CN110504726B - 无线充电磁耦合装置的结构参数优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线充电磁耦合装置的结构参数优化方法及装置，所述方法包括：根据待优化的磁耦合装置建立磁路模型，用以得到所述磁耦合装置的电磁感应参数与所述磁耦合装置的预设结构参数的关联关系；获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件；将所述关联关系作为目标函数，通过迭代筛选出满足所述约束条件的结构参数值。本发明实施例可以有效解决传统磁耦合装置耦合能力弱、传输功率小的缺点，可以有效提高磁耦合装置的电能传输效果，可以简化磁耦合装置尺寸优化复杂的设计过程，提高设计效率，可以有效减小磁耦合装置的体积和重量。

Description

无线充电磁耦合装置的结构参数优化方法及装置

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，特别是一种无线充电磁耦合装置的结构参数优化方法及装置。

背景技术

无人机UAV(Unmanned aerial vehicle)具有高灵活性的优点，已经在侦查、勘测、农用、巡检等众多领域都得到了广泛的应用。但由于无人机自身负重能力和体积的限制，所搭载的电池容量受到了限制无，而线充电技术能够安全、可靠、高效的对UAV完成电能补给。

磁耦合装置作为无线充电系统中的关键部件，它决定着无线充电系统的功率传输能力和效率。但是，目前无线充电技术的研究主要集中在电路拓扑结构、阻抗匹配和控制策略等方向，对于磁耦合装置自身尺寸的优化设计的研究较少。

基于此，如何优化无线充电磁耦合装置尺寸，从而提高磁耦合装置的电能传输效果，现有技术中未给出有效的解决方案。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种无线充电磁耦合装置的结构参数优化方法及装置，用以至少提高现有无人机的无线充电装置的充电效率。

本发明实施例提供的一种无线充电磁耦合装置的结构参数优化方法，包括：

根据待优化的磁耦合装置建立磁路模型，用以得到所述磁耦合装置的电磁感应参数与所述磁耦合装置的预设结构参数的关联关系；

获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件；

将所述关联关系作为目标函数，通过迭代筛选出满足所述约束条件的结构参数值。

可选地，所述电磁感应参数包括原边自感参数、副边自感参数、原边与副边之间互感参数；

所述根据待优化的磁耦合装置建立磁路模型，用以得到所述磁耦合装置的电磁感应参数与所述磁耦合装置的预设结构参数的关联关系，包括：

根据所述磁耦合装置建立磁路模型，用以得到原边自感参数、副边自感参数、原边与副边之间互感参数分别与所述结构参数的关联关系；所述结构参数至少包括发射线圈匝数、接收线圈匝数、发射端磁芯的半径。

可选地，所述获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件之前，包括：

设置以下约束条件中的1种或多种：

设置所述原边自感参数的约束条件；

设置所述副边自感参数的约束条件；

设置所述原边自感参数以及所述副边自感参数与所述原边与副边之间互感参数之间耦合系数的约束条件；

设置发射线圈匝数、接收线圈匝数、发射线圈和接收线圈的外径、发射端磁芯的半径以及穿过发射线圈两次的原边等效漏磁通最大半径的约束条件；

设置发射线圈和接收线圈的外径以及发射端磁芯的半径的约束条件。

可选地，所述方法还包括：

验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设指标参数值；

在验证满足时，将所述筛选出的结构参数值作为所述磁耦合装置的结构参数值。

可选地，所述验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设的指标参数值，包括：

根据所述目标函数和所述筛选出的结构参数值，确定出电磁感应参数值；所述电磁感应参数值包括原边自感参数值、副边自感参数值以及原边与副边之间互感参数值；

根据预先确定的电磁感应参数与预设的指标参数之间的对应关系，确定所述筛选出的结构参数值是否满足所述指标参数值；所述指标参数包括磁耦合装置的输出功率和/或磁耦合装置的效率。

