本实用新型涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种基于自激振荡电源的SS型电场耦合无线电能传输系统。
背景技术：
迄今为止，电能的主要传输方式是通过金属导线传输电能，通常需要两根及以上的导线为传导电流提供传输通道。传统的有线输电方式不仅需要大量的金属导线和复杂的架线工程，还不得不确保金属导线之间的绝缘要始终保持良好的状态，一旦发生短路等故障，就会因继电保护装置动作而造成停电事故，若保护装置失灵，则可能引起火灾、爆炸或触电等危险。而且这种有线输电方式还存在金属导体裸露、接触式电火花、老化、接触机构磨损等安全问题，在潮湿、水下、矿井、含易燃易爆气体的工作环境下，难以实现安全可靠的供电，且由于导线的束缚使得用电装置的灵活性大大降低。为了解决有线电能传输方式的局限性，无线电能传输的方式应运而生，不断被人们所重视，这种方式具有取电方便、节约金属资源和避免繁杂的架线工程等优点，同时解决了传统有线输电方式的缺陷。
电场耦合无线电能传输技术是目前研究最广泛的无线电能传输技术之一，相比较感应耦合无线电能传输技术而言，电场耦合无线电能传输技术可以实现同样等级的传输距离、输出功率和传输效率，但其能量传输形式是交互电场，能量的传输是将金属障碍物作为耦合极板的一部分来传输能量，而不被其所阻断，且电场基本被限制在耦合极板之间而存在，电磁干扰被大大减少。
目前，传统的空间电场耦合无线电能传输系统的传输效率受传输距离的影响较大，通常传输效率随着距离的增大而大大降低，不利于系统的实际应用。
而外加自激振荡电源的SS型电场耦合无线电能传输系统的工作频率由系统参数值所决定的，是系统的固有特征，因此这一频率称为特征频率，亦称本征频率。外加电源的自激振荡系统中，电源的工作频率不是固定的，而是随着系统参数的变化而保持工作在本征频率。并且在临界传输距离以内，系统的输出功率和传输效率在本征频率下均可以保持恒定。这些特征使得外加自激振荡电源的SS型电场耦合无线电能传输系统可以稳定的进行电能传输。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于自激振荡电源的SS型电场耦合无线电能传输系统，利用自激振荡电源对系统进行供电，使系统工作在本征频率下，当传输距离发生变化时，系统的频率会自动进行调节，在一定的较远传输距离内实现恒定高水平的传输效率，同时保持输出功率恒定，实现了稳定的电能传输。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：基于自激振荡电源的SS型电场耦合无线电能传输系统，所述系统包括自激振荡电源、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板和负载RL；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C1，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ1＝R1/2L1；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边谐振电容C2，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和副边线圈内阻R2，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ2＝R2/2L2；所述耦合电容金属极板连接原边谐振器和副边谐振器；
所述自激振荡电源与原边谐振器相连，其角频率随着系统参数的变化进行自动调节，且最后稳定在系统的本征角频率；
所述负载RL与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数ΓL＝RL/2L2；
所述原、副边谐振器通过它们之间的耦合电容金属极板产生的电场来实现相互耦合。
所述系统的本征角频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、电场耦合系数和原、副边谐振器的固有角频率确定。
所述原边谐振器的品质因数Q1＝ω1/2Γ1至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q2＝ω2/2Γ2至少大于100。
所述原、副边谐振器之间的耦合电容至少小于原边谐振电容C1和副边谐振电容C2一个数量级。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、系统结构简单，实现方式多样。
2、系统的输出功率和传输效率对传输距离的变化不敏感，可实现稳定的无线电能传输。
3、系统对传输距离变化响应更加迅速。
附图说明
图1为实施方式中提供的系统电路图。
图2为系统本征频率与传输距离的关系图。
图3为实施方式中原边谐振器电流与副边谐振器的电流波形图。
图4为实施方式中原边谐振器电压与副边谐振器的电压波形图。
图5为实施方式中原、副边之间耦合电容金属极板的电压波形图。
图6为实施方案中传输效率和传输距离的关系图。
图7为实施方案中输出功率和传输距离的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
本实用新型所提供的基于自激振荡电源的SS型电场耦合无线电能传输系统，其基本原理是利用自激振荡电源对系统进行供电，使系统工作在本征频率下，当传输距离发生变化时，系统的频率会自动进行调节，在一定的较远传输距离内实现恒定高水平的传输效率，同时保持输出功率恒定，实现了稳定的电能传输，不仅解决了传统的电场耦合无线电能传输系统的传输效率随距离的增大而迅速下降的问题，还保持了恒定的功率输出。
