CN112087062B - 抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁耦合无线电能传输技术领域，具体公开了一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法，耦合机构包括拾取线圈和与拾取线圈相隔传输距离d的发射线圈；拾取线圈包括主线圈，以及从主线圈末端引出并反绕主线圈的抑制线圈，抑制线圈内径为g，外径为l，主线圈与抑制线圈之间相隔第一预设距离a4；主线圈和抑制线圈均为圆形，主线圈的内径为e，外径为c。拾取线圈通过在主线圈外反向绕制抑制线圈，可抑制线圈范围外与金属环境耦合的磁通，削弱金属对线圈自感、内阻、互感的影响，提高MC‑WPT系统在金属平面的工作效率，降低MC‑WPT工作中在金属内产生的涡流损耗，提升MC‑WPT系统的安全性。并且该耦合机构结构简单，易于推广应用。

Description

抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法
技术领域
本发明涉及磁耦合无线电能传输技术领域，尤其涉及一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法。
背景技术
近年来，随着磁耦合无线电能传输(Magnetic field Coupled Wireless PowerTransfer,MC-WPT)技术的发展，MC-WPT技术已在多个领域推广应用，同时也带来一系列的挑战，尤其是一些特殊的工作环境内。航天器供配电系统担负着向航天器平台和负载提供、储存、调节和分配电能的重要任务，一旦出现故障可能需要航天员在轨维修。为防止航天员拔插接插件等遭电击，供配电系统维修更换需要持续数小时的复杂操作过程，MC-WPT技术可凭借其可靠性、灵活性和安全性，解决有线供电系统中存在的电连接器插接精度要求高、插拔次数有限、插拔机构复杂等问题。得益于MC-WPT技术的可靠性、灵活性和安全性，该技术被应用于海洋领域，典型案例是水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)与海底基站或者母船对接充电。航天器与AUV等设备多采用金属材料作为密封壳，拾取线圈在金属壳体上镶嵌安装，为保证壳体结构强度，开窗尺寸不宜过大。同时拾取线圈与金属壳体在磁场中耦合，在WPT系统能量传输中，不仅会导致系统参数偏移、损耗增加，同时还会在壳体上形成涡流热，导致壳体局部温度上升，影响壳体性能。
为抑制金属于MC-WPT系统中的带来的系统失谐与减小涡流损耗等问题，目前已有的方法主要有增加空隙与设计线圈结构。增加空隙常常需要较大的开窗面积以确保金属与线圈之间有足够的空隙，但较大的开窗面积对设备的结构强度有一定的损害，不适用于本发明问题背景。
发明内容
针对现有无线电能传输系统拾取线圈与其同平面金属的相互耦合，导致系统参数失谐与涡流损耗等问题，为抑制该金属对耦合机构参数与系统性能的影响，提高MC-WPT系统在金属环境的适用性，本发明提供一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法。
为解决以上技术问题，本发明提供一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构，包括拾取线圈和与所述拾取线圈相隔传输距离d的发射线圈；
所述拾取线圈包括主线圈，以及从所述主线圈末端引出并反绕所述主线圈的抑制线圈，所述抑制线圈内径为g，外径为l，所述主线圈与所述抑制线圈之间相隔第一预设距离a4；所述主线圈和所述抑制线圈均为圆形，所述主线圈的内径为e，外径为c。
优选的，所述主线圈的匝数为所述抑制线圈的4至6倍。