可选地，所述根据预先确定的电磁感应参数与预设的指标参数之间的对应关系，确定所述筛选出的结构参数值是否满足所述指标参数值之前，包括：

根据所述指标参数，选择无线充电补偿电路拓扑结构；

根据所述无线充电补偿电路拓扑结构，建立无线充电电路的电路模型；

根据所述无线充电电路的电路模型，确定所述对应关系。

可选地，所述磁耦合装置主要由圆盘线圈、放置圆盘形磁芯的发射端和圆盘空心接收线圈组成。

本发明实施例提供的一种无线充电磁耦合装置的结构参数优化装置，包括：

模型建立模块，用于根据待优化的磁耦合装置建立磁路模型，用以得到所述磁耦合装置的电磁感应参数与所述磁耦合装置的预设结构参数的关联关系；

约束条件设置模块，用于获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件；

筛选模块，用于将所述关联关系作为目标函数，通过迭代筛选出满足所述约束条件的结构参数值。

可选地，所述约束条件设置模块，还用于在获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件之前，设置以下约束条件中的1种或多种：

设置所述原边自感参数的约束条件；

设置所述副边自感参数的约束条件；

设置所述原边自感参数以及所述副边自感参数与所述原边与副边之间互感参数之间耦合系数的约束条件；

设置发射线圈匝数、接收线圈匝数、发射线圈和接收线圈的外径、发射端磁芯的半径以及穿过发射线圈两次的原边等效漏磁通最大半径的约束条件；

设置发射线圈和接收线圈的外径以及发射端磁芯的半径的约束条件。

可选地，所述装置还包括：

验证模块，用于验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设指标参数值；在验证满足时，将所述筛选出的结构参数值作为所述磁耦合装置的结构参数值。

本发明实施例可以有效解决传统磁耦合装置耦合能力弱、传输功率小的缺点，可以在降低磁耦合装置结构参数的基础上，有效提高磁耦合装置的电能传输效果，可以简化磁耦合装置尺寸优化复杂的设计过程，提高设计效率，可以有效减小磁耦合装置的体积和重量，并简化磁耦合装置结构参数优化复杂的设计过程，提高设计效率，还可以实现磁耦合装置的多目标优化。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以和其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种可选地无线充电磁耦合装置的结构参数优化方法；

图2是本发明实施例提供的另一种可选地无线充电磁耦合装置的结构参数优化方法；

图3是本发明实施例提供的一种无线充电电路的示意图；

图4是本发明实施例提供的磁耦合装置和等效磁通的示意图；

图5是本发明实施例提供的精准磁路模型的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种无线充电磁耦合装置的结构参数优化装置的结构示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例一

参见图1，图1是本发明实施例提供的一种无线充电磁耦合装置的结构参数优化方法，所述方法包括：

S101，根据待优化的磁耦合装置建立磁路模型，用以得到所述磁耦合装置的电磁感应参数与所述磁耦合装置的预设结构参数的关联关系；

S102，获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件；

S103，将所述关联关系作为目标函数，通过迭代筛选出满足所述约束条件的结构参数值。

其中，磁耦合装置主要由圆盘线圈下面放置圆盘形磁芯的发射端和圆盘空心接收线圈组成。电磁感应参数包括原边自感参数(简称原边自感)、副边自感参数(简称副边自感)、原边与副边之间互感参数(简称原边与副边之间互感)。结构参数值可以是磁耦合装置的一些尺寸参数(简称为尺寸)。

本发明实施例中通过建立磁路模型，从而得到所述磁耦合装置的电磁感应参数与所述磁耦合装置的预设结构参数的关联关系，并将关联关系作为目标函数，然后根据电磁感应参数和结构参数设置的约束条件，针对目标函数通过迭代筛选出满足所述约束条件的结构参数值，从而实现对磁耦合装置的结构参数的优化，从而可以解决传统磁耦合装置耦合能力弱、传输功率小的缺点，可以在降低磁耦合装置结构参数的基础上，有效提高磁耦合装置的电能传输效果，可以简化磁耦合装置尺寸优化复杂的设计过程，提高设计效率，可以有效减小磁耦合装置的体积和重量，并简化磁耦合装置尺寸优化复杂的设计过程，提高设计效率，还可以实现磁耦合装置的多目标优化。

