CN111428337A - 用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法及系统。该方法包括：设定系统参数、选择线圈形状、选择器件型号、设置边界条件；确定耦合器的变量参数、固定参数以及固定参数的数值；确定变量参数的取值范围以及取值步长，并根据变量参数的取值范围以及取值步长确定变量参数的多个取值；将变量参数的多个取值分别与固定参数的取值进行组合，得到多个解点，每个解点为一个耦合器的设计方案；结合约束条件，对解点进行筛选，得到优化问题的可行域，可行域由可行解点确定；根据需求构建目标函数，并采用Pareto优化算法，求解目标函数的最优解点；采用最优解点对应的设计方案设计耦合器。本发明具有设计效率高、设计周期短的优势。

Description

用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法及系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，特别是涉及一种用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法及系统。
背景技术
现有技术中，用于磁悬浮列车的无线充电系统，一般为长导轨式发射线圈匹配多个接收线圈的单发多收型大功率磁场耦合式无线电能传输系统，具体为：磁悬浮列车的车体上安装有多个接收线圈，轨道侧面沿站台安装有长供电轨，供电轨和接收线圈之间有一定的空隙，发射端和接收端设置有补偿元件。当磁悬浮列车停靠在站台的预设充电位置时，长供电轨和多个接收线圈组成非接触式松耦合变压器，长供电轨发射的高频磁场通过电磁感应或者电磁振动的方式被车体上的接收线圈接收，补偿元件与线圈电感形成谐振以降低无功功率，从而实现电能的高效传输，达到为磁悬浮列车无线充电的目的。
磁耦合器是无线充电系统中电能传输的核心部件。目前对于磁悬浮列车无线充电系统中磁耦合器的设计，基本采取的方法为：依据不同线圈的性能特点和应用场景的使用需求，选取一种耦合器形状(圆形、矩形、双矩形等)，通过利兹线进行线圈绕制，在限定的范围内通过合理设计尺寸和匝数，实现尽可能大的耦合系数以提高效率；一般会铺设一定数量的铁氧体，以提高耦合系数；然后再据此进行谐振腔元件匹配。这种设计方法的缺点在于：1、前期设计耦合器时，通常只考虑在有限的空间内提升互感，无法兼顾其他因素，且对于铁氧体排布的设计和建模基本凭借经验；2、无法在传输效率、功率密度、建造成本、抗偏移能力、漏磁场强度等多个指标之间实现性能的均衡，往往只以效率为单一的评价指标；3、常常因设计前期缺乏对漏磁场强度、重量上限等限制条件的考虑，在后期需要反复更新线圈尺寸和铁氧体排布的设计，费时费力，很大程度上延长了开发周期。4、谐振补偿网络参数匹配一般在磁耦合器之后进行，因此磁耦合器的设计方案变动，必然导致谐振补偿网络需要重新设计。总之，现有磁浮列车无线充电系统磁耦合器的设计缺乏科学系统的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法及系统，具有设计效率高、设计周期短的优势。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法，包括：
设定系统参数、选择线圈形状、选择器件型号、设置边界条件；
确定耦合器的变量参数、固定参数以及固定参数的数值，所述固定参数为设计过程中不变化的参数，所述固定参数至少包括电流密度、原边线圈长度、铁氧体单元尺寸以及谐振补偿拓扑中的一个，所述变量参数为设计过程中可变的参数，所述变量参数至少包括线圈尺寸、线圈形状、线圈匝数、铁氧体排布方案、气隙以及频率中的一个；
确定变量参数的取值范围以及取值步长，并根据所述变量参数的取值范围以及取值步长确定变量参数的多个取值；
将变量参数的多个取值分别与固定参数的取值进行组合，得到多组参数数据组合，即得到多个解点，每个解点为一个耦合器的设计方案；
结合约束条件，对所述解点进行筛选，得到优化问题的可行域，所述可行域由可行解点确定；
根据需求构建目标函数，并采用Pareto优化算法，求解所述目标函数的最优解点；
采用所述最优解点对应的设计方案设计耦合器。
可选的，所述结合约束条件，对所述解点进行筛选，具体包括：
以漏磁场强度、温升范围为约束条件，对所述解点进行筛选。
可选的，所述根据需求构建目标函数，并采用Pareto优化算法，求解所述目标函数的最优解点，具体包括：
