CN107579600A

CN107579600A - 等半径共振供电线圈设计方法

Info

Publication number: CN107579600A
Application number: CN201710662334.9A
Authority: CN
Inventors: 施艳艳; 王萌; 高伟康; 范悦
Original assignee: Henan Normal University
Current assignee: Henan Normal University
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2018-01-12
Anticipated expiration: 2037-08-04
Also published as: CN107579600B

Abstract

本发明公开了一种等半径共振供电线圈设计方法，属于无线电能传输设备技术领域。本发明的技术方案要点为：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方向线圈大小；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，对发射端反向线圈的匝数进行调整，根据发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感随传输距离变化曲线的平坦程度选取合适的匝数；然后利用两个可调电容C₁、C₂将发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率。本发明中正反向串联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈能有效抑制WPT/MRC在过耦合区的频率分裂现象的产生。

Description

等半径共振供电线圈设计方法

技术领域

本发明属于无线电能传输设备技术领域，具体涉及一种等半径共振供电线圈设计方法。

背景技术

近几年来，磁耦合谐振式无线电能传输(wireless power transfer viamagnetic resonant coupling，WPT/MRC)方式受到越来越多的关注，该理论表明，在中距离传输范围(几厘米至几米)内，大部分能量会在谐振频率相同的线圈间传递，实现了高效率的能量传输。

然而，在磁耦合谐振式无线电能传输系统中，能量的传输效率随距离改变变化十分剧烈。一般地，WPT/MRC系统在某一特殊距离处在系统工作在谐振频率时传输效率达到最大。传输距离变大时，系统在谐振频率处扔能获得最大效率，但是会随着距离的变大而急剧减小；当传输距离变小时，两线圈间的互感会随着距离的变小而大幅度增加，尤其是具有相同半径收发线圈的系统，系统谐振频率处的传输效率会因为收发线圈间的过耦合状态而降低，但是会在谐振频率点两端的某两个频率点处达到最大，这种现象叫做“频率分裂(frequency splitting)”。

可以采用很多方法抑制频率分裂，比如频率跟踪、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、锁相环等一系列复杂的电路，实时改变系统能量传输频率，根据传输距离不同采取相应的最佳传输频率以获得最大传输效率。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，根据传输距离变化，实时调整系统阻抗匹配特性，但是该技术操作复杂，不便于应用。

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，提供了一种等半径共振供电线圈设计方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，等半径共振供电线圈设计方法，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相线圈和正向线圈组成的发射端正反向串联线圈、接收端单向线圈、可调电容C₁、可调电容C₂和负载，其中发射端正反向串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的另一端与正向线圈的一端连接，正向线圈的另一端与反向线圈的一端连接，反向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接，所述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r_R，匝数为n_R，设定发射端正反向串联线圈的正向线圈的半径为r_T ^f，反向线圈的半径为r_T ^r，其中正向线圈半径r_T ^f等于单向线圈半径r_R，通过两单匝圆线圈之间的互感公式：

求出发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的互感：

式中，μ₀为真空磁导率，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；n_T ^f和n_T ^r分别是正向线圈和反向线圈的匝数，n_R是接收端单向线圈匝数，r_T ^f和r_T ^r分别是正向线圈和反向线圈的半径，r_R是接收端单向线圈半径，D_ij是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，a为导线半径，p为节距，密绕线圈节距p为0，可忽略不计；

通过求M(D)关于D的微分得出公式：

求出当正向线圈单独作为发射线圈时频率分裂点位置D_s，将D＝D₁＝D_s/2带入上式，可以求出反向线圈的匝数；

对反向线圈的匝数进行变动，根据公式

确定发射端正反向串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，v越小则表示互感变化曲线越平坦，其中选取发射端正反向串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为发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D₁为发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感取最大值时正反向串联线圈与单向线圈之间的距离；

然后利用可调电容C₁和可调电容C₂将发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率即完成用于无线电能传输的等半径共振供电线圈的发射端正反向串联线圈的设计。

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r_R和匝数n_R的设定标准根据实际充电目标确定；发射端正向线圈半径r_T ^f和反向线圈半径r_T ^r的设定标准根据信号源确定。

