CN111009973B - 一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈 - Google Patents

一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，属于无线电能传输领域，该谐振线圈包括：发射线圈和接收线圈；所述发射线圈为方形平面螺旋线圈，且在同一高度平面上产生的磁场均匀分布；所述接收线圈为圆形空间螺旋线圈，且线圈半径从下到上逐层递减，且相邻线圈之间间距相同。本发明首次采用遗传算法对发射线圈的线圈大小进行全局优化设计，通过有约束的多目标函数的非线性数学规划，确定线圈间距最佳值，使线圈在较大偏移下耦合系数基本不变，保持系统较高输出效率，提升了无线电能传输系统的抗偏移能力，使其具备较高的稳定性与鲁棒性，为无人机、电动汽车等设备无线充电系统线圈设计提供良好的指导意义。

Description

一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，更具体地，涉及一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈。
背景技术
随着人类社会现代化与电气化程度不断加深，从遍布世界各地的输配线路网架到为工作中和家庭的各类电气设备提供电能，采用金属导线直接连来进行传输触式已经得到了广泛应用。虽然这种“有线”的传输方式发展十分成熟，但因其触点接触摩擦产生火花、绝缘与导体消损的问题，会缩短电气设备使用寿命，此外，在对电能传输方式的技术经济性、灵活性、安全性、可维护性等有更高要求的场景，如：水下，矿山和油田等，传统的有线供电方式显然已经不能满足应用要求。
2007年，美国麻省理工学院Marin Soljacic教授为首的研究团队在磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)方面取得了新进展，他们能够以40％的传输效率，“隔空”点亮距离超过2米的60W灯泡。随后磁耦合谐振式无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注。该技术在交通领域、医疗器械、便携通信、航空航天、水下探测和智能家居等领域都有重要的应用价值和宽广的应用前景。无线输电因此被美国《技术评论》杂志评为未来将给人类生产和生活方式带来巨大变革的十大科研方向之一。近年来，WPT在手机、电动汽车、植入医疗器械等实际系统的应用中，取得了重大的突破。在中国科研成立五十周年的系列庆祝活动中，无线输电技术也被列为“10项引领未来的科学技术”之一。
无线电能传输主要是依靠谐振线圈之间的耦合进行高效的能量传输，进而达到高效率输出，但在实际WPT系统中，发射线圈与接收线圈之间相对位置的偏移客观存在，而当两线圈之间发生偏移时，线圈之间的耦合系数迅速下降，导致输出功率发生较大波动，对整个系统的稳定性产生巨大的影响。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，其目的在于解决由于无线输电系统抗偏移能力差，使得输出功率波动较大，造成系统稳定性低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，包括：发射线圈和接收线圈；发射线圈为方形平面螺旋线圈，且在同一高度平面上产生的磁场均匀分布；接收线圈为圆形空间螺旋线圈，且线圈半径从下到上逐层递减，且相邻线圈之间间距相同。
进一步地，发射线圈固定在平面基板上，接收线圈固定在螺旋支架上。
进一步地，发射线圈和接收线圈为金属线圈或利兹线。
进一步地，发射线圈各匝线圈的边长满足以下解析方程组：
Figure BDA0002308915340000021
其中，S为所有样本点在Z方向上磁场强度分量的标准差，用于表征磁场空间分布的均匀程度；
Figure BDA0002308915340000031
为第j个样本点在Z方向上的磁场强度分量，j＝1,...,M，M为距发射线圈高度为h的平面上的样本点总个数；(x,y)为各个样本点在x、y轴方向的空间位置坐标；
Figure BDA0002308915340000032
为所有样本点在Z方向上的磁场强度分量的均值；I为发射线圈通入的电流大小；ai为发射线圈第i匝线圈的边长，i＝1,2,3,...,N，N为发射线圈总匝数；d为线圈线径；q为设定阈值。
进一步地，采用遗传算法计算上述解析方程组的全局最优解。
所述接收线圈各匝线圈的大小根据发射线圈产生的磁场在不同高度范围优化得到。
进一步地，接收线圈各匝线圈的优化方法具体包括：首先设定第k匝线圈半径为Rk；第q匝待优化线圈的半径Rq满足以下方程组：
Figure BDA0002308915340000033