如图1所示，所述的SS型电场耦合无线电能传输系统，包括自激振荡电源uin、原边谐振器、副边谐振器、耦合电容金属极板C12和负载RL；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边谐振电容C1，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ1＝R1/2L1；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边谐振电容C2，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和副边线圈内阻R2，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ2＝R2/2L2；所述耦合电容金属极板C12连接原边谐振器和副边谐振器；
所述自激振荡电源uin与原边谐振器相连，其角频率随着系统参数的变化进行自动调节，且最后稳定在系统的本征角频率；
所述负载RL与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数ΓL＝RL/2L2；
所述原、副边谐振器通过它们之间的耦合电容金属极板C12产生的电场来实现相互耦合，电场耦合强度用电场耦合系数κ来表示。
所述原边谐振器的品质因数Q1＝ω1/2Γ1至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q2＝ω2/2Γ2至少大于100。
所述原、副边谐振器之间的耦合电容至少小于原边谐振电容C1和副边谐振电容C2一个数量级。
为了分析方便，令原边谐振器和副边谐振器的固有角频率、线圈内阻分别相等，即ω1＝ω2＝ω0，Γ1＝Γ2＝Γ0。系统的耦合模方程为
其中，a1、a2可以分别写成A1eiωt、A2eiωt，其中A1、A2分别为a1、a2的幅值。为反映外加激励源的电源系数，ω为系统的工作角频率。为电场耦合系数。为金属极板的耦合电容值。A为金属极板的面积。d为原、副边金属极板之间的距离。
由式(1)可求得本征频率值为
系统的模式解为
其中，
其中，系统的模式解中具有增益/衰减项导致模式a1和a2的模值发生改变。为了达到稳定，自激振荡电源会自动对g0进行调节，直至系统达到稳定。系统的稳定态分为两种情况：
当κ≥Γ0+ΓL时，令本征值的虚部为零，可以的到
g0＝2Γ0+ΓL (5)
可以得到系统稳定时的本征角频率为
则
系统的传输效率为
由(8)式可知，系统的传输效率和电场耦合系数κ无关，即传输距离改变时，系统的传输效率保持不变。
系统的输出功率为
由(9)式可知，系统的输出功率和电场耦合系数κ无关，即传输距离改变时，系统的输出功率保持不变。
另一种情况下，有κ＜Γ0+ΓL。令本征值的虚部为零，可以得到：
可以得到系统稳定时的本征角频率为
ω＝ω0 (11)
那么有
系统的传输效率为
系统的输出功率为
综上所述，系统的传输效率为
系统的输出功率为
由上述分析可知，若外加自激振荡电源提供的电能完全由原边谐振器内阻、副边谐振器内阻和负载吸收，即g0＝2Γ0+ΓL，当系统工作在κ≥Γ0+ΓL区域内，其工作频率为输出功率保持恒定不变，传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜Γ0+ΓL区域内，其工作频率为ω＝ω0，输出功率和传输效率均随发射电路与接收电路之间的电场耦合系数变化，分别为和
设原边谐振器和副边谐振器的固有频率为f0＝1MHz，直流电源的电压为Vin＝200V，原边电感和副边电感均为L0＝253μH，原边谐振电容和副边谐振电容均为C0＝100pF，金属极板的边长为1m，为了使参数合理化，假设原边线圈内阻和副边线圈内阻均为R0＝5Ω，负载电阻为RL＝50Ω。
本实用新型的基于自激振荡电源的SS型电场耦合无线电能传输系统的本征角频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、电场耦合系数和两谐振器的固有角频率确定。图2为系统本征频率与传输距离的关系图，可见电路仿真结果同理论分析在误差允许范围内是相符的。
图3、图4和图5分别为当传输距离为1米，耦合电容C12＝8.85pF时，原、副边谐振器的电流、电压和耦合电容C12的电压波形图。
由式(15)可得系统的传输效率与传输距离的关系曲线如图6所示。其中，离散实心圆表示电路仿真的结果。由图6可知，当系统工作在在κ≥Γ0+ΓL区域内，其工作频率为传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜Γ0+ΓL区域内，其工作频率为ω＝ω0，传输效率随发射电路与接收电路之间的电场耦合系数变化，为
由式(16)可得系统的输出功率与传输距离的关系曲线如图7所示。其中，离散实心圆表示电路仿真的结果。由图7可知，当系统工作在在κ≥Γ0+ΓL区域内，其工作频率为输出功率保持恒定不变，当系统工作在κ＜Γ0+ΓL区域内，其工作频率为ω＝ω0，输出功率随发射电路与接收电路之间的电场耦合系数变化，为
由上述分析可知，本实用新型的基于自激振荡电源的SS型电场耦合无线电能传输系统，在传输距离变化的情况下始终工作在本征频率，实现了频率的自动调节。并且在一定的距离范围内，系统可以保持输出功率和传输效率均恒定，实现稳定的电能传输。相比较传统的电场耦合无线电能传输系统，本实用新型具有结构简单、响应速度快，实现方法多样的优点，值得推广。
以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。