其中，磁耦合装置可以应用于无人机，进而可以有效减小磁耦合装置的体积和重量，占用无人机的空间较少。

在本发明实施例一些实施方式中，为了验证S103中筛选出的结构参数值，S103之后还可以包括：

验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设指标参数值；

在验证满足时，将所述筛选出的结构参数值作为所述磁耦合装置的结构参数值。

其中，所述验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设的指标参数值，可以包括：

根据所述目标函数和所述筛选出的结构参数值，确定出电磁感应参数值；所述电磁感应参数值包括原边自感参数值、副边自感参数值以及原边与副边之间互感参数值；

根据预先确定的电磁感应参数与预设的指标参数之间的对应关系，确定所述筛选出的结构参数值是否满足所述指标参数值；所述指标参数包括磁耦合装置的输出功率和/或磁耦合装置的效率。

详细地，以下用一具体实例描述本发明实施例中结构参数优化方法。

如图2所示，本实例中的的结构参数优化方法可以包括：

步骤S1：确定电磁感应参数与预设的指标参数之间的对应关系。其中，电磁感应参数包括原边自感参数、副边自感参数、原边与副边之间互感参数。指标参数包括磁耦合装置的输出功率和/或磁耦合装置的效率。指标参数具体指代预设设置的对磁耦合装置的一些指标要求。

具体地，根据预先设置的指标参数选择无线充电电路使用的无线充电补偿电路拓扑结构，之后通过根据选择的无线充电补偿电路拓扑结构建立相应的无线充电电路(包括无线充电补偿电路和磁耦合装置)的电路模型，再由根据所述无线充电电路的电路模型，确定所述对应关系，即由相应的公式推导得出磁芯传递电能功率和效率与原边自感、副边自感、原边与副边之间互感的关系，详细步骤包括：

步骤S11：预先确定设计目标(指标参数)，如磁耦合装置的传输功率和/或传输效率、进行无线充电的负载类型和大小等；

例如，设计目标如下：磁耦合装置的传输功率不低于70W，传输效率不低于80％，用于对无人机的电池进行充电，且充电过程中电池负载的阻值不断变化；

步骤S12：可以根据上述设计目标选择无线充电补偿电路拓扑结构，之后可以根据选择的无线充电补偿电路拓扑结构建立相应的无线充电电路的电路模型，无线充电电路框图如图3所示；

通过添加补偿电容和补偿电感(即无线充电补偿电路)能够使磁耦合装置原边、副边处于谐振状态，利于能量传输，例如，选取原边电感-电容-电感谐振、副边串联电容谐振的LCL-S补偿网络；

步骤S13：根据得到的无线充电电路的电路模型求得磁耦合装置的输出功率P_out和效率η与原边自感参数、副边自感参数以及原边与副边之间互感参数之间的对应关系。例如，得到LCL-S补偿网络的磁耦合装置的输出功率P_out和效率η；

A＝(L_p+R₁R_p/ω²L_p)(R_eq+R_s)+M²R₁/L_p；B＝[R_p(R_eq+R_s)+ω²M²]/ω²L_p；

其中，A、B是中间参数，U_AB为逆变输出电压有效值，L_p和L_s分别为原边、副边的自感，ω为谐振频率，M是原边与副边之间的互感，k为磁耦合装置的耦合系数，R₁、R_p和R_s分别是补偿电感线圈内阻、原边线圈内阻和副边线圈内阻，R_eq是交流等效电阻，通过上述公式，可以得到，原边自感L_p、副边自感L_s、原边与副边之间互感M是影响系统输出功率和效率的主要因素。因此可将L_p、L_s和M作为最为主要的追求目标，可以通过优化磁耦合装置尺寸提高系统输出功率和效率，故将L_p、L_s和M与磁耦合装置尺寸的关联关系式作为目标函数。

