CN107565708A - 磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法，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、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两向线圈的匝数；近距离传输时，使用发射端正反向并联线圈作为发射线圈实现系统能量高效率传输；传输距离超过一定范围时，使用发射端正向线圈作为发射线圈保持系统能量的高效率传输；调谐电容，将收发线圈调谐在所用工作频率实现制造。本发明能够同时实现近距离能量传输和远距离能量传输时，WPT/MRC系统进行高效能量传输。
Description
技术领域
本发明属于无线电能输送设备技术领域，具体涉及一种磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法。
背景技术
无线电能传输又称非接触电能传输，是一种新型的电能传输技术，无接触电能传输概念最早出现于20世纪70年代，是以电磁感应耦合方式进行电能传输的方法。在该系统中电能供应侧与电能接收侧之间没有直接的金属导体接触，而是以电磁感应耦合方式来进行电能传输，从而提高了电气设备供电的灵活性。在电力系统中，依靠导线来引导电磁场的传播方向，进而控制功率的流向；在传统变压器中，利用高磁导率铁磁材料来约束磁场，进而控制功率的传输；而在无线电能传输中，电磁场的引导只是由初级和次级的固有特性以及配合情况来实现的。无接触电能传输技术克服了传统的导体直接接触的电能传输方式中的缺点，如接触电火花、器件磨损等。无线电能传输摆脱了导线的束缚，使得供电和用电之间的联系更为自由和便捷，因此在一些特殊场合以及便携式设备中有很大的优势。
与传统供电方式相比，无线电能传输供电具有以下特点：1、便于携带，供电和用电设备可移动，可以无电气连接直接向移动装置供电；2、环境友好，不受污垢、灰尘、水、化学物质影响，可工作于恶劣环境，无碳积和有害辐射的工作环境下正常工作；3、操作安全，避免了接触火花和直接接触触电事故的发生；4、运行安全可靠，无线电能传输供电系统没有直接接触摩擦，使用和维护方便。基于以上诸多优势，无线电能传输技术已经在一些商业化产品和供电系统中获得广泛应用。
近几年来，磁耦合谐振式无线电能传输方式一直是国内外研究的热点。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，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端的某两个频率点处达到峰值，这种现象叫做频率分裂。
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WPT/MRC中出现的频率分裂并且能保持系统能量的高效传输。
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，能够在近距离内有效抑制WPT/MRC中出现的频率分裂，提高系统能量传输效率，能够在远距离时仍然保持能量高效率传输，从而提供了一种磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法，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相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、开关g、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，功率放大器的正向输出端与可调电容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的一端和开关g的一端连接，开关g的另一端与发射端反向线圈的一端连接，发射端正向线圈的另一端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，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；
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：
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是接收端单向线圈半径，Dij是发射端正向线圈或反向线圈的第i匝与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 f和LT r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曲线随距离变化的平坦程度，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和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和接收端单向线圈之间的距离，v越小则表示互感变化曲线越平坦，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即得出发射端正向线圈优化匝数nT f和反向线圈优化匝数nT r；
做出发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的效率在工作频率处随距离变化的曲线和发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的效率在工作频率处随距离变化的曲线，求出两曲线相交时的传输距离为Dm；
当传输距离小于Dm时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率高于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率，故使用发射端正反向并联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，用来抑制频率分裂，实现系统能量的高效率传输，当传输距离不小于Dm时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率低于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率，故将发射端反向线圈进行开路，使用发射端正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统能量的高效率传输；
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磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计。
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。
进一步优选，所述接收端单向线圈半径rR和匝数nR的设定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的设定根据信号源确定。
本发明具有以下有益效果：近距离时，反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频率分裂现象的产生，提高系统能量的传输效率；远距离时，发射端正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统能量的高效率传输。
附图说明
图1是WPT/MRC系统的结构示意图；
图2是发射端正向线圈匝数变化时和接收端单向线圈之间的互感随距离变化的仿真示意图；
图3是发射端反向线圈匝数变化时和接收端单向线圈之间的互感随距离变化的仿真示意图；
图4是近距离时发射端正反向并联线圈作为发射线圈，远距离时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距离变化的示意图。
具体实施方式
结合实施例详细描述本发明的具体技术方案。
磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法，它包括发射线圈(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；其中，发射端正向线圈、反向线圈和接收端单向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的另一端分别与正向线圈的一端和开关g的一端连接；所述正向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接；所述开关g的另一端与负向线圈的一端连接；所述反向线圈的另一端与正向线圈的输出端连接。
所述发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈相对同轴放置，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端子连接，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端子连接。
对于两线圈结构的WPT/MRC系统，其系统结构如图1所示，信号从信号发生器产生经功率放大器，由发射线圈发射，由接收线圈接收，并传递给负载。
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％ (2)
当系统工作于线圈谐振频率时，传输系数S21可以简化为(3)式：
由公式(3)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。
若使用发射端正向线圈作为发射线圈，发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感在近距离时随距离的变化非常剧烈。因此，可以在发射端引入反向线圈来抑制近距离内正向线圈和单向线圈之间剧烈的互感变化。
如图2所示为发射端正向线圈匝数变化时和接收端单向线圈之间的互感随距离变化示意图。如图3所示为发射端反向线圈匝数变化时和接收端单向线圈之间的互感随距离变化示意图。
对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式(4)：
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变化曲线越平坦；综合考虑后，选取优化参数。