构建效率目标函数、成本目标函数和重量功率密度目标函数；
根据所述效率目标函数和所述成本目标函数，采用Pareto优化算法求取成本-效率Pareto前沿；
根据所述效率目标函数和所述重量功率密度目标函数，采用Pareto优化算法求取重量功率密度-效率Pareto前沿；
根据所述成本-效率Pareto前沿和所述重量功率密度-效率Pareto前沿确定最优解点。
可选的，所述根据所述效率目标函数和所述成本目标函数，采用Pareto优化算法求取成本-效率Pareto前沿，具体包括：
根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
求取每个子区间内的成本最低点，得到一系列成本-效率最优解点，所述成本-效率最优解点构成所述成本-效率Pareto前沿。
可选的，所述根据所述效率目标函数和所述重量功率密度目标函数，采用Pareto优化算法求取重量功率密度-效率Pareto前沿，具体包括：
根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
求取每个子区间内的重量功率密度最高点，得到一系列重量功率密度-效率最优解点，所述重量功率密度-效率最优解点构成所述重量功率密度-效率Pareto前沿。
本发明还提供了一种用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计系统，包括：
初始设置模块，用于设定系统参数、选择线圈形状、选择器件型号、设置边界条件；
设计参数确定模块，用于确定耦合器的变量参数、固定参数以及固定参数的数值，所述固定参数为设计过程中不变化的参数，所述固定参数至少包括电流密度、原边线圈长度、铁氧体单元尺寸以及谐振补偿拓扑中的一个，所述变量参数为设计过程中可变的参数，所述变量参数至少包括线圈尺寸、线圈形状、线圈匝数、铁氧体排布方案、气隙以及频率中的一个；
变量参数取值模块，用于确定变量参数的取值范围以及取值步长，并根据所述变量参数的取值范围以及取值步长确定变量参数的多个取值；
解点确定模块，用于将变量参数的多个取值分别与固定参数的取值进行组合，得到多组参数数据组合，即得到多个解点，每个解点为一个耦合器的设计方案；
可行域确定模块，用于结合约束条件，对所述解点进行筛选，得到优化问题的可行域，所述可行域由可行解点确定；
最优解点求解模块，用于根据需求构建目标函数，并采用Pareto优化算法，求解所述目标函数的最优解点；
设计模块，用于采用所述最优解点对应的设计方案设计耦合器。
可选的，所述可行域确定模块，具体包括：
可行域确定单元，用于以漏磁场强度、温升范围为约束条件，对所述解点进行筛选。
可选的，所述最优解点求解模块，具体包括：
目标函数构建单元，用于构建效率目标函数、成本目标函数和重量功率密度目标函数；
成本-效率Pareto前沿求解单元，用于根据所述效率目标函数和所述成本目标函数，采用Pareto优化算法求取成本-效率Pareto前沿；
重量功率密度-效率Pareto前沿求解单元，用于根据所述效率目标函数和所述重量功率密度目标函数，采用Pareto优化算法求取重量功率密度-效率Pareto前沿；
最优解点确定单元，用于根据所述成本-效率Pareto前沿和所述重量功率密度-效率Pareto前沿确定最优解点；
可选的，所述成本-效率Pareto前沿求解单元，具体包括：
效率求解子单元，用于根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
子区间划分子单元，用于将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
成本-效率Pareto前沿求解子单元，用于求取每个子区间内的成本最低点，得到一系列成本-效率最优解点，所述成本-效率最优解点构成所述成本-效率Pareto前沿。
可选的，所述重量功率密度-效率Pareto前沿求解单元，具体包括：
效率求解子单元，用于根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
子区间划分子单元，用于将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
