CN108879972B - 一种全面板极板耦合电容的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种全面板极板耦合电容的优化方法。本发明将全面板极板耦合电容设计成环框形极板耦合电容，根据多项式拟合模型计算不同环框宽度时耦合电容的电容值，并根据计算结果选择合适的环框宽度，使得新设计的环框形极板耦合电容能够在保持与全面板极板电容接近的电容值的条件下，省去较大的极板面积。所述环框形极板耦合电容为环形极板耦合电容或方框形极板耦合电容。将本发明设计的环框形极板耦合电容应用于电容耦合式无线输电中。本发明优点在于大大缩减了耦合极板的面积，降低了制造成本，实现了电容耦合式无线输电系统的简洁轻便化，提高了其对不同使用环境的适应性，能应用于更多复杂且不同的环境。

Description

一种全面板极板耦合电容的优化方法

技术领域

本发明涉及电容耦合式无线输电系统的研究，具体涉及一种全面板极板耦合电容的优化方法。

背景技术

随着电动汽车和消费类电子产品的发展，如何使产品方便、快捷地获取所需电能越来越成为一个亟需解决的问题。传统的充电方式需要导线连接电源和用电器，具有易磨损、易产生电火花等缺点。无线电能传输技术因其无尾、便捷的优点而获得越来越多的关注。

该技术在便携式设备、电动汽车、植入式医疗设备等多个领域均具有极大的应用前景。无线电能传输系统分为电感耦合式无线输电和电容耦合式无线输电。然而，当无线电能传输需要覆盖较大区域，或存在多个接收设备需要同时供电时，电感耦合式无线输电系统存在耦合线圈绕制复杂，成本高昂，多组耦合线圈协同困难等问题。相比于电感耦合式无线输电系统，电容耦合式无线输电系统利用金属极板实现电能的无线传输。实际使用时，金属极板便于切割为任意形状，且成本低廉、构造简单、易于覆盖大面积区域。因此，当涉及大区域无线电能传输，或同时为多个接收设备供电时，电容耦合式无线输电系统具有显著优势。

在电容耦合式无线输电系统发展的早期，系统只能在较短的传输距离内以较小的输出功率进行工作。随着研究的深入，人们采用高频增压器结，使电容耦合式无线输电系统的传输距离和传输功率都得到较大提升。现在的电容耦合式无线输电系统具有了高效率、远距离、大功率传输电能的可能性。

然而，传统的电容耦合式无线输电系统都使用全面板金属极板作为耦合极板。相关的物理学研究表明，金属极板上的电荷分布主要集中于边缘，中间区域对互容值贡献很小。因此，在实际应用中，可以将全面板极板中间区域移除，并同时保留大部分的耦合电容值。使用空心耦合极板的优势包括以下几个方面：通过合理的设计，空心极板电容能在保持与全面板电容接近的耦合电容值时，具有更小的表面积，从而既节省了耦合极板所占用的空间，也大大节省了材料的费用；空心耦合极板更便于安装。当发射端耦合极板与接收端耦合极板之间存在绝缘体障碍物时，全面板极板只能安装在障碍物的两侧或顶端，而空心极板则可与障碍物嵌套，更便于工程实施，且在户外使用时也对户外风力具有更强的抵抗力。

综上，本发明在传统电容耦合式无线输电系统结构的基础上，利用耦合极板电荷分布集中于极板边缘的特性，对电容耦合式无线输电系统的耦合极板进行了简化，以环、框等形式替代传统的全面板极板，使得新构建的电容耦合式无线输电系统更为简化轻便。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种全面板极板耦合电容的优化方法。

本发明的技术方案为一种全面板极板耦合电容的优化方法，其特征在于：将全面板极板耦合电容设计成环框形极板耦合电容，根据多项式拟合模型计算不同环框宽度时耦合电容的电容值；并根据计算结果选择合适的环框宽度，使得新设计的环框形极板耦合电容能够在保持与全面板极板电容接近的电容值的条件下，省去较大的极板面积。

