CN107482794B - 一种用于无线电能传输的变径线圈设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线电能传输的变径线圈设计方法，包括以下步骤：设定基本参数：根据应用要求设置传输线圈的基本参数；确定匝间距pitch：先确定pitch的变化范围，根据不同pitch值对线圈互感M的影响，选取符合约束条件的pitch值；确定与基本参数匹配的最佳半径变化量Δr：根据不同Δr值对传输效率η值的影响，确定最佳Δr值。本发明通过以上步骤可以较精确的设计出在传输距离内实现高效率传输的线圈。

Description

一种用于无线电能传输的变径线圈设计方法

技术领域

本发明属于无线电能传输设备技术领域，具体涉及一种用于无线电能传输的变径线圈设计方法。

背景技术

无线电能传输又称非接触电能传输，借助于空间无形软介质(如电场、磁场、微波等)实现将电能由电源端传递至用电设备的一种供电模式，是一种有效、安全的电能传输技术。该技术不仅在军事、航空航天、油田矿井、水下作业、工业机器人、电动汽车、无线传感器网络、医疗器械等领域具有重要的应用价值，而且对电磁理论的发展也具有重要科学研究价值和实际意义。

根据传输原理，无线电能传输大致上可以分为三类：电磁感应式无线电能传输、微波式无线电能传输、磁耦合谐振式无线电能传输。多年来国内外的科学家在无线电能传输技术方面执着地开展了很多探索研究工作，但进展缓慢。近几年，磁耦合谐振式无线能量传输技术作为一种新兴的无线电能传输技术迅速发展起来，并在无线能量传输领域引起巨大的反响，使无线能量传输技术成为国内外学者研究的又一热点问题。

然而，在磁耦合谐振式无线电能传输中，当发射线圈和接收线圈之间的距离小于某个临界值时，出现了频率分裂现象，即系统在谐振频率处的传输效率不再是最大值，而是在谐振频率点两边的某两个频率点处达到峰值，但工作频率是按照线圈谐振频率给定的，所以直接导致系统在工作频率处的传输效率下降。抑制频率分裂可以采用频率跟踪、阻抗匹配、改变线圈结构等方法。其中频率跟踪和阻抗匹配都需附加复杂电路，消耗额外的能量，而改变线圈结构可实现无需机械调节、无需额外控制电路的收发线圈，有效抑制磁耦合谐振式传输系统中出现的频率分裂并且能保持系统的高效率传输。

发明内容

本发明提供一种用于无线电能传输的变径线圈设计方法，解决目前无线电能传输系统中普遍存在的频率分裂问题，提高近距离处的传输效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种用于无线电能传输装置的变径线圈设计方法，其特征在于装置包括发射装置和接收装置，发射装置由信号发生器、功率放大器、可调电容C₁和发射线圈构成，其中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的另一端与发射线圈的一端连接，发射线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接，接收装置由负载、接收线圈和可调电容C₂构成，接收线圈的一端与负载的正向输入端连接，接收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：

(1)设定基本参数：根据应用场合和应用对象确定传输距离D，发射线圈与接收线圈初始半径r₁＝r₂＝D/4，初定r₁＝r₂＝5cm，设置线圈匝数N₁＝N₂＝6，采用线径d_wire为1mm的导线绕制，在无线电能传输系统中，线圈谐振频率选取在MHz数量级，即系统工作在高频段，此时考虑反射的问题，所以电阻R_S需要跟传输线的特征阻抗相匹配，而常用的特征阻抗为50Ω，所以R_S取50Ω，负载R_L由充电对象决定；

(2)确定匝间距pitch：匝间距pitch∈(d_wire,5d_wire)，在范围内取不同pitch值得到一组互感M曲线，分别求出每条曲线的ΔM＝M_max-M_min，需满足ΔM≤L_min，由此选出符合条件的曲线对应的pitch值，其中M_max与M_min分别为同一pitch值对应的互感曲线中零距离处的互感值和临界耦合距离处的互感值，L_min＝min{L₁,L₂}，L₁与L₂分别为发射线圈与接收线圈的自感；

(3)确定与基本参数匹配的最佳半径变化量Δr：线圈从外至内第i匝半径r_i＝r₁+(i-1)Δr，|Δr|∈(0,r₁/N₁),要实现近距离内的高效率传输，应抑制近距离内因互感过强导致的频率分裂现象，为减小近距离内的互感，单匝线圈之间的互感应趋于减小，则Δr∈(-r₁/N₁,0)，根据不同Δr值对线圈互感M曲线平缓度和传输效率η值的影响，选取近距离处的传输效率η提高至接近于1时，对应的Δr值即为最佳Δr值。