步骤S2：对选择的磁耦合装置建立精准的磁路模型，用以得到原边自感、副边自感、原边与副边之间互感与磁耦合装置的结构参数的关联关系；

步骤S21：应用于无人机的磁耦合装置可以采用如图4所示的圆盘形结构，其中，Ф_m、Ф_σp和Ф_σs分别对应等效主磁通、原边漏磁通和副边漏磁通，r₁为发射线圈1和接收线圈3的内径，r₂为发射线圈1和接收线圈3的外径，r₃为发射端磁芯3的半径，h₁为发射端磁芯3的厚度，h₂为发射线圈1和接收线圈3的厚度，h为原边与副边之间气隙4的长度，r₄为等效主磁通最大半径，r₅为穿过发射线圈1两次的原边等效漏磁通最大半径，r₆为穿过发射线圈1一次的原边等效漏磁通最大半径，r₇为副边等效漏磁通最大半径。相应尺寸之间的关系如下：

r₄＝0.5r₃；

r₅＝r₂-0.5r₃；

r₆＝1.5h+h₂；

r₇＝0.5h₂+h；

通过精准计算相应等效磁通对应的等效磁阻，得到等效磁阻与相应尺寸的表达式如下：

因此得到该磁耦合装置的精准磁路模型如图5所示，其中，R_m、R_σp和R_σs分别对应主磁通等效磁阻、原边漏磁通等效磁阻和副边漏磁通等效磁阻，α,β和γ分别对应原边漏磁电路、磁化电路和副边漏磁电路，N_p和N_s分别对应发射线圈1和接收线圈2的匝数。I_p和I_s分别对应原边励磁电流和副边感应电流。

步骤S22：确定磁耦合装置1的已知尺寸(结构参数)。

例如，采用固定厚度的绕制骨架进行线圈绕制，可以确定原边与副边之间气隙4的长度h＝5mm，发射线圈1和接收线圈2的内径r₁＝5mm，L_p、L_s和M与发射端磁芯3的厚度h₁无关，可以选用h₁＝8mm的磁芯以节省磁芯材料，发射线圈1和接收线圈2采用型号为0.1×180的Litz线(等效直径d为1.5mm)进行双层绕制，得到发射线圈1和接收线圈2的厚度h₂＝3mm，再通过步骤B1相关尺寸的关系计算得到穿过发射线圈1一次的原边等效漏磁通最大半径r₆＝10.5mm和副边等效漏磁通最大半径r₇＝6.5mm。

步骤S23：根据如图5所示的精准磁路模型以和磁耦合装置的已知尺寸的参数，计算得到原边自感、副边自感、原边与副边之间互感与磁耦合装置待求尺寸的关联关系如下：

M＝4n²μ₀r₃ln(r₃/0.021)；

L_p＝M+m₁；

L_s＝M+m₂；

步骤S23：现根据图5所示的精准磁路模型中计算得到的等效磁阻与原边漏感L_σp，磁化电感L_m和原边漏感L_σs的关系，得到L_σp，L_m和L_σs表达式如下：

当N_p＝N_s时，L_σp，L_m和L_σs与原边自感L_p、副边自感L_s、原边与副边之间互感M关系如下：

代入已知尺寸的参数，计算得到原边自感、副边自感、原边与副边之间互感与磁耦合装置待求尺寸关联关系如下，并作为目标函数：

f1：M＝4n²μ₀r₃ln(r₃/0.021)；

f2：L_p＝M+m₁；

f3：L_s＝M+m₂；

其中，m₁为m₂为75.12μ₀r₃，真空磁导率μ₀＝4π×10^-7，n为每层的线圈匝数。

步骤S3：可以根据指标参数、磁耦合装置的精准磁路模型和无人机自身体积的限制确定磁耦合装置尺寸的约束条件；例如，设置以下约束条件中的1种或多种：

步骤S31：设置所述原边自感参数、设置所述副边自感参数的约束条件。具体地，根据预先确定的原边自感参数最小阈值和最大阈值，设置所述原边自感参数的约束条件；根据预先确定的副边自感参数最小阈值和最大阈值，设置所述副边自感参数的约束条件。例如，根据设计指标要求的输出功率P_out和效率η的范围，利用上述P_out和η与L_p、L_s的关系，确定原边自感L_p和副边自感L_s的约束条件：

