[发明专利]一种无线电能传输系统平面折角型线圈设计方法

摘要

本发明提出一种无线电能传输系统平面折角型线圈设计方法，包括步骤：确定系统参数的输出指标、电路拓扑及方形线圈面积；建立原、副边线圈间互感和原、副边线圈内阻表达式，结合线圈机构效率表达式，得到效率和线圈匝数间关系，求得线圈机构效率最大时对应的最优线圈匝数；以原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈之间的互感值最大为目标问题，以线圈倒圆角的圆角半径和线圈边长为优化变量，建立优化模型，将最优线圈匝数代入优化模型，然后根据线圈倒圆角的圆角半径和线圈边长之间的关系求解优化模型，得到最优的圆角半径和线圈边长。本发明可以快速获得线圈的设计参数，提高线圈加工效率，提高线圈的抗偏移性能，从而提高系统性能。

主权项

1.一种无线电能传输系统平面折角型线圈设计方法，其特征在于，所述无线电能传输系统包括相互平行设置的原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈，原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈的结构和尺寸参数均相同；该方法包括步骤：(1)根据所述无线电能传输系统的应用场合，设置无线电能传输系统参数的期望输出指标，所述无线电能传输系统参数包括：系统工作频率ω、负载电压U_o、负载电流I_o、输出功率P_out、效率η以及电能传输距离h；确定无线电能传输系统的电路拓扑结构；初始化原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈均为等宽正方形单层平面螺旋线圈，且线圈宽度为W、面积为S；(2)建立原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈之间关于线圈匝数N的互感表达式M_coil(N)；(3)建立原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈内阻表达式：其中，R_p为原边能量发射线圈的内阻，R_s为副边能量拾取线圈的内阻，σ为利兹线中金属芯的导率，a为线圈利兹线截面半径，L_orig为线圈的边长；(4)根据电路拓扑结构建立线圈机构效率η的表达式：其中，R_e为电路拓扑结构的等效电阻；选取合适的线圈匝数N^*，使线圈机构的电能传输效率η_coil的值最大；(5)对方形线圈的折角作倒圆角设计：将步骤(4)中得到的线圈匝数N^*代入原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈之间的互感表达式；以原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈之间的互感值最大为目标问题，以线圈倒圆角的圆角半径R和线圈边长L_opt为优化变量，建立优化模型：所述优化模型满足以下限制条件：限制条件1：线圈的宽度W和面积S不变；限制条件2：线圈中任意两相邻圆角的相邻两端点共线，且这两个端点的切线始终共线；(6)根据线圈面积S，确定R与L_opt的关系式为：(7)根据R与L_opt的关系式对优化模型进行求解，得到最优的一组R和L_opt；(8)根据步骤(7)得到的R和L_opt以及线圈面积S、线圈匝数N^*，计算无线电能传输系统的负载电压、负载电流、输出功率以及效率，判断计算出的值是否满足相应的期望输出指标，若满足，则输出R、L_opt、S和N^*作为原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈的设计参数，所述方法结束；若不满足，则重新设置线圈的初始面积S，转入步骤(2)。