CN107482793A - 抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法 - Google Patents

抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法，根据实际应用中充电目标的尺寸确定接收线圈的大小确定接收线圈的半径和匝数；由激励源确定发射端正向线圈和反向线圈的半径；根据发射端正反向并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，然后调谐电容，将收发线圈调谐在所用工作频率实现制造。本发明发射端正反向并联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈能有效抑制WPT/MRC频率分裂现象的产生。

Description

抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法
技术领域
本发明属于无线电能传输设备技术领域，具体涉及一种抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法。
背景技术
随着科技的日新月异，各种各样民用电子产品如手机、数码相机、数字音乐播放器等大量的出现在人们的日常生活中，给我们的生活带来了诸多的便利，同时也存在诸多问题，现今手机功能增多，这些功能在手机中的植入必将造成手机功耗的增加，而各个电子设备所使用的充电装置相互间不通用，都是电源通过有线的方式连接到与各设备相互匹配的接口为电池进行充电。因此，为了克服传统的有线充电方式的缺陷，采用新型的无线或无接触电能传输方式将是未来充电技术发展的趋势。
无线充电技术是对传统电能传输的一次技术革新，使得各个充电设备避免了通过有线的方式连接到充电设备上所给充电过程带来的麻烦和存在的不安全隐患。近几年来，磁耦合谐振式无线电能传输一直是国内外研究的热点。从磁耦合感应式无线电能传输的观点来看，随着距离的减小，传输效率增大，但是在磁耦合谐振式无线电能传输中，当传输距离减小到一定的程度后，原谐振频率处的效率却随之减小，而增大或减小系统供电频率可以提高效率，这一现象表明谐振系统的频率在近距离时发生了分裂。所谓的频率分裂具体指的是在多线圈传输结构中，随着传输距离的减小，传输效率-频率曲线出现了多个峰值。
为解决频率分裂现象导致的电能传输效率降低的问题，现需通过频率跟踪、阻抗匹配或优化线圈的方法来抑制频率分裂的影响，从而提高电能传输效率。频率跟踪技术是通过在磁耦合谐振式无线电能传输系统中附加高频电流检测器、差分放大器、相位补偿器、锁相线圈等一系列复杂的电路来实现对发射回路谐振频率的跟踪控制，进而抑制频率分裂。但是，这些附加的电路会使系统变得复杂，也会消耗额外的能量。阻抗匹配方法是在磁耦合谐振式无线电能传输系统中使用可调阻抗匹配网络来抑制频率分裂，但是需要逆变电路、反馈电路、控制电路等根据传输的距离来调整匹配阻抗。此外，还可以通过改变线圈结构的方式抑制频率分裂，这种方法无需在系统中添加额外复杂电路，便于操作且简单易行。
发明内容
本发明为了实现在系统中不附加额外复杂电路、消耗多余能量的同时，能够有效抑制WPT/MRC中出现的频率分裂，从而提出了一种应用于无线电能传输的抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法，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向线圈和正向线圈组成的发射端正反向并联线圈、接收端单向线圈、可调电容C1、可调电容C2和负载，其中发射端正反向并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，功率放大器的信号输出端与可调电容C1的一端连接，可调电容C1的另一端分别与发射端正向线圈和反向线圈的一端连接，发射端正向线圈和反向线圈的另一端分别与功率放大器的负向输出端连接，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，接收端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，设定发射端正反向并联线圈的正向线圈的半径为rT f，反向线圈的半径为rT r；
线圈自感公式为：
式中，μ0为真空磁导率，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为导线半径；
两单匝圆线圈之间的互感公式为：
式中，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；
求出发射端正向线圈的自感为：
发射端反向线圈的自感为：
式中，rT f和rT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，nT f和nT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，a为导线的半径；
发射端正向线圈与接收端单向线圈之间的互感：
反射端反向线圈与接收端单向线圈之间的互感：
根据电路理论求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感为：
式中，nT f和nT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈的匝数，rT f和rT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，rR是接收端单向线圈的半径，Dij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与接收端单向线圈中心点之间的距离，LT r和LT f分别是发射端正向线圈和反向线圈的自感，Mfr是发射端正向线圈和反向线圈之间的互感，Mf(D)和Mr(D)分别是发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感与发射端反向线圈和接收端单向线圈之间的互感；
通过求M(D)关于D的微分，得出公式：
根据发射端正反向并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；
对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式：
确定发射端正反向并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，根据发射端正反向并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并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，式中，D0为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为发射端正反向并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并联线圈与接收端单向线圈之间的距离；
利用可调电容C1和可调电容C2分别将发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率即完成应用于无线电能传输的可抑制频率分裂的正反向并联线圈的设计。
进一步优选，所述接收端单向线圈的半径rR和匝数nR的设定标准根据实际充电目标确定，发射端正反向并联线圈的正向线圈半径rT f和反向线圈半径rT r的设定标准根据信号源确定。
