[发明专利]抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法

摘要

本发明公开了一种抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法，属于无线电能传输设备技术领域。本发明的技术方案要点为：根据充电目标确定接收端单向线圈大小，根据电源确定发射端正向线圈和方向线圈大小；根据互感公式确定发射端正向线圈和反向线圈之间的匝数比，对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感随传输距离变化曲线的平坦程度选取合适的匝数；然后利用两个可调电容C₁、C₂将发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率。本发明采用正反向串联线圈作为WPT/MRC系统的发射端线圈能有效抑制WPT/MRC在过耦合区的频率分裂现象的产生。

主权项

1.抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法，其特征在于：装置包括信号发生器、功率放大器、由内外同轴设置的反相线圈和正向线圈组成的发射端正反向串联线圈、接收端单向线圈、可调电容C₁、可调电容C₂和负载，其中发射端正反向串联线圈与接收端单向线圈之间预留间隔后相对同轴设置，所述信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的正向输出端与可调电容C₁的一端连接，可调电容C₁的另一端与正向线圈的一端连接，正向线圈的另一端与反向线圈的一端连接，反向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接，所述单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，单向线圈的另一端与可调电容C₂的一端连接，可调电容C₂的另一端与负载的负向输入端连接，所述发射端正向线圈和反向线圈及接收端单向线圈均为螺旋圆形线圈、螺旋矩形线圈或螺旋椭圆形线圈；具体设计过程为：根据实际应用中充电目标的尺寸确定接收端单向线圈的大小即接收端单向线圈的半径和匝数；由激励源确定发射端正向线圈和反向线圈的半径；根据互感公式确定发射端正向线圈和反向线圈之间的匝数比，其中设定接收端单向线圈的半径为r_R，匝数为n_R，设定发射端正反向串联线圈的正向线圈的半径为r_T^f，反向线圈的半径为r_T^r，通过两单匝圆线圈之间的互感公式：求出发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的互感：式中，μ₀为真空磁导率，r₁和r₂分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；n_T^f和n_T^r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，n_R是接收端单向线圈的匝数，r_T^f和r_T^r分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，r_R是接收端单向线圈的半径，D_ij是发射端正向线圈或反向线圈的第i匝和接收端单向线圈的第j匝之间的距离，D为发射端正向线圈或反向线圈中心点与接收端单向线圈中心点之间的距离；通过求M(D)关于D的微分，得出公式：根据发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈的结构，在确定发射端正向线圈和反向线圈的半径后求出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比；根据发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线的平坦程度确定发射端正向线圈和反向线圈的匝数，以满足无线电能传输系统之间最优传输调节，其中选取发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线最平坦所对应的发射端正向线圈和反向线圈的匝数作为最优设计匝数；然后利用可调电容C₁和可调电容C₂将发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率即完成用于无线电能传输的抑制频率分裂的发射端正反向串联线圈的设计；所述发射端正向线圈和反向线圈的匝数具体确定过程为：首先求出当正向线圈单独作为发射线圈时频率分裂点位置D_S，将D＝D₁＝D_S/2带入匝数比公式，可以求出反向线圈的匝数，对反向线圈的匝数进行变动，根据公式：确定发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦；经过一系列对比可以得出，通过公式求出的反向线圈匝数为最优值，式中，D₀为发射端正反向串联线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的初始距离，D₁为发射端正反向串联线圈与接收端单向线圈之间互感取最大值时发射端正反向串联线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的距离。