CN107546866B - 正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法，涉及一种应用于无线电能传输的双正向并联谐振线圈制造方法。主要解决了无线电能传输系统近距离能量传输时，由于频率分裂的影响导致系统传输效率低下的问题。设计了一种双层绕制的发射线圈，即在原有单层单向绕制发射线圈的内部空间以相同方向绕制具有一定匝数内部线圈，使外部线圈和内部线圈“头头相连，尾尾相连”组成双正向并联结构。双正向并联线圈结构能够抑制收发线圈之间耦合强度的剧烈变化，减小近距离能量传输时频率分裂对系统传输效率所产生的影响。提高无线电能传输在近距离能量传输时，谐振频率处的传输效率。

Description

正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法

技术领域

本发明涉及正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法。

背景技术

磁耦合谐振式无线电能传输(wireless power transfer via magneticresonant coupling,WPT/MRC)技术具有传输距离中等、传输效率高、能穿过非磁导性障碍物传输电能等优点，使其有望取代电池成为物联网中的传感器节点无线供电。但是，磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率随传输距离改变变化十分剧烈。

WPT/MRC系统只能在某一特定距离在系统工作于谐振频率处实现最大能力传输效率，当传输距离变大，尽管系统仍在谐振频率处具有最大能力传输系数，但是其数值会随着谐振线圈耦合系数的减弱而大幅降低；当传输距离较近时，谐振频率处的传输系数还会因为线圈之间耦合过强而减弱，而系统最佳能量传输频点也将分裂成谐振频率两侧的两个频率点，该现象也被称为“频率分裂(frequency spllitting)”。

为了抑制频率分裂，可以采用频率跟踪、阻抗匹配、改变线圈结构等方法。频率跟踪技术是通过在WPT/MRC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WPT/MRC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的结构的方式抑制频率分裂。

发明内容

本发明是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，从而提供一种正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法。

正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法，它由以下步骤实现；

步骤一、WPT/MRC系统发射端为双正向并联线圈，即双正向并联线圈作为发射线圈；接收端为单向线圈，即单向线圈作为接收线圈；双正向并联线圈由两个绕线方向相同，半径不同的线圈“头头相连，尾尾相连”并联组成；半径小的线圈嵌在半径大的线圈内部；接收线圈为单向线圈，绕线方向和双正向并联线圈一致；所有线圈均为圆形螺旋线圈；将发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈同轴放置，并设定接收端单向线圈的半径为r_R，匝数为n_R，设定发射端组成双正向并联线圈的两个线圈半径分别为r_T ¹和r_T ²，其中r_T ¹＞r_T ²；

步骤二、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，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。

求出发射端两个正向线圈的自感分别为：

式中，r_T ¹和r_T ²分别是两个正向线圈的半径，n_T ¹和n_T ²分别为两个正向线圈的匝数，a为导线的半径。

发射端两个正向线圈和接收端单向线圈之间的互感分别为：

根据电路理论求出发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感为：

式中，n_T ¹和n_T ²分别是发射端两个正向线圈的匝数，n_R是接收端单向线圈匝数，r_T ¹和r_T ²分别是发射端两个正向线圈的半径，r_R则是接收端单向线圈半径，D为发射端两个正向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；L_T ¹和L_T ²分别是发射端两个正向线圈的自感；M₁₂是发射端两个正向线圈之间的互感；M₁(D)和M₂(D)分别是发射端两个正向线圈和接收线圈之间的互感。

步骤三、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：

根据双正向并联线圈和单向线圈的结构，在确定发射端两个正向线圈的半径后，可以求出两个正向线圈的匝数比。

步骤四、对两正向线圈的匝数进行调整，根据公式：

确定发射端双正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，得出两个正向线圈优化匝数分别为n_T ¹和n_T ²。

式中，D₀为发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D₁为两线圈间互感取最大值是两线圈间的距离。

步骤五、利用两个可调电容，分别将发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率，完成正向并联线圈电磁谐振能量传输系统的制造。

接收端单向线圈的半径r_R和匝数n_R的设定标准根据实际充电目标确定；组成发射端双正向并联线圈的两个正向线圈的半径r_T ¹和r_T ²的设定标准根据信号源确定。

组成发射端双正反向并联线圈的两个正向线圈匝数n_T ¹和n_T ²的设定方法是根据发射端双正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。

正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法，它包括发射线圈(由两个正向线圈组成的双正向并联线圈)、接收线圈(单向线圈)、可调电容C₁和可调电容C₂；所述线圈均为螺旋圆形线圈。

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可调电容C₁的一端连接；所述可调电容C₁的另一端分别与两个正向线圈的一端连接；所述两个正向线圈“头头相连，尾尾相连”；所述两个正向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端子连接；

所述发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈相对同轴放置，且两线圈中心点之间的距离为D，D为正数，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端子连接；所述接收端单向线圈的另一端与可调电容C₂的一端连接，所述可调电容C₂的另一端与负载的负向端子连接。

本发明获得的有益效果：双正向并联线圈作为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系统结构示意图；

图2是WPT/MRC系统的等效电路图；

图3是发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈结构示意图；

图4是仿真所用的组件参数；

图5是单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是双正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，对正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法进行说明。

图1是WPT/MRC系统结构示意图。

如图1所示，WPT/MRC系统包括发信号发生器、功率放大器、射线圈(由两个正向线圈组成的双正向并联线圈)、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，发射端两个正向线圈电感分别为L_t ¹和L_t ²，接收端单向线圈电感为L_r；两个正向线圈之间的互感为M₁₂；两个正向线圈与接收端单向线圈之间的互感分别为M₁(D)和M₂(D)；等效之后，发射端双正向并联线圈的电感为L_t，发射端和接收端线圈之间的互感为M(D)。