L_pmin≤L_p≤L_pmax；

L_smin≤L_s≤L_smax；

例如，上述两个变量的约束条件可以为：原边自感最小阈值L_pmin最小为12μH，原边自感最大阈值L_pmax最大为17μH，副边自感最小阈值L_smin为8μH，副边自感最大阈值L_smax最大为14μH。

设置所述原边自感参数以及所述副边自感参数与所述原边与副边之间互感参数之间耦合系数的约束条件；具体地，根据预先确定的耦合系数最小值，设置所述耦合系数的约束条件，所述耦合系数为所述原边自感参数和所述副边自感参数与所述原边与副边之间互感参数之间的耦合关系。例如，根据原边自感L_p、副边自感L_s和原边与副边之间互感M的关系定义了耦合系数k，耦合系数k反映磁耦合装置的耦合能力，根据用户对磁耦合装置的耦合能力的要求，确定耦合系数k的约束条件：

k≥k_min；

例如，上述变量的约束条件可以为：耦合系数最小值k_min为0.45。

步骤S32：设置发射线圈匝数、接收线圈匝数、发射线圈和接收线圈的外径、发射端磁芯的半径以及穿过发射线圈两次的原边等效漏磁通最大半径的约束条件；例如，根据磁耦合装置的精准磁路模型，可以得到发射线圈1匝数N_p、接收线圈2匝数N_s、发射线圈1和接收线圈2的外径r₂、发射端磁芯3的半径r₃、穿过发射线圈1两次的原边等效漏磁通最大半径r₅的约束条件：

N_p＝N_s＝2n；

r₂＝0.0015n+0.005；

r₅＝r₂-0.5r₃；

步骤S33：设置发射线圈和接收线圈的外径以及发射端磁芯的半径的约束条件。具体地，根据预设的发射线圈和接收线圈的外径的最大阈值，设置发射线圈和接收线圈的外径的约束条件；根据预设的发射端磁芯的半径的最大阈值，设置发射端磁芯的半径的约束条件。例如，根据无人机自身体积的限制确定发射线圈1和接收线圈2的外径r₂、发射端磁芯3的半径r₃的约束条件：

r₂≤r_2max；

r₃≤r_3max；

例如，上述两个变量的约束条件可以为：发射线圈和接收线圈的外径的最大阈值r_2max为25mm，发射端磁芯的半径的最大阈值r_3max为80mm。

步骤S4：将所述关联关系作为目标函数，通过迭代筛选出满足所述约束条件的结构参数值。具体地，以上述M与n、r₃之间的关系、上述L_p与n、r₃、r₅之间的关系、上述L_s与n、r₃之间的关联关系为目标函数f1、f2、f3，通过迭代筛选满足约束条件的磁耦合装置尺寸，具体如下：

步骤S41：设定发射线圈1和接收线圈2的每层的线圈匝数n的初始值n₀、发射端磁芯3的半径r₃的初始值r₃₀；

例如，上述两个变量的初始值可以为：n₀＝5，r₃₀＝25mm。

步骤S42：执行约束条件r₂＝0.0015n+0.005和r₅＝r₂-0.5r₃，计算出发射线圈1和接收线圈2的外径r₂和穿过发射线圈1两次的原边等效漏磁通最大半径r₅的值，然后将n和r₃的值代入目标函数f1中，计算原边与副边之间的互感M的值，判断是否满足发射线圈1和接收线圈2的外径r₂的约束条件，若是，执行步骤S43，若否，结束程序。

步骤S43：将上述n、r₃和r₅的值分别代入目标函数f2和f3中，分别计算原边自感L_p和副边自感L_s的值，判断是否满足原边自感L_p、副边自感L_s和耦合系数k的约束条件，若是，执行步骤S44，若上述三个约束条件有一个不满足，执行步骤S45。