本发明具有以下有益效果：相对普通螺旋无线电能传输系统，发射线圈选用变径线圈，可以使互感M变化平缓，消除频率分裂现象，使近距离内传输效率η得到提高。

附图说明

图1是无线电能传输系统的结构示意图；

图2是系统的等效电路简图；

图3是不同的匝间距对应的互感曲线；

图4是最终的系统传输效率曲线；

图5是螺旋-螺旋线圈系统传输效率与频率和收发线圈间距离之间关系的示意图；

图6是变径-螺旋线圈系统传输效率与频率和收发线圈间距离之间关系的示意图。

具体实施方式

结合附图详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，一种用于无线电能传输装置的变径线圈设计方法，装置包括发射装置和接收装置，发射装置包括信号发生器、功率放大器、可调电容C₁和发射线圈，发射线圈与可调电容C₁实现串联谐振；接收装置包括接收线圈、可调电容C₂和负载，接收线圈与可调电容C₂也实现串联谐振。发射装置中信号发生器产生频率固定的高频信号，经功率放大器输出，驱动发射线圈，通过谐振将信号传递给接收线圈，进而传递给负载。

系统的具体连接方式如下：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；所述功率放大器的正向输出端子与发射线圈的一端连接；所述发射线圈的另一端与可调电容C₁的一端连接；所述可调电容C₁的另一端与功率放大器的负向输出端子连接。所述接收线圈与发射线圈同轴放置，接收线圈的一端与负载的正向输入端子连接，另一端与可调电容C₂连接；所述可调电容C₂的另一端与负载的负向端子连接。

如图2所示是系统的等效电路简图，图中V_S为信号源，R₁,R₂分别为发射线圈与接收线圈的等效电阻，由于其阻值远小于信号源内阻R_S与负载电阻R_L，在计算时可忽略不计。

如图3所示为不同pitch值对应的互感曲线，由图可看出当pitch＝4d_wire时，ΔM_4d＞L_min,而当pitch＝2d_wire时互感值较低，若要实现平稳的效率传输，近距离处的互感不宜过高，远距离处的互感不宜过低，因此选取pitch＝3d_wire,与选取pitch值方法相同，选取效率最高时对应的Δr值即为最佳的Δr值。

如图4所示为变径-螺旋线圈与普通螺旋-螺旋线圈传输效率对比图，由图可看出，变径-螺旋线圈系统明显提高近距离处的传输效率。

如图5所示为普通螺旋-螺旋线圈系统的传输效率η与收发线圈间距离D和工作频率f之间关系的示意图，由图可看出，在距离减小的过程中，当距离小于某一个临界值后，系统的传输效率-频率曲线由一个峰值变成了两个峰值，即发生了明显的频率分裂，这是因为随着发射线圈与接收线圈之间距离D的减小，两线圈间的互感会发生剧烈变化，系统处于过耦合状态，导致频率分裂的发生，此时谐振频率处的传输效率明显下降。

如图6所示为变径-普通螺旋线圈系统的传输效率η与收发线圈间距离D和工作频率f之间关系的示意图，由图可看出此时不存在频率分裂，且近距离内的传输效率大幅提高到接近于1，远处的传输效率有所提高，传输距离也有所提升。

Claims (1)

1.一种用于无线电能传输装置的变径线圈设计方法，其特征在于装置包括发射装置和接收装置，发射装置由信号发生器、功率放大器、可调电容C₁和发射线圈构成，其中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的另一端与发射线圈的一端连接，发射线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接，接收装置由负载、接收线圈和可调电容C₂构成，接收线圈的一端与负载的正向输入端连接，接收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：

(1)设定基本参数：根据应用场合和应用对象确定传输距离D，发射线圈与接收线圈初始半径r₁＝r₂＝D/4，初定r₁＝r₂＝5cm，设置线圈匝数N₁＝N₂＝6，采用线径d_wire为1mm的导线绕制，在无线电能传输系统中，线圈谐振频率选取在MHz数量级，即系统工作在高频段，此时考虑反射的问题，所以电阻R_S需要跟传输线的特征阻抗相匹配，而常用的特征阻抗为50Ω，所以R_S取50Ω，负载R_L由充电对象决定；

(2)确定匝间距pitch：匝间距pitch∈(d_wire,5d_wire)，在范围内取不同pitch值得到一组互感M曲线，分别求出每条曲线的ΔM＝M_max-M_min，需满足ΔM≤L_min，由此选出符合条件的曲线对应的pitch值，其中M_max与M_min分别为同一pitch值对应的互感曲线中零距离处的互感值和临界耦合距离处的互感值，L_min＝min{L₁,L₂}，L₁与L₂分别为发射线圈与接收线圈的自感；

(3)确定与基本参数匹配的最佳半径变化量Δr：线圈从外至内第i匝半径r_i＝r₁+(i-1)Δr，|Δr|∈(0,r₁/N₁),要实现近距离内的高效率传输，应抑制近距离内因互感过强导致的频率分裂现象，为减小近距离内的互感，单匝线圈之间的互感应趋于减小，则Δr∈(-r₁/N₁,0)，根据不同Δr值对线圈互感M曲线平缓度和传输效率η值的影响，选取近距离处的传输效率η提高至接近于1时，对应的Δr值即为最佳Δr值。

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