优选的，所述抑制线圈采用层叠形式绕制。
本发明提供一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构，通过在无抑制线圈(主线圈)外反向绕制抑制线圈，可抑制线圈范围外与金属平面耦合的磁通，削弱金属对线圈自感、内阻、互感的影响，进一步提高MC-WPT系统在金属平面的工作效率，降低MC-WPT工作中在金属内产生的涡流发热，并通过COMSOL仿真与Simulink仿真验证了该耦合机构的参数设计方法的正确性及有效性。
本发明还提供一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法，包括步骤：
S1.根据应用需求确定上述拾取线圈的频率和围绕所述拾取线圈的金属板的开窗尺寸r，r＝a3+l，金属板为正方形，金属板边长与金属板开孔圆形的最短距离为a，金属板与拾取线圈之间的空隙宽度为a3；
S2.根据所述金属板的开窗尺寸r和第1～第4可调参数a1～a4确定所述拾取线圈的尺寸，包括所述主线圈的内径e、外径c以及所述抑制线圈的匝数n1、外径l和内径g；
S3.对所述步骤S2确定的拾取线圈进行验证，调整所述第1～第4可调参数a1～a4或直接修改所述主线圈的匝数n0和所述抑制线圈的匝数n1使得所述拾取线圈的内阻比值为最小，并输出此时所述拾取线圈的尺寸参数作为最佳尺寸参数；
S4.根据第五规律关系确定所述传输距离d，基于第六规律关系确定所述发射线圈的尺寸，包括所述发射线圈的内径e1、外径c1；
所述第1可调参数a1为基于第一规律关系确定的所述主线圈内径e与开孔半径也即金属板的开窗尺寸r的比值；所述第2可调参数a2＝1-n，n为根据第二规律关系确定的所述抑制线圈与所述主线圈的匝数比值；所述第3可调参数a3为根据绝缘要求和第三规律关系联合确定的所述金属板与所述抑制线圈之间的空隙宽度；所述第4可调参数a4为根据第四规律关系确定的所述主线圈与所述抑制线圈之间的空隙宽度；所述第一～第六规律关系为采用控制变量法仿真而得出。
进一步地，在所述步骤S2中，确定所述拾取线圈的尺寸所采用的公式为：
Figure GDA0003361514020000031
其中，r2为拾取线圈利兹线半径。
具体的，所述第一规律关系为采用控制变量法仿真得出的主线圈的内径e对品质因数的变化趋势；所述第二规律关系为采用控制变量法仿真得出的拾取线圈反向匝数比值与内阻比值在受金属影响下的变化趋势；所述第三规律关系为采用控制变量法仿真得出的拾取线圈参数随金属板边长与金属板开孔圆形的最短距离a与彼此间空隙宽度的变化趋势；所述第四规律关系为仿真得出的所述主线圈与所述抑制线圈在彼此间空隙进行磁场叠加的变化趋势。
具体的，所述第五规律关系为采用控制变量法仿真得出的在金属影响下发射线圈参数随传输距离d的变化趋势；所述第六规律关系为采用控制变量法仿真得出的发射线圈内径e1对品质因数的变化趋势。
本发明提供的一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法，根据金属板的开窗尺寸r和第1～第4可调参数a1～a4确定拾取线圈的尺寸，而第1～第4可调参数a1～a4的确定直接关乎拾取线圈受金属板影响的大小、品质因数的高低、拾取线圈参数(内阻、自感、互感)的高低，通过调整可调参数的值，可得出满足所需效果的拾取线圈的尺寸参数。发射线圈的尺寸参数和传输距离基于拾取线圈与相应的规律关系确定，从而在效率相等时保留较长的传输距离，实现了较高的传输效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的拾取线圈(无抑制线圈)与金属的结构图；
图2是本发明实施例提供的拾取线圈内径对品质因数的影响曲线图；
图3是本发明实施例提供的在金属影响下耦合机构参数随传输距离的变化趋势曲线图；