步骤S44：计算发射线圈1匝数N_p和接收线圈2匝数N_s，输出发射端磁芯3的半径r₃、发射线圈1和接收线圈2的外径r₂、发射线圈1匝数N_p和接收线圈3匝数N_s，然后执行步骤S45。

步骤S45：将输出发射端磁芯3的半径r₃增加相应的尺寸(执行r₃＝r₃+r_3Δ，例如，r_3Δ＝0.5mm)，判断是否满足发射端磁芯3的半径r₃的约束条件，若是，执行步骤S42中约束条件r₅＝r₂-0.5r₃，若否，将输出发射端磁芯3的半径r₃设定为初始值r₃₀，并将发射线圈1和接收线圈2的每层的线圈匝数n增加相应的匝数(执行n＝n+n_Δ，例如，n_Δ＝1匝)，然后执行步骤S42中约束条件r₂＝0.0015n+0.005。如此反复地对r₃的尺寸和n的匝数进行迭代，从而快速筛选出满足约束条件的磁耦合装置的尺寸。

步骤S5：验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设指标参数值；

步骤S6：在验证满足时，将所述筛选出的结构参数值作为所述磁耦合装置的结构参数值。也就是说，由于步骤S4得到的一系列尺寸不一定全部满足预设指标要求，因此需要进行验证，判断步骤S4得到的满足约束条件的磁耦合装置尺寸中是否存在满足预设指标要求的尺寸，若是，输出满足预设指标要求的磁耦合装置尺寸，若否，获取新的约束条件，并重复执行步骤S4；

具体地，可以判断上述步骤S4得到的尺寸是否满足磁耦合装置的输出功率指标要求、磁耦合装置的效率指标要求中的一种或多种要求，从中筛选出最适合的有效尺寸，例如，具体步骤可以如下：

步骤S51：根据所述目标函数和所述筛选出的结构参数值，确定出电磁感应参数值；所述电磁感应参数值包括原边自感参数值、副边自感参数值以及原边与副边之间互感参数值。具体地，将上述步骤S4得到的满足约束条件的每一组磁耦合装置尺寸代入目标函数f1、f2、f3中计算M、L_p、L_s。

M＝4n²μ₀r₃ln(r₃/0.021)；

L_p＝M+m₁；

L_s＝M+m₂；例如，步骤S4得到的满足约束条件的一组磁耦合装置尺寸为：r₁＝5mm、r₂＝20mm、r₃＝30mm、h₁＝8mm、h₂＝3mm、h＝5mm、N_p＝N_s＝20匝，由约束条件计算得到n＝10匝、r₃＝30mm和r₅＝5mm，将n、r₃和r₅代入目标函数f1、f2、f3中计算得到M＝5.38μH、L_p＝16.25μH、L_s＝8.57μH。

步骤S52：将上述确定的原边自感L_p、副边自感L_s和原边与副边之间互感M代入输出功率和效率表达式中，判断步骤S4筛选出的尺寸是否满足磁耦合装置的输出功率指标要求、磁耦合装置的效率指标要求，若满足，输出满足预设指标要求的磁耦合装置尺寸，若均不满足，需重新选定约束条件，并重复步骤S4。

例如，确定使用的L_p＝16.25μH、L_s＝8.57μH、M＝5.38μH，输出功率指标要求为不小于70W，效率指标要求为不小于80％，若某组尺寸对应的输出功率77.72W，效率为83.2％，则该组尺寸满足该项要求，并输出该组磁耦合装置尺寸。

通过上述方式用户可以得到满足需求的磁耦合装置尺寸。

基于此，本发明实例不但可以解决传统磁耦合装置耦合能力弱、传输功率小的缺点，有效提高磁耦合装置的电能传输效果，而且可以简化磁耦合装置尺寸优化复杂的设计过程，提高设计效率。同时还可以有效减小磁耦合装置的体积和重量，从而占用无人机的空间较少。