重量功率密度-效率Pareto前沿求解子单元，用于求取每个子区间内的重量功率密度最高点，得到一系列重量功率密度-效率最优解点，所述重量功率密度-效率最优解点构成所述重量功率密度-效率Pareto前沿。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法及系统，通过采用仿真和编程手段对磁耦合器的参数进行优化，大幅缩减了开发周期，与现有技术相比，提高了效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法流程图；
图2为本发明实施例中用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法总流程图；
图3为本发明实施例中磁浮列车无线充电系统LCC-S谐振补偿电路图；
图4为本发明实施例中磁浮列车无线充电系统磁耦合器三维模型图；
图5为本发明实施例中选取匝数和铁氧体条数作为自变量的依据图；
图6为本发明实施例中求解可行域的流程图；
图7为本发明实施例中求解Pareto最优解集的流程图；
图8为本发明实施例中可行域及Pareto最优解集图；
图9为本发明实施例中用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的第一方面提供了一种用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤101：设定系统参数、选择线圈形状、选择器件型号、设置边界条件；
步骤102：确定耦合器的变量参数、固定参数以及固定参数的数值，所述固定参数为设计过程中不变化的参数，所述固定参数至少包括电流密度、原边线圈长度、铁氧体单元尺寸以及谐振补偿拓扑中的一个，所述变量参数为设计过程中可变的参数，所述变量参数至少包括线圈尺寸、线圈形状、线圈匝数、铁氧体排布方案、气隙以及频率中的一个；
步骤103：确定变量参数的取值范围以及取值步长，并根据所述变量参数的取值范围以及取值步长确定变量参数的多个取值；
步骤104：将变量参数的多个取值分别与固定参数的取值进行组合，得到多组参数数据组合，即得到多个解点，每个解点为一个耦合器的设计方案；
步骤105：结合约束条件，对所述解点进行筛选，得到优化问题的可行域，所述可行域由可行解点确定；
步骤106：根据需求构建目标函数，并采用Pareto优化算法，求解所述目标函数的最优解点；
步骤107：采用所述最优解点对应的设计方案设计耦合器。
本发明首先进行系统的初始化设置，然后确定多目标优化设计的设计空间，求解多目标优化设计的可行域，求解Pareto前沿，最后选取最优设计方案。
在上述实施例中，步骤101具体为：设定系统参数(工作频率、输出功率等级、输入输出电压等级)、选择线圈形状(圆形、矩形、双矩形)、选择材料(铁氧体型号、利兹线型号、电容型号等)、设置边界条件(漏磁场强度上限值、线圈外壳尺寸上限值、温度上升限值等)。
在上述实施例中，步骤102固定了一部分参数(比如，电流密度、原边线圈长度、铁氧体单元尺寸、谐振补偿拓扑等)、然后选取几个变量参数(比如线圈尺寸、线圈形状、线圈匝数、铁氧体排布方案、气隙、频率等)，并确定各个变量参数的取值范围和步长，通过组合，即得到包含N个独立点的设计空间。其中，磁浮列车无线充电系统中涉及的参量如表一所示，原则上表一中所有的量均可作为固定参数、变量参数或边界条件。虽然变化量的具体数目没有规定，但数目越多，设计程序势必越复杂。因此在实际应用中，一般通过一些预选步骤，先选取一部分作为固定参数，以减少变量参数的数目，降低程序编写难度并减少仿真时间。
表一
Figure BDA0002385405270000071
Figure BDA0002385405270000081
在上述实施例中，步骤105具体包括：
以漏磁场强度、温升范围为约束条件，对所述解点进行筛选，得到优化问题的可行域，所述可行域由可行解点确定。
多目标优化问题中，满足约束条件的解均称为可行解，所有可行解的集合称作可行域。首先利用理论计算或仿真手段，得到设计空间内每个点的耦合器自感、互感、耦合系数等参数；然后在此基础上利用基波分析法匹配谐振腔元件参数，并得到电路的电压电流参量；随后建立功率损耗计算模型，求解系统在磁耦合器、谐振补偿电路、逆变器及整流器中的损耗；估算每个点的效率、成本、重量功率密度、面积功率密度、偏移时耦合系数变化百分比等目标值；然后通过漏磁场强度、温升范围等约束条件，过滤掉一些不符合条件的解点；最后以目标函数f1、f2、f3为x、y、z坐标轴，画出每个解点的位置，这个包含了N个离散点的空间即为该优化问题的可行域，每个点都代表了一套独立的设计方案。
在上述实施例中，步骤106具体包括：
构建效率目标函数、成本目标函数和重量功率密度目标函数；