图4是本发明实施例提供的拾取线圈参数随金属环宽度、空气间隙宽度的变化趋势图；
图5是本发明实施例提供的在金属影响下MC-WPT系统(无抑制线圈)的电路拓扑图；
图6是本发明实施例提供的图7的简化等效电路图；
图7是本发明实施例1提供的一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构的结构图；
图8是本发明实施例1提供的图7中拾取线圈的俯视图；
图9是本发明实施例1提供的无抑制线圈(主线圈)和带抑制线圈(拾取线圈)的磁通分布图；
图10是本发明实施例1提供的拾取线圈磁场强度随反向匝数变化的趋势图；
图11是本发明实施例1提供的不同匝数的抑制线圈的绕制方法展示图；
图12是本发明实施例1提供的拾取线圈的参数随抑制线圈匝数变化的趋势图；
图13是本发明实施例1提供的反向匝数比值与内阻比值在受金属影响下的变化趋势图；
图14是本发明实施例2提供的一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法的流程图；
图15是本发明实施例3提供的一种MC-WPT系统的Simulink仿真模型图；
图16是本发明实施例3提供的图15所示模型中逆变器的输出电压、电流波形图；
图17是本发明实施例3提供的有抑制线圈和无抑制线圈的MC-WPT系统在无金属、铝金属和铁金属下的效率直方图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
已知金属于MC-WPT系统中会带来参数失谐与涡流损耗等问题，本实施例首先探讨金属对线圈参数的影响。
针对航天、水下等应用背景，拾取线圈(也可称为接收线圈)一般镶嵌于设备上，与金属同平面，而发射线圈与拾取线圈一般尺寸相同。参见图1，为耦合线圈与金属环的结构图，其中a为金属环宽度，a3为空气间隙宽度(金属环与线圈之间的空隙宽度)，c为拾取线圈外径，d为传输距离，e为拾取线圈内径，c1为发射线圈外径，e1为发射线圈内径。在COMSOL中建立图1所示结构的仿真模型，仿真得到线圈参数，包括线圈内阻、自感、互感。其中发射与拾取线圈内径e为40mm、外径c为100mm，金属环厚度与导线线径均为2mm，所有数据均以无金属影响且传输距离d＝50mm时拾取线圈的参数为标准归一化处理。
首先采用控制变量法分析拾取线圈内径的取值对线圈品质因数(Q)的影响，得到线圈内径的最佳取值点，如图2所示。然后采用控制变量法分析不同金属材料(铁和铝)对传输距离d的影响，得到传输距离的取值范围，如图3所示。最后依旧采用控制变量法分析拾取线圈平面金属宽度a与空隙宽度a3变化对线圈参数(包括内阻Rs比值、自感Ls比值和互感Mps比值)的影响，总结金属对线圈参数的影响，仿真结果见图4。
从图3可见，当传输距离较小时，金属对发射线圈影响较大，传输性能差；当传输距离较大时，金属对发射线圈的影响较小，但此时的互感较低，意味着维持接收端的感应电压不变需要更大的激励电流，发射端的损耗将增大，影响到系统传输性能。不同材料的对线圈的影响趋势相同、幅值不同，但铁磁性金属铁板对线圈内阻幅值的影响显著大于铝板。考虑到随着传输距离d的增大，线圈品质因数的增加与互感的降低，当互感/内阻存在极大值时，选择极大值点周边的值作为最佳传输距离。如图d＝40mm处，考虑到d过小会导致对线圈自感与内阻受影响过大，因此选择极大值点后发射线圈受影响较小且互感较大的点作为最佳传输距离，如d＝50mm处。当不存在极大值时，根据需求综合选取发射线圈受影响较小且互感较大的点作为最佳传输距离。