本发明具有以下有益效果：正反向串联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈能有效抑制WPT/MRC在过耦合区的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是正向线圈匝数变化时和接收线圈之间的互感随距离变化仿真示意图；

图4是反向线圈匝数变化时和接收线圈之间的互感随距离变化仿真示意图；

图5是发射端正反向串联线圈和接收线圈之间互感随距离变化仿真曲线示意图；

图6是选取的最优设计示意图；

图7是正向线圈作为发射线圈的无线电能传输系统传输效率与频率和收发线圈间距离之间的仿真示意图；

图8是正反向串联线圈作为发射线圈的无线电能传输系统传输效率与频率和收发线圈间距离之间的仿真示意图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

等半径共振供电线圈设计方法，它由以下步骤实现；

步骤一、两圆线圈之间的互感公式：

式中，μ₀为真空磁导率(4π×10^-7H/m)，r₁，r₂分别是两圆线圈的半径，n₁，n₂分别是两圆线圈的匝数，d为两圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分。

通过两圆线圈之间的互感公式，可以得出当r₁＝r₂时，随着距离d逐渐减小，k(r₁,r₂,d)逐渐趋近于1，K(k)变大，E(k)变小，M(r₁,r₂,d)则会逐渐变大。在磁耦合共振式无线电能传输系统中，两个等半径的圆线圈分别作为发射和接收线圈时，这种情况则会使系统处于过耦合状态，发生频率分裂现象，系统在谐振频率处的传输效率降低。

步骤二、在具有等半径收发线圈的WPT/MRC系统的发射端串联一个反向线圈(流经电流方向与原发射线圈相反)，设定原发射线圈为正向线圈，则正向线圈和反向线圈组成正反向串联线圈，作为系统的发射线圈；接收线圈保持不变，即与正向线圈半径相同的单向线圈。正反向串联线圈由正向线圈和反向线圈组成，正向线圈在外部，反向线圈嵌在正向线圈内部，流经正向线圈和反向线圈的电流方向相反；正向线圈、反向线圈和发射线圈均为螺旋圆形线圈；将正反向串联线圈和接收线圈同轴放置，并设定接收线圈的半径为r_R，匝数为n_R，设定组成正反向串联线圈的正向线圈半径为r_T ^f，反向线圈半径为r_T ^r；正向线圈半径和接收线圈半径相等，即r_T ^f＝r_R＝r。

步骤三、通过两圆线圈之间的互感公式得出正向线圈与接收线圈之间的互感：

和反向线圈与接收线圈之间的互感：

继而得出正反向串联线圈和接收线圈之间的互感：

式中，n_T ^f和n_T ^r分别是正向线圈和反向线圈的匝数，n_R是接收线圈匝数，r_T ^r是反向线圈的半径，r则是正向线圈和接收线圈半径，D_ij是正向线圈或反向线圈的第i匝和接收线圈的第j匝之间的距离，D为正向线圈或反向线圈与接收线圈中心点之间的距离，a为导线半径，p为节距(密绕线圈节距p为0，可忽略不计)。

步骤四、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：

求出当正向线圈单独作为发射线圈时频率分裂点位置D_S，将D＝D₁＝D_S/2带入上式，可以求出反向线圈的匝数。

步骤五、对反向线圈的匝数进行变动，根据公式

确定正反向串联线圈和接收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；经过一系列对比可以得出，通过公式求出的反向线圈匝数为最优值。

式中，D₀为正反向串联线圈和接收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。

步骤六、利用两个可调电容，分别将正反向串联线圈和接收线圈调谐在所用工作频率，完成应用于无线电能传输的可抑制频率分裂的正反向串联线圈的制造。

接收线圈的半径r_R和匝数n_R的设定标准根据实际充电目标确定；组成正反向串联线圈的正向线圈半径r_T ^f和接收线圈半径r_R相等，设定为r；反向线圈半径r_T ^r的设定标准根据信号源确定。

组成正反向串联线圈的正向线圈匝数n_T ^f和反向线圈匝数n_T ^r的设定方法是根据正反向串联线圈和接收线圈之间的互感随传输距离变化曲线的平坦程度确定。

等半径共振供电线圈设计方法，它包括发射线圈(由正向线圈和反向线圈组成的正反向串联线圈)、接收线圈、可调电容C₁和可调电容C₂；正向线圈、反向线圈和接收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的另一端与正向线圈的一端连接；所述正向线圈的另一端与反向线圈的一端连接；所述反向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端子连接；

