CN102611210B - 无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，将无线电能传输系统设计成由两组线圈组成，根据给定的系统谐振工作频率ω、传输距离d、线圈最大直径D_max、负载R_L和传输的功率P_L，确定绕制两组线圈的导线半径值、匝间距值和线圈匝数。采用本发明方法制造出来的线圈用于无线电能传输系统能有效提高电能的传输效率，解决了无线电能传输系统一种谐振器线圈设计的优化问题。

Description

无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输系统谐振器的设计，适用于移动设备，电动汽车等需无线供电的领域。

背景技术

目前无线电能传输技术在植入式医疗设备、家电、移动设备、电动汽车的无线充供电中得到广泛的研究与应用。而无线电能传输系统之所以能实现远距离的传输，离不开发射线圈和接收线圈的高Q值 (品质因数)，以及两线圈间的有效耦合，因此设计具有高品质因数的发射和接收线圈是系统线圈设计的关键。

迄今为止，磁耦合谐振式无线电能传输系统中关于谐振线圈的设计尚未有一套完善的优化解决方案。在给定谐振频率ω下，线圈的电感L和电容值C需满足频率条件ω=1/sqrt(LC)即可，一般绕制的发射和接收线圈只要电感值满足频率条件，并未太多考虑线圈自身的参数特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足之处，提出一种平面谐振器的设计方法，根据给定的系统工作频率和传输距离以及负载特性，设计谐振器线圈使得两线圈的互感与内阻比达到最大，实现系统的最大强度耦合，以及最小衰减率的目的，从而实现系统传输效率的最优化。

本发明为解决以上技术问题采用的技术方案如下：

一种无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，所述盘式谐振器由两组互感线圈组成，包括以下步骤：

步骤A、根据给定的系统参数，并结合无线电能传输系统的特性，选取绕制线圈的导线半径值a； 

步骤B、根据步骤A确定的线圈导线半径a、线圈总体约束条件、导线电压绝缘等级，确定绕制线圈的匝间距值dx；

步骤C、将两互感线圈间的互感与单个线圈内阻之比最大时所对应的线圈匝数，最终确定的线圈绕制的匝数N。

进一步的，本发明的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，步骤A中所述给定的系统参数包括：接收线圈的负载R _L和传输功率P _L，所述绕制线圈的导线半径值a的确定方法为：

    根据计算公式I=sqrt( P _L  / R _L)得到流过负载R _L的电流值I，根据该电流值I的3~5倍作为参考值选取绕制线圈的导线半径值a。

进一步的，本发明的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，步骤B所述匝间距值dx的确定方法为：

步骤b1、根据公式U≈QIR _L，计算求得线圈两端的感应电压U；其中Q是线圈的品质因数，R _L是接收线圈的负载，I代表流过R _L的电流值；

步骤b2、按不小于线圈导线的半径选取线圈的匝间距dx的初始值，根据线圈总体约束条件，即线圈的最大直径D_max估计出线圈匝数N _max ；其中匝数N _max 的选取应满足以下条件：

①满足2N _max  (dx+2a)小于系统给定的线圈最大直径D_max；

②匝间电压U/N _max 不低于所选取的导线所能承受的电压绝缘等级；

步骤b3、从上述初始值开始，依次增加匝间距，直到匝间距的选取同时满足步骤b2所述的两个条件为止。

进一步的，本发明的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，所述匝间距为等间距。

进一步的，本发明的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，所述品质因数Q为1000。

进一步的，本发明的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，步骤C所述线圈匝数N的确定步骤具体如下：

步骤c1、设定线圈匝数N的理论范围为：                                                ；

其中：D_max是系统给定的线圈最大直径，a为步骤A确定的导线半径、dx为步骤B确定的线圈匝间距参数； 

步骤c2、在上述线圈匝数N的理论范围内选取数值分别代入以下关于线圈互感M与线圈内阻R的公式进行计算，当代入的线圈匝数N计算出的线圈互感M与线圈内阻R的比值最大时，该线圈匝数N即为最终确定的线圈绕制匝数；

，

；

式中σ为所选的线圈绕制材料的电导率，μ ₀为真空磁导率率，ω是系统给定的谐振工作频率，d是系统给定的传输距离，r _avg是线圈的等效半径；r _avg=D_max/2-N(2a+dx)/2。