图4中(a)、(b)、(c)为金属环内径和拾取线圈外径等于100mm时，即空气间隙宽度a3为0时，金属环宽度a增大对拾取线圈参数影响的趋势，(d)、(e)、(f)为金属环外径为800mm时，金属环与拾取线圈之间空气间隙宽度a3增大对拾取线圈参数影响的趋势，图中虚线分隔的区域表示横坐标的不同范围。从图6(a)、(c)、(e)可知，随着金属环宽度a增加，线圈等效内阻先升后降，线圈等效自感与互感单调递减，当金属环宽度大于20mm时，不同材料金属对线圈自感与互感的影响逐渐重合。从图4(b)、(d)、(f)可知，随着空气间隙宽度a3增加，金属对线圈等效内阻、等效自感与互感的影响逐渐降低，在空隙达到400mm，即金属开窗半径达到线圈半径的4倍时，金属板对线圈参数的影响基本为零。总的来说，若采用增大空气间隙的方式抑制金属对线圈的影响则需要较大的开窗尺寸，如本模型中线圈半径的四倍；金属对线圈自感与互感的影响趋势一致，且在金属宽度较大时，对线圈自感与互感的影响大致重合；同一尺寸下，铁磁性金属板对线圈参数影响略大于非铁磁性金属板。
从图4(a)、(c)、(e)可知，对线圈参数影响最大的为最靠近线圈的金属环。从图4(b)、(d)、(f)可知，将靠近线圈边界的金属削掉可稳步降低金属对线圈参数的影响。因此可通过耦合机构设计来削弱经过线圈周围金属的磁通，降低该部分金属与拾取线圈的耦合，实现抑制金属对线圈参数影响的效果。
下面探讨金属对MC-WPT系统性能的影响。
图5为受金属板影响下的LCC/S补偿拓扑MC-WPT系统电路原理图，EDC为直流电压源，开关管S1、S2、S3、S4构成逆变桥，L1与C1、C2分别为LCC谐振网络的谐振电感与谐振电容，Coilp为发射线圈，Coils为拾取线圈，Cs为接收端谐振补偿电容，整流二极管D1、D2、D3、D4构成整流桥，Cf为滤波电容，RL为负载等效电阻，Metal为金属板。将图5简化后可得到图6(a)所示的等效简化模型1，其中交流电压源U0为直流源Uin与逆变桥等效而成，金属模型由Metal金属板等效而成，负载Re为整流桥、滤波电容Cf与负载RL等效而成。交流电压源U0提供的高频电压经过由LCC谐振网络形成高频交变电流
Figure GDA0003361514020000071
经过磁耦合在接收端产生感应电动势
Figure GDA0003361514020000072
该感应电动势在接收端产生高频电流
Figure GDA0003361514020000073
Figure GDA0003361514020000079
经过拾取线圈Coils产生的磁场不仅反射到发射端形成感应电动势
Figure GDA0003361514020000074
还与金属模型磁耦合，在金属模型中产生感应电压
Figure GDA0003361514020000075
与感应电流
Figure GDA0003361514020000076
同时金属模型涡流产生的磁场反射到接收端形成感应电动势
Figure GDA0003361514020000077
由基尔霍夫电流定律分析图6(a)拓扑结构可得：
Figure GDA0003361514020000078
解方程推导出金属物体在接受端的反射阻抗为：
Figure GDA0003361514020000081
由式(2)可推知，金属带来的反射阻抗Zrm对系统的影响可划归到等效内阻Rs'与等效电感Ls'上，可得到如图6(b)所示的简化等效电路2。结合图4(a)与Rs'分析，可知随着金属环宽度a增加，金属截面积增大，金属内阻Rm增大，与公式(2)中Rs'随Rm增大的变化趋势相吻合。同时Zrm会使得等效电阻增大，等效电感降低，副边失谐，影响系统传输功率，一般来说需要重新配谐后才能继续使用。不仅如此，金属的存在还会影响系统的发射与拾取线圈的互感，从图4(e)可知会使得等效互感Msp'降低。Ls'的受金属影响的减小可通过提前仿真配谐的方式抵消，由基尔霍夫方程推导出LCC/S补偿拓扑的补偿配谐后输出功率Pout与效率η为：