实施例二

基于实施例一提供的方法，本发明实施例提供了与实施例一方法对应的无线充电磁耦合装置的结构参数优化装置，如图6所示，所述装置包括：

模型建立模块11，用于根据待优化的磁耦合装置建立磁路模型，用以得到所述磁耦合装置的电磁感应参数与所述磁耦合装置的预设结构参数的关联关系；

约束条件设置模块12，用于获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件；

筛选模块13，用于将所述关联关系作为目标函数，通过迭代筛选出满足所述约束条件的结构参数值。

可选地，所述电磁感应参数包括原边自感参数、副边自感参数、原边与副边之间互感参数；

所述模型建立模块11，具体用于根据所述磁耦合装置建立磁路模型，用以得到原边自感参数、副边自感参数、原边与副边之间互感参数分别与所述结构参数的关联关系；所述结构参数至少包括发射线圈匝数、接收线圈匝数、发射端磁芯的半径。

可选地，所述约束条件设置模块12，还用于在获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件之前，设置以下约束条件中的1种或多种：

设置所述原边自感参数的约束条件；

设置所述副边自感参数的约束条件；

设置所述原边自感参数以及所述副边自感参数与所述原边与副边之间互感参数之间耦合系数的约束条件；

设置发射线圈匝数、接收线圈匝数、发射线圈和接收线圈的外径、发射端磁芯的半径以及穿过发射线圈两次的原边等效漏磁通最大半径的约束条件；

设置发射线圈和接收线圈的外径以及发射端磁芯的半径的约束条件。

在本发明实施例的一些实施方式中，所述装置还包括：

验证模块，用于验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设指标参数值；在验证满足时，将所述筛选出的结构参数值作为所述磁耦合装置的结构参数值。

可选地，所述验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设的指标参数值，包括：

根据所述目标函数和所述筛选出的结构参数值，确定出电磁感应参数值；所述电磁感应参数值包括原边自感参数值、副边自感参数值以及原边与副边之间互感参数值；

根据预先确定的电磁感应参数与预设的指标参数之间的对应关系，确定所述筛选出的结构参数值是否满足所述指标参数值；所述指标参数包括磁耦合装置的输出功率和/或磁耦合装置的效率。

当然，在本发明实施例的一些实施方式中，所述装置还可以包括：

关系建立模块，用于在根据预先确定的电磁感应参数与预设的指标参数之间的对应关系，确定所述筛选出的结构参数值是否满足所述指标参数值之前，根据所述指标参数，选择无线充电补偿电路拓扑结构；根据所述无线充电补偿电路拓扑结构，建立无线充电电路的电路模型；根据所述无线充电电路的电路模型，确定所述对应关系。

可选地，所述磁耦合装置主要由圆盘线圈、放置圆盘形磁芯的发射端和圆盘空心接收线圈组成。

进一步地，所述磁耦合装置应用于无人机。

本发明实施例中装置在具体实现过程中可以参阅实施例一，具有相应的技术效果。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种无线充电磁耦合装置的结构参数优化方法，其特征在于，所述方法包括：

根据待优化的磁耦合装置建立磁路模型，用以得到所述磁耦合装置的电磁感应参数与所述磁耦合装置的预设结构参数的关联关系；所述电磁感应参数包括原边自感参数、副边自感参数、原边与副边之间互感参数；

获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件；

将所述关联关系作为目标函数，通过迭代筛选出满足所述约束条件的结构参数值；

所述目标函数f1、f2和f3如下：

f1：M＝4n²μ₀r₃ln(r₃/0.021)；

f2：L_p＝M+m₁；

f3：L_s＝M+m₂；

其中，L_p和L_s分别为所述原边自感参数和所述副边自感参数，M为所述原边与副边之间互感参数，m₁为

m₂为75.12μ₀r₃，真空磁导率μ₀＝4π×10^-7，n为每层的线圈匝数，r₃为发射端磁芯的半径，r₅为穿过发射线圈两次的原边等效漏磁通最大半径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据待优化的磁耦合装置建立磁路模型，用以得到所述磁耦合装置的电磁感应参数与所述磁耦合装置的预设结构参数的关联关系，包括：