做出发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的效率在工作频率处随距离变化的曲线和发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的效率在工作频率处随距离变化的曲线；求出两曲线相交时传输距离为Dm。
当传输距离小于Dm时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率高于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率，故当传输距离小于Dm时，使用发射端正反向并联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，用来抑制频率分裂，实现系统能量的高效率传输；当传输距离不小于Dm时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的传输效率低于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率，故将发射端反向线圈进行开路，使用发射端正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统能量的高效率传输。
根据WPT/MRC系统的等效电路图(如图1)、公式(1)和(2)绘制出发射端正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统传输效率与收发线圈间距离和工作频率之间的仿真示意图和发射端正反向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统传输效率与收发线圈间距离和工作频率之间的仿真示意图，通过比较可以发现发射端正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统在近距离内会发生明显的频率分裂，这是因为随着发射端正向线圈和接收端单向线圈之间距离的减小，发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间的互感会发生剧烈变化，导致系统处于过耦合状态，发生频率分裂；而发射端正反向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统，由于发射端反向线圈的存在，抑制发射端正向线圈和接收端单向线圈之间互感的剧烈变化，抑制频率分裂现象的发生。通过综合对比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。
图4即给出了发射端正反向并联线圈和发射端正向线圈在不同情况下相互切换作为发射线圈时，系统效率随距离变化示意图。近距离时发射端正反向并联线圈作为发射线圈，系统能量进行高效率传输；远距离时发射端正向线圈作为发射线圈保持系统能量的高效率传输。
总结上面发射端正反向并联线圈的设计及其切换方法，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，通过对互感求微分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曲线变化的平坦程度选取合适的匝数；
3、近距离传输时，使用发射端正反向并联线圈作为发射线圈，当传输距离超过某个值时，在发射端把反向线圈进行开路，即使用发射端正向线圈作为发射线圈，利用可调电容，将收发线圈调谐在所用工作频率。
发明具有以下有益效果：通过理论计算可知，近距离能量传输时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈，可以有效抑制WPT/MRC系统频率分裂现象的发生，提高系统能量的传输效率；远距离能量传输时，发射端正向线圈作为发射线圈，可以保持WPT/MRC系统高效率地进行能量传输。
Claims (3)
1.磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法，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相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、开关g、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，功率放大器的正向输出端与可调电容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的一端和开关g的一端连接，开关g的另一端与发射端反向线圈的一端连接，发射端正向线圈的另一端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，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；
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：
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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是接收端单向线圈半径，Dij是发射端正向线圈或反向线圈的第i匝与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 f和LT r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曲线随距离变化的平坦程度，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和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和接收端单向线圈之间的距离，v越小则表示互感变化曲线越平坦，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即得出发射端正向线圈优化匝数nT f和反向线圈优化匝数nT r；
做出发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的效率在工作频率处随距离变化的曲线和发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的效率在工作频率处随距离变化的曲线，求出两曲线相交时的传输距离为Dm；
当传输距离小于Dm时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率高于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率，故使用发射端正反向并联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，用来抑制频率分裂，实现系统能量的高效率传输，当传输距离不小于Dm时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率低于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率，故将发射端反向线圈进行开路，使用发射端正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统能量的高效率传输；
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磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计。
2.根据权利要求1所述的磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法，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。
3.根据权利要求1所述的磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法，其特征在于所述接收端单向线圈半径rR和匝数nR的设定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的设定根据信号源确定。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111987807A (zh) * | 2019-05-24 | 2020-11-24 | 上海电机学院 | 一种用于阶梯型动态汽车无线供电系统的线圈设计方法 |
| WO2021238901A1 (zh) * | 2020-05-29 | 2021-12-02 | 中国石油天然气集团有限公司 | 一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统和方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104135088A (zh) * | 2014-08-08 | 2014-11-05 | 哈尔滨工业大学 | 应用于无线电能传输的可抑制频率分裂的非相同收发线圈对及其制造方法 |
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2017
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN104135088A (zh) * | 2014-08-08 | 2014-11-05 | 哈尔滨工业大学 | 应用于无线电能传输的可抑制频率分裂的非相同收发线圈对及其制造方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 丘小辉等: "一种提高PCB线圈的近距离传输效率的方法", 《电气技术》 * |
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN111987807A (zh) * | 2019-05-24 | 2020-11-24 | 上海电机学院 | 一种用于阶梯型动态汽车无线供电系统的线圈设计方法 |
| WO2021238901A1 (zh) * | 2020-05-29 | 2021-12-02 | 中国石油天然气集团有限公司 | 一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统和方法 |
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