Figure GDA0003361514020000082
分析式(3)可见：Rs'的增大与Msp'的降低会使得输出功率降低，由于LCC/S结构配谐后副边电阻的变化与发射端无关的特性可知，Rs'增大后对发射端并无影响，因此从能量守恒角度推知，Rs'增加的部分内阻乘以经过Rs'的电流的平方，即为金属中产生的涡流热损，降低Rs'即为降低涡流热。从Zrm表达式可知金属对系统带来的影响均其互感Msm'的平方成正相关，由法拉第电磁感应定律可知，闭合线圈内磁通量的变化率等于感应电动势的大小，而金属物体内感应电动势为
Figure GDA0003361514020000083
在发射端激励电流与频率不变时，磁通变化量就与互感直接相关。因此可通过削弱经过金属物体的磁通，来削弱线圈与金属物体的互感以实现抑制线圈范围外金属对耦合机构的影响，减小金属带来的涡流热损与参数偏移。
实施例1
为通过耦合机构来削弱经过线圈周围金属的磁通，降低该部分金属与拾取线圈的耦合，实现抑制金属对线圈参数影响的效果，本实施例基于上述探讨内容，设计了一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构，如图7、8所示(保留了图1中相同属性的参数)，包括拾取线圈和与拾取线圈相隔传输距离d的发射线圈；
拾取线圈包括主线圈(内径e、外径c)，以及从主线圈末端引出并反绕主线圈的抑制线圈(内径为g、外径l)，主线圈与抑制线圈之间相隔第一预设距离a4；主线圈和抑制线圈均为圆形，主线圈的内径为e，外径c。
相较于图1所示拾取线圈模型，图7、8则增加了抑制线圈，以及为了证明抑制线圈在各角度宽度不同的金属影响下具有抑制效果，选择金属板为正方形，a表示正方形金属板边长与开孔圆形的最短距离，2(a+a3+l)为正方形边长，此处a取150mm，金属开窗半径r取100mm，传输距离d取50mm。
为便于分析，在金属板开窗尺寸、发射线圈尺寸、传输距离d不变的情况下，分析图7、8所示的拾取线圈(抑制线圈)与无抑制线圈(图1所示拾取线圈)的对周围磁场以及线圈内阻、自感、互感的影响。
一般常用的无抑制线圈产生的磁通如图9(a)所示，主线圈内部激励的磁力线都将从线圈外回归，为削弱经过线圈外围的磁通，可利用通电导线产生的磁场随距离增加指数级衰减的特性，在金属边界位置反向绕制几匝线圈使其电流流向与主线圈相反，如图9(b)，既可有效抵消线圈范围外经过金属的磁通，又更大程度地降低对主线圈的磁通的影响。
通过COMSOL仿真建立抑制线圈在不同反向匝数时的磁通分布如图10所示。图10(a)、(b)、(c)分别表示线圈表面、轴向50mm处、线圈范围外边界处的磁通强度随抑制线圈反向匝数变化的趋势，x代表空间中距圆心轴线的垂直距离。从图中可以看出，随着反向匝数的增多，x＝100mm的线圈边界点磁场强度的绝对值先降后增，这是由于磁场方向改变所致。而x＝150mm处的点磁场强度则一直降低，说明该结构可抑制线圈范围外的磁通。
为充分利用空间，靠近金属的反向线圈可采用层叠形式，经仿真后得出图11所示反向匝数在9匝内3*3形式的最佳绕制方法作为参考。
仿真分析不同金属材料影响下，抑制线圈反向匝数对线圈参数的影响与耦合机构仿真模型如图12所示。
图12中的(a)、(b)、(c)为线圈参数随抑制线圈反向匝数变化的趋势图，其中抑制线圈反向匝数为0即为常见的无抑制线圈，为便于分析，参数图均以反向0匝的线圈参数为标准且经过归一化处理，图12(d)则展现用来金属板与线圈的位置与形状，其中发射线圈内径40mm、外径90mm，拾取线圈内径40mm、外径99mm，传输距离50mm，金属板厚度与线圈线径均为2mm。从图12可知，金属板使得线圈内阻增大，自感与互感降低，且铁金属板对内阻的增幅要大于铝金属板。随着反向匝数的增多，线圈内阻与自感先减少后增加，且分别在反向5匝与7匝达到最低点。抑制线圈在金属板的影响下等效内阻更小，意味着MC-WPT系统工作时在金属内产生涡流更小，金属发热量减小，即抑制了MC-WPT系统对周围金属的影响。总的来说，抑制线圈中抑制线圈的加入降低了金属影响下线圈等效内阻，同时抑制了不同材料金属对线圈自感与互感的降低，全方位优于无抑制线圈时在金属影响下的参数。