其中，C为接收线圈的稳定偏移量，bq表示第q匝发射线圈对应的均匀分布的磁场边长，Q为接收线圈的匝数，R为常数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明以发射线圈的线圈边长为决策变量，以发射线圈在同一高度平面产生的磁场均匀分布为目标函数，采用遗传算法对发射线圈的线圈大小进行全局优化设计，使线圈在较大偏移下耦合系数基本不变，保持系统较高输出效率，提升了无线电能传输系统的抗偏移能力，使其具备较高的稳定性与鲁棒性
(2)本发法采用两线圈结构，谐振频率可为几十kHz和几百kHz，符合大多数便携式设备充电要求，且线圈结构简单，可操作性高，可根据应用场景改变算法变量和约束条件，适用范围广，实用性大，可移植性强。
附图说明
图1是本发明提供的用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈的结构示意图，包含发射线圈和接收线圈；
图2是该线圈进行优化设计的遗传算法流程图；
图3(a)为利用遗传算法优化的发射线圈产生的磁场空间分布示意图；
图3(b)为等间距排列的发射线圈产生的磁场空间分布示意图；
图4(a)-图4(f)为发射线圈在各个高度下的磁场分布图；
图5为等大接收线圈和本发明提供的不等大接收线圈在不同偏移量下对应的传输效率对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，包括：发射线圈和接收线圈；发射线圈为方形平面螺旋线圈，且在同一高度平面上产生的磁场均匀分布；接收线圈为圆形空间螺旋线圈，且线圈半径从下到上逐层递减，且相邻线圈之间间距相同；发射线圈固定在平面基板上，接收线圈固定在螺旋支架上。为了便于绕制，发射线圈和接收线圈为金属线圈或利兹线。
对于发射线圈，方形和圆形线圈由于结构简单且拥有良好的对称性，所以在实际工程中都得到了较好的应用，但对于同等线长的两种线圈，方形线圈产生的磁场更为饱满，且磁场分布更加均匀，故本发明采用方形线圈。发射线圈是多匝线圈，多匝线圈在同一平面产生的磁场大小遵循叠加定理，且对于不同大小的单匝线圈，随着线圈大小的增大，同一平面的磁场会由中间高、两边低逐步转变为中间低、两边高。因此可以通过合理的设计发射线圈各个线圈的边长大小，来使磁场在整个平面的分布达到均匀，从而满足系统抗偏移能力和传输效率的要求。
采用数学语言对上述问题进行分析可知，上述问题为具有约束条件的非线性规划问题，决策变量为发射线圈的线圈边长ai，i＝1,2,3,...,N，N为发射线圈总匝数，考虑到工程误差，同时便于分析，本发明实施例将上述决策变量设定为整型变量；
假设在距发射线圈高度为h的平面上取M个样本点，为了量化在此高度下磁场的均匀程度，本发明首先计算各样本点在Z方向上磁场分量的强度大小
Figure BDA0002308915340000051
并将其整合为一个数据集合，对此数据集合求标准差，由统计学的相关知识可知，标准差可以反映一个数据集的离散程度，那么磁场的均匀程度就可以由该标准差进行量化，通过约束该标准差的大小，即可实现磁场强度的均匀分布。因此上述问题的目标函数可表示为：
Figure BDA0002308915340000052
且满足约束条件：
Figure BDA0002308915340000053
其中，
Figure BDA0002308915340000054
为第j个样本点在Z方向上的磁场强度分量，j＝1,...,M；H为所有样本点在Z方向上的磁场强度分量的均值；q为设定阈值；d为线圈线径；本发明实施例以用于无人机的无线充电系统为例，线圈线径d的取值范围为0.5mm～5mm，q取2，M取441，h取值65mm，发射线圈总匝数N的取值范围为5～20；最内圈线圈边长amin取值范围为5～10cm，最外圈线圈边长amax取值范围20cm～60cm。
对于单匝线圈，线圈边长为ai，线圈中通入电流I，利用毕奥--萨伐尔定律对此方形线圈周围空间的磁场进行分析，由于只有Z方向上的磁场分量才能作用于接收线圈，设空间内某点坐标为(x,y,h)，则该点在Z方向上的磁场分量强度大小为：
Figure BDA0002308915340000061
本发明采用遗传算法对上述方程组进行最优解寻找，遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。遗传算法的最大优势是能够有效的搜索到全局最优解，因此适合求解上述离散问题。求解过程如图2所示，输入问题相应初始参数，生成初始种群，依据所设定的目标函数与约束条件，对种群进行评价选择，再进行相应的交叉与变异，进行迭代找寻。待找到合适的结果，或已满足所设定的终止条件时，结束最优解的寻找，并输出此结果。
