CN110321628B - 基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统的设计方法，建立曲面柔性接收线圈的等效投影模型；计算发射线圈产生的空间磁场；确定穿过曲面线圈的磁通与线圈曲率角、内半径和匝间距的关系；确定与线圈曲率角对应的接收线圈最优尺寸，保证系统无线传输功率最大。本发明根据接收线圈曲率设计接收线圈的最优尺寸，提高了不同的穿戴人群和使用场合下系统的无线传输效率。

Description

基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统的设计方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，特别涉及一种基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统的设计方法。

背景技术

随着物联网的高速发展，各式各样的智能可穿戴设备也逐渐兴起，并向着更实用、更智能、更便捷、更节能的方向不断发展。这对于设备的电能分配、充电效率、续航时间等都提出了更高的要求。无线充电相比较传统的有线充电更为灵活，被认为是满足可穿戴设备充电要求的最佳方式，受到了广泛的重视。现有的可穿戴设备虽然也采用柔性接收线圈与外部发射线圈产生电磁感应进行无线电能传输，但是并没有考虑针对不同的穿戴人群或使用场合，设计合理的接收线圈尺寸，以弱化因接收线圈曲率变化引起的无线电能传输效率降低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统的设计方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线供电系统的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、建立曲面柔性接收线圈的等效投影模型；

步骤2、计算发射线圈产生的空间磁场；

步骤3、确定穿过曲面线圈的磁通与线圈曲率角、内半径和匝间距的关系；

步骤4、确定与线圈曲率角对应的接收线圈最优尺寸，保证系统无线传输功率最大。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：根据接收线圈曲率设计接收线圈的最优尺寸，提高了不同的穿戴人群和使用场合下系统的无线传输效率。

附图说明

图1是本发明基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统设计方案实施的流程图。

图2是本发明曲面柔性接收线圈等效投影示意图。

图3是本发明基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统简化模型图。

图4是本发明不同曲率角下穿过曲面线圈的磁通随线圈匝间距变化的对应关系图。

图5是本发明不同曲率角下穿过曲面线圈的磁通随线圈内半径变化的对应关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

本发明基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线供电系统的设计方法，根据穿过曲面线圈的磁通与线圈曲率角、内半径和匝间距之间的关系，从而获得不同曲率下接收线圈的最优尺寸，通过改变柔性接收线圈的曲率模拟不同的穿戴人群或使用场合，以保持无线传输功率最大，提高设备无线充电的效率。为了便于对本发明方案的理解，下面介绍曲面线圈无线供电系统设计方法的相关理论。

图2给出了曲面接收线圈等效投影示意图，通过以直代曲的方法，取曲面中心点到两侧底边的弦长作为曲面线圈的外半径r₂，曲面线圈中心到内侧第一匝线圈的距离为内半径r₁，对称的两弦长之间的夹角为2θ，此角度的改变即反映出线圈曲率变化。设曲面接收线圈的匝间距为d₂，然后将曲面向底面投影，得到近似为圆形的等效接收线圈面，假设等效面和原曲面线圈匝数相同，均为n₂，由图可得到等效线圈的外径、内径和匝间距分别为2r₂sinθ、2r₁sinθ和d₂sinθ。

根据图2曲面接收线圈等效投影示意图，可以得到对应的无线充电系统的简化模型图如图3所示。取空间中的一点P，假设P点位于等效接收线圈最内侧半径为r的圆形上，坐标为P(0,r,h)，计算发射线圈在P点产生的磁场。

一段载流直导线在空间某点产生的磁场为：

a为所求空间某点到载流直导线的垂直距离；θ₁是所求空间某点到电流流进端点的连线与电流流向之间的夹角；θ₂是所求空间某点到电流流出端点的连线与电流流向之间的夹角，方向与电流方向形成右手螺旋关系；μ₀是真空磁导率，I是载流直导线通入的电流。将矩形载流线圈视为四段载流直导线，利用上式可以精确求解其空间磁场分布。

以BC边载流直导线为例，BC边导线的电流方向为B到C，P点到BC边的垂直距离为：

易知，θ₁为∠PBQ₁是锐角，θ₂为∠PCQ₁的补交是钝角，所以有：

则根据式(1)，BC边在P点产生的磁感应强度为：

B_BC垂直于PQ₁且与电流成右手螺旋关系(载流直导线产生的环形磁场)，与z轴的正方向的夹角为∠PQ₁E为锐角，所以B_BC在z轴分量的表达式为：

然后计算其它三段载流直导线在空间P点产生的沿z轴方向的磁场，叠加得到发射线圈最外侧线圈在P点的产生的沿z轴方向磁感应强度；最后n₁匝线圈叠加，可推出整个发射线圈在空间P点产生的沿z轴方向的磁场，即