进一步优选，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。
本发明获得的有益效果：发射端正反向并联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈能有效抑制WPT/MRC频率分裂现象的产生。
附图说明
图1是WPT/MRC系统的结构示意图；
图2是WPT/MRC系统的等效电路图；
图3是发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈的结构示意图；
图4是组件参数图；
图5是发射端正向线圈作为发射线圈的无线电能传输系统传输效率随频率、收发线圈间距离变化的关系示意图；
图6是发射端正反向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输系统传输效率随频率、收发线圈间距离变化的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法进行说明。
图1是WPT/MRC系统的结构示意图，如图1所示，WPT/MRC系统包括发信号发生器、功率放大器、发射线圈(由正向线圈和反向线圈组成的正反向并联线圈)、接收线圈(单向线圈)、可调电容C1和可调电容C2和负载。
图2是WPT/MRC系统的等效电路图，如图2所示，发射端正向线圈电感为Lt f，发射端反向线圈电感为Lt r，接收端单向线圈电感为Lr；发射端正向线圈与反向线圈之间的互感为Mfr，发射端正向线圈与接收端单向线圈之间的互感为Mf(D)，发射端反向线圈与接收端单向线圈之间的互感为Mr(D)；等效之后，发射端正反向并联线圈的电感为Lt，发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感为M(D)。
图3是发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈的结构示意图。如图3所示，发射端为正反向并联线圈，接收端为单向线圈。发射端正反向并联线圈由正向线圈和反向线圈组成，正向线圈和反向线圈的绕线方向相反，正向线圈和反向线圈组成正反向并联线圈；接收端单向线圈的绕线方向和发射端正向线圈的绕线方向相同，和发射端反向线圈的绕线方向相反。
线圈自感公式为：
式中，μ0为真空磁导率(4π×10-7H/m)，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为导线半径。
两单匝圆线圈之间的互感公式为：
式中，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。
求出发射端正向线圈的自感为：
反向线圈自感为：
式中，rT f和rT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，nT f和nT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，a为导线的半径。
发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感：
发射端反向线圈与接收端单向线圈之间的互感：
根据图2和电路理论求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感为：
式中，nT f和nT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈匝数，rT f和rT r分别是发射端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与接收端单向线圈中心点之间的距离；LT r和LT f分别是发射端正向线圈和反向线圈的自感；Mfr是发射端正向线圈和反向线圈之间的互感；Mf(D)和Mr(D)分别是发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感与发射端反向线圈和接收端单向线圈之间的互感。
通过对式(5)的微分得出式(6)：
其中：
根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈的结构，在确定发射单正向线圈和反向线圈的半径后，可以求出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比。
对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式：
确定发射端正反向并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；综合考虑后，得出发射端向线圈优化匝数nT f和反向线圈优化匝数nT r。式中，D0为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间互感取最大值是发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间的距离。
根据磁耦合谐振式无线能量传输系统的传输特性可以用传输系数S21来表示，传输效率用η来表示。
η＝|S21|2×100％ (9)
当系统工作于线圈谐振频率时，传输系数S21可以简化为(10)式：
由公式(10)可以看出，传输系数S21是关于互感和频率的函数，所以在固定工作频率下得到平坦的效率变化曲线，可以通过平坦的互感变化曲线来实现。因此，对于线圈的优化设计是非常重要的。
图4给出了组件参数。
图5是发射端正向线圈作为发射线圈的无线电能传输系统传输效率随频率、收发线圈间距离变化的关系示意图。如图5所示，单独使用发射端正向线圈作为发射线圈，WPT/MRC系统在近距离传输时出现明显的频率分裂现象，系统在谐振频率出得传输效率明显降低。
图6是发射端正反向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输系统传输效率随频率、收发线圈间距离变化的关系示意图。如图6所示，使用由发射端正向线圈和反向线圈组成的正反向并联线圈作为发射线圈，WPT/MRC系统传输效率总是在谐振频率处最高，没有发生频率分裂现象。
通过对比图5和图6可以得出发射端正反向并联线圈作为发射线圈的无线电能传输系统可以很好的抑制频率分裂现象的发生。
总结上面抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法，可以总结成如下设计步骤：
1、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反向线圈大小；
2、求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感，即求出(5)，通过对(5)的微分得出(6)，求出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比，对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据发射端正反向并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选取合适的匝数；
3、然后利用可调电容，将收发线圈调谐在所用工作频率。
本发明的有益效果为：通过理论计算可知，发射端正反向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统可以有效抑制频率分裂现象的发生，并且可以使WPT/MRC系统在近距离内进行高效率能量传输。