所述全面板极板耦合电容为圆形全面板极板耦合电容或正方形全面板极板耦合电容；

若针对圆形全面板极板耦合电容优化，则将圆形全面板极板耦合电容优化为环形极板耦合电容：

所述圆形全面板极板耦合电容的外直径为R_out，所述环形极板耦合电容的环框宽度为Width；

所述多项式拟合模型为：

其中，K_i为第i阶多项式系数，N为多项式的阶数，Ratio_C为：

Ratio_C＝C_annular/C_full

其中，C_annular为环形极板耦合电容的电容值，C_full为圆形全面板极板耦合电容的电容值；

若针对正方形全面板极板耦合电容优化，则将正方形全面板极板耦合电容优化为方框形极板耦合电容：

所述正方形全面板极板耦合电容的外直径为L_full，所述方框形极板耦合电容的方框宽度为Width；

所述多项式拟合模型为：

其中，S_j为第j阶多项式系数，M为多项式的阶数，Ratio_C为：

Ratio_C＝C_frame/C_full

其中，C_frame为方框形极板耦合电容的电容值，C_full为正方形全面板极板耦合电容的电容值。

与现有技术相比，本发明的特征在于：无线输电系统采用环状或框状耦合极板，在保持与全面板极板耦合电容接近的电容值的同时，大大缩减了耦合极板的面积，降低了制造成本，实现了电容耦合式无线输电系统的简洁轻便化，提高了其对不同使用环境的适应性。输电线路可以一端使用全面板，一端使用框架结构的输电板，可使得输电板的形状具有多变性，能应用于更多复杂且不同的环境。

采用环框形耦合极板的基本原理是，在耦合距离较大时，电荷主要分布在极板的边缘区域，而中间区域对耦合电容值影响较小，可以在保持接近的耦合电容值的条件下，将耦合极板的中间区域去除，形成空心耦合极板电容。

环框状耦合极板的一个典型应用场景是电容式无线输电系统。依据电荷在耦合金属极板上的边缘分布效应，通过对电容式无线输电装置的输电极板进行形状优化设计，将其从全面板结构简化为环、框等结构，能够在保证电能高效传输的同时，显著降低输电极板的面积，实现电容耦合式无线输电系统的简洁轻便化，提高了其对不同使用环境的适应性。

附图说明

图1:环形板电容器尺寸标注；

图2:环形板电容器电容值随环宽变化趋势拟合结果；

图3:方框形电容器尺寸标注；

图4:方框形电容器电容值随环宽变化趋势拟合结果；

图5:全面板电容器置于障碍物两端；

图6:全面板电容器置于障碍物侧方；

图7:本发明电容器嵌入于障碍物上；

图8:本发明环框形极板实施场景

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例应用于电容耦合式无线输电的场景下。本发明实施例涉及两个实施例，分别将圆形全面板极板耦合电容优化为环形极板耦合电容，以及将正方形全面板极板耦合电容优化为方框形极板耦合电容为例，介绍本发明的实施方式。

对于圆环形极板耦合电容实施例，如图1所示，其特征在于：将全面板极板耦合电容设计成圆环形极板耦合电容，根据多项式拟合模型计算圆环形极板耦合电容的电容值；

首先取圆环极板的外直径为R_out＝30cm，并设环宽为变量Width，使用仿真软件Maxwell计算其在30cm间距下，Width从0cm以1cm为间隔变化至半径值15cm时的多个耦合电容值。然后使用10次多项式对电容值随环宽Width变化的函数关系进行拟合。

使用Maxwell计算出的电容值如图2中的圆点所示，其中全面板耦合电容的电容值，即Width为15cm时的电容值，是2.6936pF。拟合的结果如图2中的实线所示，与计算结果高度吻合。之所以采用Maxwell仿真之后再进行拟合，是因为传统的电容计算公式只适用于极近距离的耦合电容计算，而对于无线输电这种耦合距离较大的场景，耦合电容值与电荷分布直接相关，难以获得解析表达式，而采用仿真计算后再拟合的方法，能够有效保证计算结果的准确性。

对于所述环形极板耦合电容，其多项式拟合模型为：

K_i∈{0,35.724,-893.36,13207,-118790,679680,-2527500,6083300,-9135600,7777100,-2864500}

其中，K_i为第i阶多项式系数，N＝10为多项式的阶数，Ratio_C为：

Ratio_C＝C_annular/C_full

其中，C_annular为圆环形极板耦合电容的电容值，C_full全面板极板耦合电容的电容值；

仿真结果显示当Ratio_C为0.707，即

时，Ratio_R＝Width/R_out为0.0765。即，当环宽为2.3cm时，环框形极板耦合电容的电容值为全面板极板耦合电容的电容值的0.707倍。此时，71.68％的材料面积可以省去，这一方面节省了材料，另一方面也节省了空间。