根据所述效率目标函数和所述成本目标函数，采用Pareto优化算法求取成本-效率Pareto前沿；
根据所述效率目标函数和所述重量功率密度目标函数，采用Pareto优化算法求取重量功率密度-效率Pareto前沿；
根据所述成本-效率Pareto前沿和所述重量功率密度-效率Pareto前沿确定最优解点。
在上述实施例中，成本-效率Pareto前沿的求取方法如下：
根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
求取每个子区间内的成本最低点，得到一系列成本-效率最优解点，所述成本-效率最优解点构成所述成本-效率Pareto前沿。
在上述实施例中，重量功率密度-效率Pareto前沿的求取方法如下：
根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
求取每个子区间内的重量功率密度最高点，得到一系列重量功率密度-效率最优解点，所述重量功率密度-效率最优解点构成所述重量功率密度-效率Pareto前沿。
在上述实施例中，步骤107具体为：在得到所有设计目标的Pareto最优解集后，根据应用场景需求，如效率大于95％，成本不高于某一数额等，在最优解集内选取最佳设计点，并直接导出该设计方案的自感、互感、耦合系数、谐振腔元件参数、电压电流值、功率传输效率、功率损耗、面积功率密度、重量功率密度、抗偏移距离、漏磁场强度等一系列设计参数，从而得到适合该应用场景的最佳设计方案。
上述实施例中总体流程图如图2所示。
下面以示例的方式对本发明进行解释说明：
一、初始设定。
1)设定系统参数：工作频率50kHz，输出功率等级5.5*8kW、输入电压750V，输出电压330V，负载20Ω，选取原边LCC副边S的谐振补偿拓扑，电路连接情况如附图3所示。
2)选择线圈形状：如附图4所示，原边线圈为50米的无铁芯长直导线轨，副边线圈选择矩形线圈，副边铁氧体条状均布。
3)设置边界条件：副边线圈长度<1400mm,宽度<240mm。4)选择材料：铁氧体选择PC40，线圈选择AWG38利兹线，电容选择TDK薄膜电容。
二、确定设计空间。
1)固定一部分参量：电流密度5A/mm2，气隙40mm，原边长度50米，副边线圈线径5mm。
2)选取自变量：副边线圈长度、副边线圈宽度、副边线圈匝数、铁氧体条数。
3)选取自变量取值范围和步长：
①副边线圈长度[900,1300]mm,步长100mm，共5个点，上限由壳体空间决定，下限为人工选取；
②副边线圈宽度[190,230]mm，步长5mm，共9个点，上限由壳体空间决定，下限为人工选取；
③副边线圈匝数[8,10,12]，共3个点，依据附图5(a)，同等条件下匝数变化时，耦合系数在N＝10时最大，因此选择10附近的3个点；
④铁氧体条数[56,62,66],共3个点，依据附图5(b)，同等条件下铁氧体条数变化时，铁损在条数62时接近最低，因此选择62附近的3个点。
4)于是得到包含5*9*3*3＝405个独立点的设计空间，如下表所示：
表二
变量名 含义 取值范围 取值个数
N<sub>2</sub> 副边线圈匝数 [8,10,12] 3
nFe 铁氧体条数 [56,62,66] 3
l<sub>2</sub> 副边线圈长度 [900,1300] 5
w<sub>2</sub> 副边线圈宽度 [190,230] 9
3*3*5*9＝405
三、求解可行域。
1、在Maxwell软件中建立磁耦合器三维模型，如附图4，进行sweep设置并仿真，得到所有可行点的原边自感、副边自感、原副边互感、铁芯损耗值、漏磁场强度值。
2、依据附图3，在matlab中导入上述磁耦合器参数值，并进行程序设计，结合附图6流程图，具体步骤为：
1)设置全局变量，导入maxwell仿真所得的405组数据；
2)采用4个内容分别为副边线圈长度、副边线圈宽度、副边线圈匝数和铁氧体条数的for循环，实现405个解点的循环设计，这四个变量的取值范围和步长取自步骤二；
3)采用自定义函数L1(X)、L2(X)、M(X)、CORELOSS(X)、Strayfield(X)读取每个解点的原边自感、副边自感、原副边互感、铁芯损耗值、漏磁场强度值；
4)计算耦合系数、谐振腔元件参数、各元件电压电流值；
5)设置导线、铁氧体、电容的损耗因子、密度及单价等参数，计算出耦合器效率值、建造成本值、重量功率密度值，即为示例的三个优化目标值；
6)保存每个解点的所有参数和结果；