Claims (3)

1.抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法，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向线圈和正向线圈组成的发射端正反向并联线圈、接收端单向线圈、可调电容C1、可调电容C2和负载，其中发射端正反向并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，功率放大器的信号输出端与可调电容C1的一端连接，可调电容C1的另一端分别与发射端正向线圈和反向线圈的一端连接，发射端正向线圈和反向线圈的另一端分别与功率放大器的负向输出端连接，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，接收端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，设定发射端正反向并联线圈的正向线圈的半径为rT f，反向线圈的半径为rT r；
线圈自感公式为：
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式中，μ0为真空磁导率，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为导线半径；
两单匝圆线圈之间的互感公式为：
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式中，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；
求出发射端正向线圈的自感为：
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发射端反向线圈的自感为：
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式中，rT f和rT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，nT f和nT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，a为导线的半径；
发射端正向线圈与接收端单向线圈之间的互感：
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反射端反向线圈与接收端单向线圈之间的互感：
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根据电路理论求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感为：
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式中，nT f和nT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈的匝数，rT f和rT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，rR是接收端单向线圈的半径，Dij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与接收端单向线圈中心点之间的距离，LT r和LT f分别是发射端正向线圈和反向线圈的自感，Mfr是发射端正向线圈和反向线圈之间的互感，Mf(D)和Mr(D)分别是发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感与发射端反向线圈和接收端单向线圈之间的互感；
通过求M(D)关于D的微分，得出公式：
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根据发射端正反向并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；
对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式：
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确定发射端正反向并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，根据发射端正反向并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并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，式中，D0为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为发射端正反向并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并联线圈与接收端单向线圈之间的距离；
利用可调电容C1和可调电容C2分别将发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率即完成应用于无线电能传输的可抑制频率分裂的正反向并联线圈的设计。
2.根据权利要求1所述的抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法，其特征在于：所述接收端单向线圈的半径rR和匝数nR的设定标准根据实际充电目标确定，发射端正向线圈半径rT f和反向线圈半径rT r的设定标准根据信号源确定。
3.根据权利要求1所述的抑制频率分裂的正反向并联线圈设计方法，其特征在于：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。
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