技术摘要：
本发明提出一种定频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法，本发明发现不论传输距离近还是传输距离远系统都是在本征频率处取得最大能效，且当本征频率为实数的时候各本征态相互正交，MC‑WPT系统中各电流相位刚好相差180度，系统抗干扰能力强。基于这个特性，本  全部
背景技术：
MC-WPT技术实现了电能从电源侧到用电设备端的无电气连接传输。由于电源端和 负载端的电气隔离，该技术具有安全、可靠、灵活等优势，目前已广泛应用于家用电器、生物 医学、电动汽车等领域。 目前MC-WPT系统的工作模式常用有两类：一类是ICPT模式，就是将副边电路设置 为谐振状态，通过调整原边补偿电容使得系统工作在零相角频率处；另一类就是将系统中 各个电路的固有频率设置为一致，通过整定磁场激励频率使得其等于设置的电路固有频 率，以保证每个电路都处于谐振状态，这也就是常说的“共振耦合模式”。但众所周知，这两 种工作模式的有效传能范围十分有限，原因在于：ICPT模式传输距离十分有限，系统的能效 会随传输距离增大而急剧降低，因而ICPT模式只适用于近距离传能；MIT提出的“共振耦合” 模式能够实现中程距离传能，但一旦接收端偏离最佳传能距离或者传能方位，系统的能效 就会急剧降低，甚至会表现出随传输距离减小而降低的特性，这也就是常说的频率分裂现 象。 针对MC-WPT系统空间能力低下的问题，目前的理论研究主要集中在MC-WPT系统拓 扑结构、磁耦合机构、系统参数优化设计及控制等方面，其主要目的就是通过优化控制相应 的参数，提升系统的能效和空间能力。但由于现有工作模式原理限制等问题，这些方法对系 统能效和空间能力的提升效果有限。极其有限的空间能力极大程度上限制了MC-WPT系统的 推广应用，是目前亟待解决的一个基础性科学问题。
技术实现要素：
发明目的：针对磁耦合无线电能传输(Magnetic  coupling  wireless  power  transfer，MC-WPT)系统常用工作模式只能在特定范围内实现高效传能的问题，本专利提出 了一种定频实本征态磁耦合无线电能传输系统及其设计方法，通过保证系统始终工作在系 统的实本征态，能够实现一定传输距离以及方位内高效能量传输。 技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案： 定频实本征态磁耦合无线电能传输系统，包括原边RLC回路和副边RLC回路，所述 系统的等效电路的数学模型为： 其中，R1＝Rp1，Rp1为原边RLC回路的等效串联电阻；L1、C1分别表示发射线圈自感和 补偿电容，u1表示补偿电容C1两端的电压， 表示u1的一阶导数， 表示u1的二阶导数，v1表 3 CN 111725900 A 说　明　书 2/6 页 示原边RLC回路的电源电压；R2＝Rp2 RL，Rp2表示副边RLC回路的等效串联电阻，RL表示负载 电阻；L2、C2分别表示副边RLC回路的接收线圈自感和补偿电容，M表示发射线圈L1和接收线 圈L2之间的互感，u2表示补偿电容C2两端的电压， 表示u2的一阶导数， 表示u2的二阶导 数； 记 则所述定频实本征态磁耦合 无线电能传输系统的参数满足： 其中，k为耦合系数，ω为所述定频实本征态磁耦合无线电能传输系统的励磁频 率； 此时，所述定频实本征态磁耦合无线电能传输系统的磁场激励频率不会随耦合强 度变化而变化，即工作在定频实本征模态。 本发明还提出一种定频实本征态磁耦合无线电能传输系统的设计方法，包括以下 步骤： (1)根据实际线圈，确定发射线圈自感L1、接收线圈自感L2、原边RLC回路的等效串 联电阻内阻Rp1和副边RLC回路的等效串联电阻内阻Rp2的值； (2)确定传输距离d，根据实际线圈和线圈相对方位确定线圈的互感M，根据 计算出耦合系数k； ( 3 ) 根 据实际 频 段 要求 ，确定 系统 工 作的 磁 场激 励频 率 ω ，再 根 据 设置电容补偿电容C1、C2； (4)根据 计算出r2，进而根据 计算出r1； (5)根据 计算出R1，也即Rp1； (6)根据步骤(1)至(5)确定的电路参数搭建磁耦合无线电能传输系统，所述无线 电能传输系统工作在定频实本征态，且磁场激励频率固定不变。 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势： 1)传输效率高，传能空间范围广。相较于传统MC-WPT系统只能在特定空间范围内 实现高效能量传输，本文提出的定频实本征态无线电能传输系统能在一定距离内实现高效 能量传输； 2)通过本发明实现的定频实本征态无线电能传输系统的各本征态相互正交，本征 态无线电能传输系统中各电流相位相差180度，抗干扰能力强。 4 CN 111725900 A 说　明　书 3/6 页 附图说明 图1为本发明实施例涉及的定频实本征态无线电能传输系统的等效电路图； 图2为本发明实施例涉及的定频实本征态无线电能传输系统与现有的MIT共振无 线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统进行性能比对的示意图，图中为当耦合 系数k从0.3以0.001的步长逐渐增加到0.9，定频实本征态无线电能传输系统的输出功率与 MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统的传输功率的对比曲线； 图3为本发明实施例涉及的定频实本征态无线电能传输系统与现有的MIT共振无 线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统进行性能比对的示意图，图中为当耦合 系数k从0.3以0.001的步长逐渐增加到0.9，定频实本征态无线电能传输系统的传输效率与 MIT共振无线电能传输系统、传统频率跟踪无线电能传输系统的传输效率的对比曲线。