7)以效率为横坐标，成本和功率密度分别为纵坐标，投影出两个平面解空间，将每组磁耦合器参数对应的目标函数值在坐标系中表示。
四、求Pareto最优解集。
本示例中选取了三个目标函数：效率，成本，重量功率密度。结合附图7流程图，求解效率-成本Pareto最优解集的程序设计步骤为：
1)编程求出效率最大值A，该点效率为Aeff；
2)编程求出成本最小值B，并求该点的效率Beff。A点和B点为Pareto前沿的首末端点；
3)取步长为0.01，将效率区间[Beff，Aeff]划分为N个小区间，利用Min函数求出每一小区间内的成本最低点，得到一系列最优解点；
4)将这一系列最优解点拟合成一条曲线，即为成本-效率Pareto前沿；
5)导出并保存所有小区间内获得的最优解点信息；
同理，将成本最低点替换为功率密度最高点，重复上述步骤，可得到功率密度-效率Pareto最优解集。
事实上，Pareto最优前沿应该是可行域三维空间内的某个曲面。但在本例中，构成冲突关系的目标只有两组，即成本-效率，重量功率密度-效率。成本和重量功率密度之间呈线性关系，不构成冲突。因此把Pareto前沿投影到两个平面坐标系中观察。最终得到的Pareto前沿见附图8。
五、结合附图8选取最优设计方案。首先，在附图8(a)中，显然匝数为8的方案在成本上占优，但这是以牺牲效率为代价的。观察发现匝数为10和12的方案均可以达到96％以上的效率，以此为基础，为了降低成本，选定匝数为10。在附图8(b)中，由于匝数为10时效率均能达到96％，功率密度将作为主要的选择依据。观察发现，铁氧体条数为56的方案在功率密度这一指标中占优，而且在同等情况下其成本必然比铁氧体62条或66条的方案低，因此选定铁氧体条数为56。在Pareto前沿上找到匝数为10，铁氧体条数为56，且效率尽可能大的点，于是得到最佳设计方案。导出该点其主要参数：原边尺寸：50m*0.2m，副边尺寸1.3m*0.2m，原边匝数1，副边匝数10，铁氧体条数56,；原边自感68μH，副边自感208μH，互感8.71μH，耦合系数0.073，效率96.08％，功率密度229.52W/kg，成本22413元。至此完成了磁浮列车无线充电系统磁耦合器的整体设计。
本发明的第二方面提供了一种用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计系统，如图9所示，该系统包括：
初始设置模块901，用于设定系统参数、选择线圈形状、选择器件型号、设置边界条件；
设计参数确定模块902，用于确定耦合器的变量参数、固定参数以及固定参数的数值，所述固定参数为设计过程中不变化的参数，所述固定参数至少包括电流密度、原边线圈长度、铁氧体单元尺寸以及谐振补偿拓扑中的一个，所述变量参数为设计过程中可变的参数，所述变量参数至少包括线圈尺寸、线圈形状、线圈匝数、铁氧体排布方案、气隙以及频率中的一个；
变量参数取值模块903，用于确定变量参数的取值范围以及取值步长，并根据所述变量参数的取值范围以及取值步长确定变量参数的多个取值；
解点确定模块904，用于将变量参数的多个取值分别与固定参数的取值进行组合，得到多组参数数据组合，即得到多个解点，每个解点为一个耦合器的设计方案；
可行域确定模块905，用于结合约束条件，对所述解点进行筛选，得到优化问题的可行域，所述可行域由可行解点确定；
最优解点求解模块906，用于根据需求构建目标函数，并采用Pareto优化算法，求解所述目标函数的最优解点
设计模块907，用于采用所述最优解点对应的设计方案设计耦合器。
在上述实施例中，所述可行域确定模块905，具体包括：
可行域确定单元，用于以漏磁场强度、温升范围为约束条件，对所述解点进行筛选。
在上述实施例中，所述最优解点求解模块906，具体包括：
目标函数构建单元，用于构建效率目标函数、成本目标函数和重量功率密度目标函数；
成本-效率Pareto前沿求解单元，用于根据所述效率目标函数和所述成本目标函数，采用Pareto优化算法求取成本-效率Pareto前沿；
重量功率密度-效率Pareto前沿求解单元，用于根据所述效率目标函数和所述重量功率密度目标函数，采用Pareto优化算法求取重量功率密度-效率Pareto前沿；
最优解点确定单元，用于根据所述成本-效率Pareto前沿和所述重量功率密度-效率Pareto前沿确定最优解点；
在上述实施例中，所述成本-效率Pareto前沿求解单元，具体包括：
效率求解子单元，用于根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