对于方框形极板耦合电容实施例，如图3所示，其特征在于：将正方形全面板极板耦合电容设计成方框形极板耦合电容，根据多项式拟合模型计算方框形极板耦合电容的电容值；

首先取正方形全面板边长为L_full＝24cm，并设方框宽度为变量Width，使用仿真软件Maxwell计算其在30cm间距下，Width从0cm以1cm为间隔变化至12cm时的多个耦合电容值。然后使用10次多项式对电容值随方框宽度Width变化的函数关系进行拟合。

使用Maxwell计算出的方框极板电容的电容值如图4中的圆点所示，其中全面板耦合电容的电容值，即Width为12cm时的电容值，是1.7736pF。拟合的结果如图4中的实线所示，与计算结果高度吻合。

对于所述方框形极板耦合电容，其多项式拟合模型为：

S_j∈{0,32.797,-728.04,9858.6,-83239,454760,-1635000,3840600,-5670100,4772300,-1745600}

其中，S_j为第j阶多项式系数，M＝10为多项式的阶数，Ratio_C为：

Ratio_C＝C_frame/C_full

其中，C_frame为方框形极板耦合电容的电容值，C_full全面板极板耦合电容的电容值；

仿真结果显示当Ratio_C为0.707，即

时，Ratio_L＝Width/L_full为0.0679。即，当方框宽度为1.63cm时，方框形极板耦合电容的电容值为全面板极板耦合电容的电容值的0.707倍。此时，74.68％的材料面积可以省去，这一方面节省了材料，另一方面也节省了空间。

将环框形极板耦合电容应用于电容耦合式无线输电系统具备以下几点优势：通过合理的设计，环框形极板耦合电容能够在保持与全面板电容接近的耦合电容值时，具有更小的表面积，从而既节省了耦合极板所占用的空间，也大大节省了材料的费用。环框形耦合极板更便于安装。如图5与图6所示，当发射端耦合极板与接收端耦合极板之间存在绝缘体障碍物时，全面板极板只能安装在障碍物的两侧或顶端，而环框形极板则可与障碍物嵌套，如图7所示，更便于工程实施。

图8提供了一种典型的环框形极板应用案例，即用环框形极板形成一个耦合电容，将高压线路上的电能无线传输至杆塔一侧，在不破坏绝缘子串绝缘性能的前提下，为低压侧监测设备供电。在该应用场景中，全面板极板既不便于安装，而且在户外使用时，更容易受到自然风影响而发生偏转甚至掉落。而环框形耦合极板则可以先打开为两个半环，再嵌套在绝缘子串两端，便于安装固定，同时由于面积的缩小，也对户外风力具有更强的抵抗力。

综上，本发明利用耦合极板电荷分布集中于极板边缘的特性，对全面板极板耦合电容进行了优化设计，以环、框等形式替代传统的全面板极板，新型电容结构在电容耦合式无线输电系统中具有良好的应用前景。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种全面板极板耦合电容的优化方法，其特征在于：将全面板极板耦合电容设计成环框形极板耦合电容，根据多项式拟合模型计算不同环框宽度时耦合电容的电容值；

所述全面板极板耦合电容为圆形全面板极板耦合电容或正方形全面板极板耦合电容；

若针对圆形全面板极板耦合电容优化，则将圆形全面板极板耦合电容优化为环形极板耦合电容：

所述圆形全面板极板耦合电容的外直径为R_out，所述环形极板耦合电容的环框宽度为Width；

所述多项式拟合模型为：

其中，K_i为第i阶多项式系数，N为多项式的阶数，Ratio_C为：

Ratio_C＝C_annular/C_full

其中，C_annular为环形极板耦合电容的电容值，C_full为圆形全面板极板耦合电容的电容值；

若针对正方形全面板极板耦合电容优化，则将正方形全面板极板耦合电容优化为方框形极板耦合电容：

所述正方形全面板极板耦合电容的外直径为L_full，所述方框形极板耦合电容的方框宽度为Width；

所述多项式拟合模型为：

其中，S_j为第j阶多项式系数，M为多项式的阶数，Ratio_C为：

Ratio_C＝C_frame/C_full

其中，C_frame为方框形极板耦合电容的电容值，C_full为正方形全面板极板耦合电容的电容值。

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