[发明专利]磁耦合共振高效电能传输线圈设计方法

摘要

本发明公开了一种磁耦合共振高效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。本发明近距离时正反向串联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈能有效抑制频率分裂现象的产生；远距离时正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统的高效率传输。

主权项

磁耦合共振高效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、开关g、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，反向线圈与开关g并联连接，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；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rR，匝数为nR，设定发射端正反向串联线圈的正向线圈的半径为rTf，反向线圈的半径为rTr，通过两单匝圆线圈之间的互感公式：M(r1,r2,d)=μ0r1r22k[(1-k22)K(k)-E(k)]k=4r1r2(r1+r2)2+d2]]>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：M(D)=Σi=1nTfΣj=1nRM(rTf,rR,Dij)-Σi=1nTrΣj=1nRM(rTr,rR,Dij)Dij=D+(j-i)a+(j-i)p]]>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；nTf和nTr分别是正向线圈和反向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈匝数，rTf和rTr分别是正向线圈和反向线圈的半径，rR是接收端单向线圈半径，Dij是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为正向线圈或反向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离，a为导线半径，p为节距，密绕线圈节距p为0，可忽略不计；通过求M(D)关于D的微分得出公式：求出当正向线圈单独作为发射线圈时频率分裂点位置Ds，将D＝D1＝Ds/2带入上式，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曲线随距离变化的平坦程度，v越小则表示互感变化曲线越平坦，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反向线圈的匝数作为最优设计匝数，式中，D0为发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感取最大值时两线圈间的距离；求出正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统传输效率达到最高时，发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的距离为：其中a为导线半径，μ0为真空磁导率，ω为角频率，σ为磁导率，rTf为正向线圈的半径，rR为接收端单向线圈半径；当传输距离小于Dm时，正反向串联线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统的传输效率高于正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统传输效率，故使用正反向串联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，用来抑制频率分裂，实现系统的高效率传输；当传输距离大于Dm时，正反向串联线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统的传输效率低于正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统传输效率，故闭合开关g将反向线圈进行短路，使用正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统高效率传输；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磁耦合共振高效电能传输线圈的发射端正反向串联线圈的设计。