进一步的，本发明的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，所述线圈为电导率高的金属材料制作。

进一步的，本发明的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，所述线圈为铜材料制作。

进一步的，本发明的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，所述线圈为平面螺旋线圈。

进一步的，本发明的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，所述平面螺旋线圈为圆形或方形。

本发明采用以上技术方案具有以下技术效果：

采用本发明方法制造出来的线圈用于无线电能传输系统能有效提高电能的传输效率，解决了无线电能传输系统一种谐振器线圈设计的优化问题。

附图说明

图1 为平面盘式谐振器的示意图；

图中符号说明：D_max-线圈最大直径，dx-线圈匝间距。

图2 为无线电能传输系统的模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

图1给出了本发明所涉及的无线电能传输系统用平面谐振器（平面螺旋线圈）的一种形状，即圆形平面螺旋线圈。谐振器线圈的绕法以圆形螺旋线圈和方形螺旋线圈为主，同时这两种绕法还分为空间螺旋以及平面螺旋；空间螺旋适用于对线圈轴向距离要求不严格的场合，而平面螺旋则应用于对线圈轴向距离有限制的场合，如以面板式设备的无线充电或供电上，为了最大限度的利用设备的自身特性，尽可能的减小设备的厚度，多采用平面螺旋的设计结构。方形线圈平面螺旋的设计方法和形状与图1所示的基本相同，这里不再列出。为了降低谐振器线圈的内阻，绕制线圈导线一般选用电导率高的金属材料，例如银、铜等。在综合考虑成本等问题下，一般多选用铜材料制作线圈。

图2为该无线电能传输系统的模型，其中发射和接收线圈的等效电感分别为L ₁、L ₂，等效电容为C ₁、C ₂；R为单个线圈的等效内阻，系统的等效负载为R _L，线圈互感为M。在发射线圈和接收线圈参数一致，且满足系统谐振工作ω=1/sqrt(L ₁ C ₁) =1/sqrt(L ₂ C ₂) 的情况下。根据以下模型求得得到系统的传输效率为：

       

根据上式所示的关系，可知系统的传输效率与线圈的互感，等效内阻紧密相关。在给定传输距离以及工作频率下则表现为尽量减小单个线圈的等效内阻R以及最大限度的增加线圈间的耦合，因此最终表现结果为寻求M / R的最大值。因此，线圈的设计应使得在系统给定的条件下M / R到达最大，在线圈的设计过程中则表现为选取合适的匝数以及匝间距，使得上述条件满足。

本设计方法具体包括三个步骤： 

1.选取绕制线圈的导线半径。根据给定的系统参数（工作频率、要传输效率（功率）、大概线圈尺寸以及传输距离和负载大小），并结合无线电能传输系统的特性，最终确定绕制线圈的导线半径。

2.确定匝间距。根据线圈的导线半径，线圈总体约束条件，导线电压绝缘等级,选择合适的匝间距。 

3.确定最终线圈绕制的匝数。线圈选择的最终绕制匝数的确定，是使设计的两线圈间互感和单个线圈内阻比最大时所对应的匝数。

具体可按照以下步骤进行实施： 

1.选取绕制线圈的导线半径：在给定的系统原始参数，如系统谐振工作频率ω、传输距离d、线圈最大直径Dmax、负载R _L和传输的功率P _L下，根据计算公式I=sqrt( P _L  / R _L)，得到流过负载的电流，同时也是通过接收线圈的电流大小I；根据该电流值可作为参考值选取绕制线圈的导线半径a，由于一般的导线额定电流值都是在50Hz/60Hz情况下定义的，当作为绕制天线材料使用时其通入的工作电流频率远大于50Hz/60Hz，约为4~25倍，导致高频率下的集肤效应明显以及有效工作截面远小于额定值。一方面为了弥补高频下的集肤影响造成的导体有效工作面减小（集肤深度与频率的平方根成正比），另一方面减小导线自身的内阻（内阻与导体截面积成反比），导线半径a一般的按可通过电流大小的3~5倍选取。