式中，B_zT表示发射线圈在空间P点产生的沿z轴的磁感应强度分量，B_BCzi、B_DAzi、B_CDzi和B_ABzi分别表示第i匝线圈的BC、DA、CD和AB边在空间P点产生的沿z轴的磁感应强度分量，i表示由最外侧向内侧的第i匝发射线圈，n₁表示发射线圈的匝数，d₁表示发射线圈的匝间距，I表示流过发射线圈的电流，h表示正方形发射线圈到等效接收线圈间的距离，2l表示正方形发射线圈的边长，μ₀表示真空磁导率，r表示等效接收线圈最内侧圆形线圈的半径。

根据原曲面线圈与等效后的线圈的对应关系，可知等效面最内侧线圈的等效内半径(内侧第一匝线圈到等效圆面中心的距离)为r₁sinθ。由dΦ＝B×dS，在半径为r₁sinθ的圆形区域上对沿z轴的磁感应强度进行积分，即可得到整个区域的磁通量：

这样可以分别计算出穿过其他n₂-1匝接收线圈圆面的磁通量。根据磁链计算公式Ψ＝φ₁+Φ₂+Φ₃+......+Φ_N，可以得到穿过曲面接收线圈的磁链表达式：

式中，Ψ表示穿过曲面接收线圈(等效接收线圈)的磁通链，Φ_sj表示等效接收线圈中第j匝线圈的磁通量，n₂表示接收线圈的匝数，d₂表示接收线圈的匝间距，等效接收线圈的内半径为r₁sinθ，则积分过程中等效接收线圈的半径r的取值范围为0～r₁sinθ+(j-1)d₂sinθ，E(k)和F(k)均无具体含义。

由式(8)可以看出，穿过曲面线圈的磁通与接收线圈的匝数、内径、匝间距、曲率角，发射线圈的匝数、外径、匝间距以及两线圈之间的距离都有关，在发射线圈匝数、外径、匝间距，接收线圈匝数和两线圈间距离都给定的情况下，可以分别确立在不同的曲率角下穿过曲面线圈的磁通链Ψ与其内半径r₁和线圈匝间距d₂之间的关系，从而得到不同曲率角θ下对应的线圈最优外径r₁+(n₂-1)d₂。

根据式(8)可以分别推出穿过接收线圈的磁通量与线圈匝间距和内半径随线圈曲率角的变化曲线图，如图4和图5所示。由图可知，当发射线圈匝数、外径、匝间距，接收线圈匝数和两线圈间距离都确定时，在接收线圈的不同曲率角下都对应有最优的内半径和匝间距，使得在此值下穿过接收线圈的磁通最大，从而可以确定不同曲率下曲面接收线圈的最优尺寸。

本发明根据不同的人群的穿戴位置的弯曲程度来调节接收线圈的内径和绕线之间的匝间距，得到最优尺寸的接收线圈，使得穿过它的磁通量达到最大值，在提升穿戴设备的舒适性的同时也提高了不同穿戴人群或使用场合下设备无线充电的效率。

Claims (4)

1.一种基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、建立曲面柔性接收线圈的等效投影模型；

步骤2、计算发射线圈产生的空间磁场；

步骤3、确定穿过曲面线圈的磁通与线圈曲率角、内半径和匝间距的关系；

步骤4、确定与线圈曲率角对应的接收线圈最优尺寸，保证系统无线传输功率最大；

步骤1中，建立的曲面柔性接收线圈的等效投影模型中原曲面线圈与等效投影线圈的对应关系，其中，2r₁表示原曲面线圈的内径，即曲面线圈展平后内侧第一匝线圈的直径，2r₂表示原曲面线圈的外径，即曲面线圈展平后外侧第一匝线圈的直径，d₂表示原曲面线圈的匝间距，2θ表示原曲面线圈对称的两外径之间的夹角，2r₁ sinθ表示等效线圈的内径，即原曲面线圈的内径投影后对应的等效内径，2r₂ sinθ表示等效线圈的外径，即原曲面线圈的外径投影后对应的等效外径，d₂ sinθ表示等效线圈的匝间距，即原曲面线圈的匝间距投影后对应的等效匝间距，n₂表示原曲面线圈和等效线圈的匝数，即投影不改变原曲面线圈的匝数。