以用于无人机的无线充电系统为例，图3(a)为等间距排列的发射线圈产生的磁场空间分布示意图，可以看出磁场强度在中心区域偏大，而在四周区域偏小，且在中心区域最大值为67.49A/m，四周区域最小值为26.05A/m，同时求解区域内的磁场系数为11.21，磁场强度变化抖动非常剧烈；图3(b)为利用上述遗传算法优化的发射线圈产生的磁场空间分布示意图，从图中可以看出，磁场强度呈现四周区域偏大，中心区域凹陷状分布，且中心区域的磁场大小为55.85A/m，四周区域磁场强度最大值为57.81A/m，最小值为54.28A/m，求解区域内的磁场系数为0.8247，可以看出，磁场强度在区域内以很小的变化范围上下浮动，达到了控制均匀程度的目的。
确定了发射线圈各匝线圈的边长，即确定了相邻线圈之间间距，则磁场分布也随之确定，从图4(a)-图4(f)可以看出，磁场均匀分布的区域大小分布呈现“高小低大”，即离发射线圈平面越远，磁场均匀分布的区域越小。由于接收线圈为螺旋分布，各匝线圈所在高度不同，故其所处的磁场均匀分布区域也不同，而各匝接收线圈的稳定偏移量又与磁场均匀分布区域息息相关，故接收线圈各匝线圈稳定偏移量也存在差异。那么对于等大的接收线圈，偏底层线圈完全处于均匀区域内，稳定偏移量较大；偏上层线圈可能已经超出了均匀区域，稳定偏移量较小。整体而言，等大接收线圈稳定偏移量主要受偏上层区域影响，浪费了底层多余的均匀区域，系统的抗偏移性能与传输效率都还有提升的空间。所以本发明优化设计新型的不等大圆形螺旋接收线圈，通过均匀区域的大小对各匝线圈的半径进行优化，使谐振线圈系统抗偏移性增强，提高系统稳定性。具体方法如下：
由上分析可知，各匝线圈稳定偏移量存在差异。对于Q匝接收线圈，令各匝线圈到磁场均匀区域边缘的最大偏移量cq(q＝1,2,...,Q)为稳定偏移量，与第q匝线圈对应的磁场均匀区域认为是一方形区域，其边长为bq，则稳定偏移量与区域边长的几何关系为：
Figure BDA0002308915340000071
Rq为第q匝接收线圈半径。对于接收线圈整体而言，稳定偏移量显然为C＝min{ci}。为与等大接收线圈形成对比分析，在本发明提供的不等大接收线圈中选择与等大接收线圈半径R一致的中层线圈，同时控制接收线圈的总绕线长与等大线圈相比大致相等，以9匝接收线圈为例，为满足上述两点约束，将第五匝线圈半径设置为R，R根据实际应用需求设置，那么其余各匝线圈的半径计算公式如下：
Figure BDA0002308915340000081
其中，C为接收线圈稳定偏移量。
采用本发明提供的发射线圈，分别采用等大接收线圈和本发明提供的不等大接收线圈进行无线传输，传输效率变化曲线如图5所示，其中Model1表示等大接收线圈；Model 2表示本发明提供的不等大接收线圈，两模型分别沿不同方向(x轴与y＝x对角线)产生偏移量，从图中可以看出，本发明提供的不等大接收线圈在各个偏移量下的传输效率均高于等大接收线圈。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，其特征在于，包括：发射线圈和接收线圈；
所述发射线圈为方形平面螺旋线圈，且在同一高度平面上产生的磁场均匀分布；
所述接收线圈为圆形空间螺旋线圈，线圈半径从下到上逐层递减，且相邻线圈之间间距相同；所述接收线圈各匝线圈的大小根据发射线圈产生的磁场在不同高度范围优化得到；接收线圈各匝线圈的优化方法具体包括：首先设定第k匝线圈半径为Rk；第q匝待优化线圈的半径Rq满足以下方程组：
Figure FDA0002987579330000011
其中，C为接收线圈的稳定偏移量，bq表示第q匝发射线圈对应的均匀分布的磁场边长，Q为接收线圈的匝数，R为常数。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，其特征在于，所述发射线圈固定在平面基板上，所述接收线圈固定在螺旋支架上。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈为金属线圈或利兹线。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，其特征在于，所述发射线圈各匝线圈的边长满足以下解析方程组：
Figure FDA0002987579330000021
其中，S为所有样本点在Z方向上磁场强度分量的标准差，用于表征磁场空间分布的均匀程度；
Figure FDA0002987579330000022
为第j个样本点在Z方向上的磁场强度分量，j＝1,...,M，M为距发射线圈高度为h的平面上的样本点总个数；(x,y)为各个样本点在x、y轴方向的空间位置坐标；
Figure FDA0002987579330000023
为所有样本点在Z方向上的磁场强度分量的均值；I为发射线圈通入的电流大小；ai为发射线圈第i匝线圈的边长，i＝1,2,3,...,N，N为发射线圈总匝数；d为线圈线径；q为设定阈值。
5.根据权利要求4所述的一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，其特征在于，采用遗传算法计算所述解析方程组的全局最优解。
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