2.确定匝间距：确定目的是使得所绕制的线圈满足电气绝缘条件，不发生电气击穿等现象。具体操作如下：线圈的匝间距dx初始值先按不小于线圈导线的半径选取，同时根据线圈的最大直径Dmax估计出线圈最大匝数Nmax，匝数的选取满足2Nmax(dx+2a)小于线圈最大直径Dmax。根据公式U≈QIR _L，计算求得线圈两端的感应电压。其中Q是线圈的品质因数，约为几百到1000左右，为了安全起见，取Q=1000。在满足2Nmax(dx+2a)小于线圈总体约束条件下，匝间的电压U/Nmax应不低于所选取的导线所能承受的电压等级U _N，所述的绝缘电压等级为所选取导线外绝缘层所能承受的最高电压值，与所选用绕制线圈材料的绝缘处理等级有关，可根据相关的数据手册得到。同时为了避免线圈匝间的发生高压击穿，所述的匝间距应不低于匝间电压等级下的最小电气安全距离。当不能同时满足条件，应相应的调整匝间距，重复以上设计过程直到匝间距的选取满足条件为止。由于等距离螺旋线圈绕制方法简单，匝间的高压绝缘较容易处理，所确定的匝间距为等距离间距。

3.确定最终匝数：根据选取的线圈匝间距dx以及线圈最大直径Dmax以及约束条件计算线圈的理论范围： 。

可以得到所述的线圈的等效半径r _avg=Dmax/2-N(2a+dx)/2，在上述线圈匝数N的理论范围内选数值进行计算，使线圈互感

与线圈内阻

比值达到最大，式中σ为所选的线圈绕制材料的电导率，μ ₀为真空磁导率率。当所述的线圈互感M与线圈内阻R的比值最大时选取的匝数N为所要的绕制匝数。

Claims (9)

1.一种无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，所述盘式谐振器由两组互感线圈组成，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、根据给定的系统参数，并结合无线电能传输系统的特性，选取绕制线圈的导线半径值a； 

步骤B、根据步骤A确定的线圈导线半径a、线圈总体约束条件、导线电压绝缘等级，确定绕制线圈的匝间距值dx；具体如下：

步骤b1、根据公式U≈QIR _L，计算求得线圈两端的感应电压U；其中Q是线圈的品质因数，R _L是接收线圈的负载，I代表流过R _L的电流值；

步骤b2、按不小于线圈导线的半径选取线圈的匝间距dx的初始值，根据线圈总体约束条件，即线圈的最大直径D_max估计出线圈匝数N _max ；其中匝数N _max 的选取应满足以下条件：

①满足2N _max  (dx+2a)小于系统给定的线圈最大直径D_max；

②匝间电压U/N _max 不低于所选取的导线所能承受的电压绝缘等级；

步骤b3、从上述初始值开始，依次增加匝间距，直到匝间距的选取同时满足步骤b2所述的两个条件为止；

步骤C、将两互感线圈间的互感与单个线圈内阻之比最大时所对应的线圈匝数，最终确定的线圈绕制的匝数N。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，其特征在于：步骤A中所述给定的系统参数包括：接收线圈的负载R _L和传输功率P _L，所述绕制线圈的导线半径值a的确定方法为：

根据计算公式I=sqrt(P _L /R _L)得到流过负载R _L的电流值I，根据该电流值I的3至5倍作为参考值选取绕制线圈的导线半径值a。

3.根据权利要求1所述的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，其特征在于：所述匝间距为等间距。

4.根据权利要求1所述的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，其特征在于：所述品质因数Q为1000。

5.根据权利要求1所述的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，其特征在于：步骤C所述线圈匝数N的确定步骤具体如下：

步骤c1、设定线圈匝数N的理论范围为：                                                

；

其中：D_max是系统给定的线圈最大直径，a为步骤A确定的导线半径、dx为步骤B确定的线圈匝间距参数； 

步骤c2、在上述线圈匝数N的理论范围内选取数值分别代入以下关于线圈互感M与线圈内阻R的公式进行计算，当代入的线圈匝数N计算出的线圈互感M与线圈内阻R的比值最大时，该线圈匝数N即为最终确定的线圈绕制匝数；

，

；

式中σ为所选的线圈绕制材料的电导率，μ ₀为真空磁导率率，ω是系统给定的谐振工作频率，d是系统给定的传输距离，r _avg是线圈的等效半径；r _avg=D_max/2-N(2a+dx)/2。

6.根据权利要求1所述的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，其特征在于：所述线圈为电导率高的金属材料制作。

7.根据权利要求5或6所述的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，其特征在于：所述线圈为铜材料制作。

8.根据权利要求1所述的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，其特征在于：所述线圈为平面螺旋线圈。

9.根据权利要求8所述的无线电能传输系统中盘式谐振器的设计方法，其特征在于：所述平面螺旋线圈为圆形或方形。

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