所述发射端正反向串联线圈和接收线圈相对同轴放置，且两线圈中心点之间的距离为D，D为正数，所述接收线圈的一端与负载的正向输入端子连接；所述接收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。

WPT/MRC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。

图2即为WPT/MRC系统的等效电路，线圈之间通过磁场谐振耦合相互作用，这种耦合的强度用互感M来衡量。

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％ (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。

如图3所示，等半径的收发线圈，两线圈间的距离逐渐变小时，两线圈间的互感会急剧增加。

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接收线圈之间过强的互感。

两同轴圆线圈之间的互感可以用式(4)来表示：

则正向线圈和接收端线圈之间的互感可以用式(5)来表示：

式中，n_T ^f是正向线圈的匝数，n_R是接收端单向线圈匝数，r_T ^f是正向线圈的半径，r_R则是接收线圈半径，正向线圈和接收线圈半径相等，即r＝r_T ^f＝r_R，D_ij是正向线圈的第i匝和接收线圈的第j匝之间的距离，D为正向线圈和接收线圈中心点之间的距离。

如图3所示为正向线圈匝数变化时和接收线圈之间的互感随距离变化示意图。

反向线圈和接收线圈之间的互感可以用式(6)来表示：

式中，n_T ^r是反向线圈的匝数，n_R是接收线圈匝数，r_T ^r是反向线圈的半径，r则是接收端单向线圈半径，D_ij是反向线圈的第i匝和接收线圈的第j匝之间的距离，D为反向线圈和接收线圈中心点之间的距离，a为导线半径，p为节距(密绕线圈节距p为0，可忽略不计)。

如图4所示为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。

正反向串联线圈和接收线圈之间的互感可以用式(7)来表示：

式中，a为导线半径，p为节距(密绕线圈节距p为0，可忽略不计)。

如图5所示为正反向串联线圈和接收线圈之间的互感随距离变化示意图。

通过对式(7)的微分得出式(8)：

即求出了反向线圈的匝数。

对反向线圈的匝数进行变动，根据公式(9)：

确定发射端正反向串联线圈和接收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；经过一系列对比可以得出，通过公式求出的反向线圈匝数为最优值。如图6所示。

式中，D₀为发射端正反向串联线圈和接收线圈之间的初始距离，D₁为两线圈间互感取最大值时两线圈间的距离。

根据WPT/MRC系统的等效电路图(如图2)、公式(1)和(2)绘制出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(图7)和正反向串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(图8)。通过比较图7和图8，可以发现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，这是因为随着正向线圈和接收线圈之间距离的减小，两线圈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；而正反向串联线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统，由于反向线圈的存在，抑制正向线圈和接收线圈之间互感的剧烈变化，阻碍频率分裂现象的发生。

通过综合对比图7和图8，可以得出正反向串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。

总结上面正反向串联线圈的制造方法，可以总结成如下设计步骤：

1、根据充电目标确定接收线圈大小，接收线圈半径和正向线圈半径相同，选取合适反向线圈半径；

2、求出正反向串联线圈和接收线圈之间的互感，即求出(7)，通过对(7)的微分得出(8)，求出正向线圈和反向线圈的匝数比，对正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据正反向串联线圈和接收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。

通过理论计算可知，正反向串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。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims

1.等半径共振供电线圈设计方法，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相线圈和正向线圈组成的发射端正反向串联线圈、接收端单向线圈、可调电容C₁、可调电容C₂和负载，其中发射端正反向串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的另一端与正向线圈的一端连接，正向线圈的另一端与反向线圈的一端连接，反向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接，所述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；

求出发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的互感：

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通过求M(D)关于D的微分得出公式：

对反向线圈的匝数进行变动，根据公式

2.根据权利要求1所述的等半径共振供电线圈设计方法，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。

3.根据权利要求1所述的等半径共振供电线圈设计方法，其特征在于所述接收端单向线圈半径r_R和匝数n_R的设定标准根据实际充电目标确定；发射端正向线圈半径r_T ^f和反向线圈半径r_T ^r的设定标准根据信号源确定。