，其效率急剧下降的范围内。
本文的工作提供了一个更深入的了解耦合磁共振的基本原则，以及系统的一个简单的电路模型。
这个模型的传递函数的推导揭示了概念在系统性能中起着至关重要的作用：
频率分裂，工作范围，和I阻抗匹配。
为了准确地描述的无线电力系统，测量技术，使用网络分析仪的电路参数提取已实施。
优秀的电路模型和测量之间的协议已被证明，与一个系数的测定0.9875。
最后，接收器对准灵敏度的问题是解决与一个适应调整算法。
我们表明，对于任何接收器的位置和/或方向，可以确定一个频率，最大限度地提高功率传输效率。
此外，跟踪算法允许当接收机在空间移动时保持峰值效率。
Onecompellingusagescenarioisaworkspacewheredevicessuchaslaptops,cellsphones,andUSBperipheralsareseamlesslypoweredandrechargedaseasilyasdataistransmittedthroughtheair.Asafinaldemonstrationofthepotentialofthistypeofwirelesspowersystem,Fig.15showsalaptopbeingcontinuouslypoweredviathemagneticallycoupledresonators.Herethelaptopbatteryhasbeenremovedandthewirelesspowersystemisprovidingallthepowerneededforoperation.Thesignalgenerator,amplifier,anddirectionalcouplercanbeseeinginthebackground（topleftcorner）andarecontrolledbyacomputer.Theamplifierdivesthesame28cmtransmitloopand59cmtransmitcoilfromtheearlyexperiments.Thereceiverisplaced0.7metersforthetransmittersandconsistsofasmaller28cmcoilanda30cmloop,seenintheforeground.AsimplebridgerectifierisusedtoprovideDCpowertothemodifiedlaptoppowerbrick.Inthisdemonstrationremovedbatteryisvisibleplacenexttothelaptop（lowerright）.TheRFamplifieroutputtoDClaptopinputefficiencyis50%（whichincludestheefficiencyofthenon-optimizedrectifierandpowerbrick）
一个引人注目的使用场景是一个工作区设备如笔记本电脑，手机，和USB外设供电和充电的无缝数据是通过空气传播一样容易。
作为最后演示了这种无线电力系统的潜力，显示笔记本电脑不断的动力通过磁耦合谐振器。
这里的笔记本电脑电池删除和无线电力系统提供的所有运行所需的电源。
信号发生器，放大器和定向耦合器可以看到在背景（左上角）和一个由计算机重新控制。
放大器跳水相同的28厘米的发射回路和59厘米的发射线圈从早期的实验。
接收器放置0.7米的发射器和由一个较小的28厘米的线圈和一个30厘米的
升级会员 