根据所述磁耦合装置建立磁路模型，用以得到原边自感参数、副边自感参数、原边与副边之间互感参数分别与所述结构参数的关联关系；所述结构参数至少包括发射线圈匝数、接收线圈匝数、发射端磁芯的半径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件之前，包括：

设置以下约束条件中的1种或多种：

设置所述原边自感参数的约束条件；

设置所述副边自感参数的约束条件；

设置所述原边自感参数以及所述副边自感参数与所述原边与副边之间互感参数之间耦合系数的约束条件；

设置发射线圈匝数、接收线圈匝数、发射线圈和接收线圈的外径、发射端磁芯的半径以及穿过发射线圈两次的原边等效漏磁通最大半径的约束条件；

设置发射线圈和接收线圈的外径以及发射端磁芯的半径的约束条件。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设指标参数值；

在验证满足时，将所述筛选出的结构参数值作为所述磁耦合装置的结构参数值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设的指标参数值，包括：

根据所述目标函数和所述筛选出的结构参数值，确定出电磁感应参数值；所述电磁感应参数值包括原边自感参数值、副边自感参数值以及原边与副边之间互感参数值；

根据预先确定的电磁感应参数与预设的指标参数之间的对应关系，确定所述筛选出的结构参数值是否满足所述指标参数值；所述指标参数包括磁耦合装置的输出功率和/或磁耦合装置的效率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据预先确定的电磁感应参数与预设的指标参数之间的对应关系，确定所述筛选出的结构参数值是否满足所述指标参数值之前，包括：

根据所述指标参数，选择无线充电补偿电路拓扑结构；

根据所述无线充电补偿电路拓扑结构，建立无线充电电路的电路模型；

根据所述无线充电电路的电路模型，确定所述对应关系。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述磁耦合装置主要由圆盘线圈、放置圆盘形磁芯的发射端和圆盘空心接收线圈组成。

8.一种无线充电磁耦合装置的结构参数优化装置，其特征在于，所述装置包括：

模型建立模块，用于根据待优化的磁耦合装置建立磁路模型，用以得到所述磁耦合装置的电磁感应参数与所述磁耦合装置的预设结构参数的关联关系；所述电磁感应参数包括原边自感参数、副边自感参数、原边与副边之间互感参数；

约束条件设置模块，用于获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件；

筛选模块，用于将所述关联关系作为目标函数，通过迭代筛选出满足所述约束条件的结构参数值；

所述目标函数f1、f2和f3如下：

f1：M＝4n²μ₀r₃ln(r₃/0.021)；

f2：L_p＝M+m₁；

f3：L_s＝M+m₂；

其中，L_p和L_s分别为所述原边自感参数和所述副边自感参数，M为所述原边与副边之间互感参数，m₁为

m₂为75.12μ₀r₃，真空磁导率μ₀＝4π×10^-7，n为每层的线圈匝数，r₃为发射端磁芯的半径，r₅为穿过发射线圈两次的原边等效漏磁通最大半径。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述约束条件设置模块，还用于在获取对所述电磁感应参数和所述结构参数设置的约束条件之前，设置以下约束条件中的1种或多种：

设置所述原边自感参数的约束条件；

设置所述副边自感参数的约束条件；

设置所述原边自感参数以及所述副边自感参数与所述原边与副边之间互感参数之间耦合系数的约束条件；

设置发射线圈匝数、接收线圈匝数、发射线圈和接收线圈的外径、发射端磁芯的半径以及穿过发射线圈两次的原边等效漏磁通最大半径的约束条件；

设置发射线圈和接收线圈的外径以及发射端磁芯的半径的约束条件。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

验证模块，用于验证筛选出的结构参数值是否满足所述磁耦合装置的预设指标参数值；在验证满足时，将所述筛选出的结构参数值作为所述磁耦合装置的结构参数值。

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