2.根据权利要求1所述的基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统的设计方法，其特征在于，步骤2中，计算发射线圈产生的空间磁场的具体方法为：

取空间中的一点P，假设P点位于等效接收线圈最内侧半径为r的圆形上，坐标为P(0,r,h)，则一段载流直导线在空间某点产生的磁场B为：

式中，a为所求空间某点到载流直导线的垂直距离；θ₁是所求空间某点到电流流进端点的连线与电流流向之间的夹角；θ₂是所求空间某点到电流流出端点的连线与电流流向之间的夹角，方向与电流方向形成右手螺旋关系；μ₀是真空磁导率，I是载流直导线通入的电流；

将矩形载流线圈视为四段载流直导线，利用上式求解其空间磁场分布，以BC边载流直导线为例，BC边导线的电流方向为B到C，P点到BC边的垂直距离为：

易知，θ₁为∠PBQ₁是锐角，θ₂为∠PCQ₁的补交是钝角，所以有：

则根据式(1)，BC边在P点产生的磁感应强度为：

B_BC垂直于PQ₁且与电流成右手螺旋关系，与z轴的正方向的夹角为∠PQ₁E为锐角，所以B_BC在z轴分量的表达式为：

计算其它三段载流直导线在空间P点产生的沿z轴方向的磁场，叠加得到发射线圈最外侧线圈在P点的产生的沿z轴方向磁感应强度；最后n₁匝线圈叠加，推出整个发射线圈在空间P点产生的沿z轴方向的磁场B_zT，即：

式中，B_zT表示发射线圈在空间P点产生的沿z轴的磁感应强度分量，B_BCzi、B_DAzi、B_CDzi和B_ABzi分别表示第i匝线圈的BC、DA、CD和AB边在空间P点产生的沿z轴的磁感应强度分量，i表示由最外侧向内侧的第i匝发射线圈，n₁表示发射线圈的匝数，d₁表示发射线圈的匝间距，I表示载流直导线通入的电流，h表示正方形发射线圈到等效接收线圈间的距离，2l表示正方形发射线圈的边长，μ₀表示真空磁导率，r表示等效接收线圈最内侧圆形线圈的半径。

3.根据权利要求1所述的基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统的设计方法，其特征在于，步骤3中，确定穿过曲面线圈的磁通与线圈曲率角、内半径和匝间距的关系的具体方法为：

根据原曲面线圈与等效后的线圈的对应关系，得到等效面最内侧线圈的等效内半径为r₁ sinθ，其中r₁表示原曲面线圈的内半径，θ表示原曲面线圈中轴线的夹角，在半径为r₁sinθ的圆形区域上对沿z轴的磁感应强度进行积分，即得整个区域的磁通量Φ_S1：

式中，B_zT表示发射线圈在空间P点产生的沿z轴的磁感应强度分量；

分别计算出穿过其他n₂-1匝接收线圈圆面的磁通量，求和得到穿过曲面接收线圈的磁链表达式：

式中，Ψ表示穿过曲面接收线圈的磁通链，其中曲面接收线圈即为等效接收线圈，n₂表示原曲面线圈和等效线圈的匝数，d₂表示原曲面线圈的匝间距，等效接收线圈的内半径为r₁sinθ，则积分过程中等效接收线圈的半径r的取值范围为0～r₁ sinθ+(j-1)d₂ sinθ，E(k)和F(k)均无具体含义。

4.根据权利要求1所述的基于曲面柔性线圈的可穿戴设备无线充电系统的设计方法，其特征在于，由于穿过曲面线圈的磁通与接收线圈的匝数、内径、匝间距、曲率角，发射线圈的匝数、外径、匝间距以及两线圈之间的距离都有关，步骤4中，在发射线圈匝数、外径、匝间距，接收线圈匝数和两线圈间距离都给定的情况下，可以分别确立在不同的曲率角下穿过曲面线圈的磁通链Ψ与其内半径r₁和线圈匝间距d₂之间的关系，从而得到不同曲率角θ下对应的线圈最优外径r₁+(n₂-1)d₂，其中n₂表示原曲面线圈和等效线圈的匝数。

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