子区间划分子单元，用于将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
成本-效率Pareto前沿求解子单元，用于求取每个子区间内的成本最低点，得到一系列成本-效率最优解点，所述成本-效率最优解点构成所述成本-效率Pareto前沿。
在上述实施例中，所述重量功率密度-效率Pareto前沿求解单元，具体包括：
效率求解子单元，用于根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
子区间划分子单元，用于将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
重量功率密度-效率Pareto前沿求解子单元，用于求取每个子区间内的重量功率密度最高点，得到一系列重量功率密度-效率最优解点，所述重量功率密度-效率最优解点构成所述重量功率密度-效率Pareto前沿。
本发明具有以下优势：
1、本发明有效解决了磁浮列车无线充电系统磁耦合器设计的复杂度高、周期长等问题，通过提出一种基于仿真和编程手段的磁耦合器优化方法，大幅缩减开发周期，有利于推进磁浮列车无线充电系统的商业化应用。
2、本发明基于Pareto最优理论，将设计目标从单一的效率指标扩展为包括效率、成本、功率密度、抗偏移能力等在内的综合评价体系，有利于全面评价磁浮列车无线充电系统性能，提出折中优化的方案。
3、本发明提出了一套步骤分明的磁耦合器设计流程，为设计者提供了完整而流畅的设计思路和框架，解决了磁浮列车无线充电系统设计需要反复迭代、更改方案的弊病，有利于规范设计方法，提升设计的科学性与系统性。
4、本发明的设计框架为设计者提供了极大的灵活性，可根据不同的应用场景，选取不同的设计变量和优化目标，从而实现倾向性和侧重点不同的设计方案，便于在不同工程条件下进行设计方案修正和切换。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法，其特征在于，包括：
设定系统参数、选择线圈形状、选择器件型号、设置边界条件；
确定耦合器的变量参数、固定参数以及固定参数的数值，所述固定参数为设计过程中不变化的参数，所述固定参数至少包括电流密度、原边线圈长度、铁氧体单元尺寸以及谐振补偿拓扑中的一个，所述变量参数为设计过程中可变的参数，所述变量参数至少包括线圈尺寸、线圈形状、线圈匝数、铁氧体排布方案、气隙以及频率中的一个；
确定变量参数的取值范围以及取值步长，并根据所述变量参数的取值范围以及取值步长确定变量参数的多个取值；
将变量参数的多个取值分别与固定参数的取值进行组合，得到多组参数数据组合，即得到多个解点，每个解点为一个耦合器的设计方案；
结合约束条件，对所述解点进行筛选，得到优化问题的可行域，所述可行域由可行解点确定；
根据需求构建目标函数，并采用Pareto优化算法，求解所述目标函数的最优解点；
采用所述最优解点对应的设计方案设计耦合器。
2.根据权利要求1所述的用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法，其特征在于，所述结合约束条件，对所述解点进行筛选，具体包括：
以漏磁场强度、温升范围为约束条件，对所述解点进行筛选。
3.根据权利要求1所述的用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法，其特征在于，所述根据需求构建目标函数，并采用Pareto优化算法，求解所述目标函数的最优解点，具体包括：
构建效率目标函数、成本目标函数和重量功率密度目标函数；
根据所述效率目标函数和所述成本目标函数，采用Pareto优化算法求取成本-效率Pareto前沿；
根据所述效率目标函数和所述重量功率密度目标函数，采用Pareto优化算法求取重量功率密度-效率Pareto前沿；
根据所述成本-效率Pareto前沿和所述重量功率密度-效率Pareto前沿确定最优解点。
4.根据权利要求3所述的用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法，其特征在于，所述根据所述效率目标函数和所述成本目标函数，采用Pareto优化算法求取成本-效率Pareto前沿，具体包括：
根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