图3是发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈结构示意图。

如图3所示，发射端为双正向并联线圈，接收端为单向线圈。双正向并联线圈由两个正向线圈组成，两个正向线圈的绕线方向相同，“头头相连，尾尾相连”组成双正向并联线圈；接收端单向线圈的绕线方向和两个正向线圈的绕线方向相同，所述线圈均为圆形螺旋线圈。

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，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。

求出发射端两个正向线圈的自感分别为：

式中，r_T ¹和r_T ²分别是两个正向线圈的半径，n_T ¹和n_T ²分别为两个正向线圈的匝数，a为导线的半径。

发射端两个正向线圈和接收端单向线圈之间的互感分别为：

根据图2和电路理论求出发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感为：

式中，n_T ¹和n_T ²分别是发射端两个正向线圈的匝数，n_R是接收端单向线圈匝数，r_T ¹和r_T ²分别是发射端两个正向线圈的半径，r_R则是接收端单向线圈半径，D为发射端两个正向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；L_T ¹和L_T ²分别是发射端两个正向线圈的自感；M₁₂是发射端两个正向线圈之间的互感；M₁(D)和M₂(D)分别是发射端两个正向线圈和接收线圈之间的互感。

通过对式(5)的微分得出式(6)：

其中：

根据双正向并联线圈和单向线圈的结构，在确定发射端两个正向线圈的半径后，可以求出两个正向线圈的匝数比。

对两个正向线圈的匝数进行调整，根据公式：

确定发射端双正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，得出两个正向线圈优化匝数分别为n_T ¹和n_T ²。

式中，D₀为发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D₁为两线圈间互感取最大值是两线圈间的距离。

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较好的效率变化曲线，可以通过改变线圈参数来实现。因此，对于线圈的优化设计是非常重要的。

图4给出了仿真所用的组件参数。

图5是单个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仿真示意图。

如图5所示，单独使用单个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是双正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仿真示意图。

如图6所示，使用由两个正向线圈“头头相连，尾尾相连”组成的双正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可以得出双正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在的发生。

总结上面正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法，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两个正向线圈的大小；

2、求出发射端双正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)，求出两个正向线圈之间的匝数比，对两个正向线圈的匝数进行调整，根据双正向并联线圈和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

发明效果：通过理论计算可知，双正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系统在近距离内高效率地进行能量传输。

Claims (4)

1.正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法，其特征在于：它由以下步骤实现：

步骤一、WPT/MRC系统发射端为双正向并联线圈，即双正向并联线圈作为发射线圈；接收端为单向线圈，即单向线圈作为接收线圈；双正向并联线圈由两个绕线方向相同，半径不同的线圈头头相连、尾尾相连并联组成；半径小的线圈嵌在半径大的线圈内部；接收线圈为单向线圈，绕线方向和双正向并联线圈一致；所有线圈均为圆形螺旋线圈；将发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈同轴放置，并设定接收端单向线圈的半径为r_R，匝数为n_R，设定发射端组成双正向并联线圈的两个线圈半径分别为r_T ¹和r_T ²，其中r_T ¹＞r_T ²；

步骤二、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，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；

根据电路理论求出发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感：

式中，n_T ¹和n_T ²分别是发射端两个正向线圈的匝数，n_R是接收端单向线圈匝数，r_T ¹和r_T ²分别是发射端两个正向线圈的半径，r_R则是接收端单向线圈半径，D为发射端两个正向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；L_T ¹和L_T ²分别是发射端两个正向线圈的自感；M₁₂是发射端两个正向线圈之间的互感；M₁(D)和M₂(D)分别是发射端两个正向线圈和接收线圈之间的互感；

步骤三、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：

根据双正向并联线圈和单向线圈的结构，在确定发射端两个正向线圈的半径后，可以求出两个正向线圈的匝数比；

步骤四、对两正向线圈的匝数进行调整，根据公式：

确定发射端双正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，得出两个正向线圈优化匝数分别为n_T ¹和n_T ²；

式中，D₀为发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D₁为两线圈间互感取最大值是两线圈间的距离；

步骤五、利用两个可调电容，分别将发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率，完成正向并联线圈电磁谐振能量传输系统的制造。

2.根据权利要求1所述的正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法，其特征在于：接收端单向线圈的半径r_R和匝数n_R的设定标准根据实际充电目标确定；组成发射端双正向并联线圈的两正向线圈半径r_T ¹和r_T ²的设定标准根据信号源确定。

3.根据权利要求2所述的正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法，其特征在于：组成发射端双正向并联线圈的两正向线圈匝数n_T ¹和n_T ²的设定方法是根据发射端双正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。

4.根据权利要求1所述的正向并联线圈电磁谐振能量传输系统设计方法，其特征在于：装置包括发射线圈、接收线圈、可调电容C₁和可调电容C₂，发射线圈由两个正向线圈组成的双正向并联线圈，接收线圈是与接收线圈同向的单向线圈；以上所述线圈均为螺旋圆形线圈；

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可调电容C₁的一端连接；所述可调电容C₁的另一端分别与两正向线圈的一端连接；所述两正向线圈“头头相连，尾尾相连”；所述两正向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端子连接；

所述发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈相对同轴放置，且两线圈中心点之间的距离为D，D为正数，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端子连接；所述接收端单向线圈的另一端与可调电容C₂的一端连接，所述可调电容C₂的另一端与负载的负向端子连接。