求取每个子区间内的成本最低点，得到一系列成本-效率最优解点，所述成本-效率最优解点构成所述成本-效率Pareto前沿。
5.根据权利要求3所述的用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计方法，其特征在于，所述根据所述效率目标函数和所述重量功率密度目标函数，采用Pareto优化算法求取重量功率密度-效率Pareto前沿，具体包括：
根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
求取每个子区间内的重量功率密度最高点，得到一系列重量功率密度-效率最优解点，所述重量功率密度-效率最优解点构成所述重量功率密度-效率Pareto前沿。
6.一种用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计系统，其特征在于，包括：
初始设置模块，用于设定系统参数、选择线圈形状、选择器件型号、设置边界条件；
设计参数确定模块，用于确定耦合器的变量参数、固定参数以及固定参数的数值，所述固定参数为设计过程中不变化的参数，所述固定参数至少包括电流密度、原边线圈长度、铁氧体单元尺寸以及谐振补偿拓扑中的一个，所述变量参数为设计过程中可变的参数，所述变量参数至少包括线圈尺寸、线圈形状、线圈匝数、铁氧体排布方案、气隙以及频率中的一个；
变量参数取值模块，用于确定变量参数的取值范围以及取值步长，并根据所述变量参数的取值范围以及取值步长确定变量参数的多个取值；
解点确定模块，用于将变量参数的多个取值分别与固定参数的取值进行组合，得到多组参数数据组合，即得到多个解点，每个解点为一个耦合器的设计方案；
可行域确定模块，用于结合约束条件，对所述解点进行筛选，得到优化问题的可行域，所述可行域由可行解点确定；
最优解点求解模块，用于根据需求构建目标函数，并采用Pareto优化算法，求解所述目标函数的最优解点；
设计模块，用于采用所述最优解点对应的设计方案设计耦合器。
7.根据权利要求6所述的用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计系统，其特征在于，所述可行域确定模块，具体包括：
可行域确定单元，用于以漏磁场强度、温升范围为约束条件，对所述解点进行筛选。
8.根据权利要求6所述的用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计系统，其特征在于，所述最优解点求解模块，具体包括：
目标函数构建单元，用于构建效率目标函数、成本目标函数和重量功率密度目标函数；
成本-效率Pareto前沿求解单元，用于根据所述效率目标函数和所述成本目标函数，采用Pareto优化算法求取成本-效率Pareto前沿；
重量功率密度-效率Pareto前沿求解单元，用于根据所述效率目标函数和所述重量功率密度目标函数，采用Pareto优化算法求取重量功率密度-效率Pareto前沿；
最优解点确定单元，用于根据所述成本-效率Pareto前沿和所述重量功率密度-效率Pareto前沿确定最优解点。
9.根据权利要求8所述的用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计系统，其特征在于，所述成本-效率Pareto前沿求解单元，具体包括：
效率求解子单元，用于根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
子区间划分子单元，用于将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
成本-效率Pareto前沿求解子单元，用于求取每个子区间内的成本最低点，得到一系列成本-效率最优解点，所述成本-效率最优解点构成所述成本-效率Pareto前沿。
10.根据权利要求8所述的用于磁浮列车无线充电系统的磁耦合器的设计系统，其特征在于，所述重量功率密度-效率Pareto前沿求解单元，具体包括：
效率求解子单元，用于根据所述效率目标函数，求解效率最大值和效率最小值；
子区间划分子单元，用于将所述效率最大值和所述效率最小值构成的区间划分为N个子区间；
重量功率密度-效率Pareto前沿求解子单元，用于求取每个子区间内的重量功率密度最高点，得到一系列重量功率密度-效率最优解点，所述重量功率密度-效率最优解点构成所述重量功率密度-效率Pareto前沿。
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