为得到抑制线圈的反向匝数与主线圈匝数的一般性关系，建立如图12(d)所示的多个不同开孔尺寸的耦合机构仿真模型进行仿真，得到如图13所示的反向匝数n1与主线圈匝数n0的比值n在不同材料影响下与等效内阻的关系。图例中不同虚实的线代表金属板的开窗半径，由于背景要求开窗尺寸较小，因此开窗半径仿真范围为50～150mm。
从图13中可以看出使得抑制线圈在金属板开窗半径50～150mm之间的最佳匝数比n均在1/6～1/4之间，即主线圈的匝数为抑制线圈的4至6倍。
本发明实施例提供的一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构，通过在拾取线圈的无抑制线圈(主线圈)外反向绕制线圈(抑制线圈)，可抑制线圈范围外与金属平面耦合的磁通，削弱金属对线圈自感、内阻、互感的影响，进一步提高MC-WPT系统在金属平面的工作效率，降低MC-WPT工作中在金属内产生的涡流发热，并通过COMSOL仿真与Simulink仿真验证了该线圈的可靠性及有效性。
实施例2
本发明还提供一种应用于实施例1所述抑制周围金属影响的耦合机构的参数设计方法，如图14所示，包括步骤：
S1.根据应用需求确定实施例1所述拾取线圈的频率和围绕拾取线圈的金属板的开窗尺寸r，r＝l+a3，a3为金属板与拾取线圈之间的空隙宽度；
S2.根据金属板的开窗尺寸r和第1～第4可调参数a1～a4确定拾取线圈的尺寸，包括主线圈的内径e、外径c以及抑制线圈的匝数n1、外径l和内径g；
S3.对步骤S2确定的拾取线圈进行验证，调整第1～第4可调参数a1～a4或直接修改主线圈的匝数n0和抑制线圈的匝数n1使得拾取线圈的内阻比值为最小，并输出此时拾取线圈的尺寸参数作为最佳尺寸参数；
S4.根据第五规律关系确定所述传输距离d，基于第六规律关系确定所述发射线圈的尺寸，包括发射线圈的内径e1、外径c1。
在步骤S2中，确定拾取线圈的尺寸所采用的公式为：
Figure GDA0003361514020000111
其中，r2为拾取线圈利兹线半径。
由应用需求确定金属板开窗半径r以及根据功率等级及应用标准确定频率f，再由f确定利兹线单股导线线径，再由功率等级确定利兹线股数，可得到发射线圈、拾取线圈利兹线用线半径r2。
其中，第1可调参数a1为基于第一规律关系确定的主线圈内径e与与线圈开孔半径也即金属板的开窗尺寸r的比值；第一规律关系为采用控制变量法仿真得出的主线圈的内径e对品质因数的变化趋势，参考图2；
第2可调参数a2＝1-n，n为根据第二规律关系确定的抑制线圈与主线圈的匝数比值；第二规律关系为采用控制变量法仿真得出的拾取线圈反向匝数比值与内阻比值在受金属影响下的变化趋势，即图12；
第3可调参数a3为根据绝缘要求和第三规律关系联合确定的金属板与抑制线圈之间的空隙宽度；第三规律关系为采用控制变量法仿真得出的拾取线圈参数随a与彼此间空隙宽度的变化趋势，即图4；
第4可调参数a4为根据第四规律关系确定的主线圈与抑制线圈之间的空隙宽度；第四规律关系为主线圈与抑制线圈在彼此间空隙进行磁场叠加的变化趋势，保持该空隙是为了避免主线圈与抑制线圈在该区域的磁场叠加出现磁饱和而设置，根据以往的试验设定，约为1～2匝线径宽度即可；
第五规律关系为采用控制变量法仿真得出的在金属影响下传输距离d对发射线圈的变化趋势，即图3；
第六规律关系为采用控制变量法仿真得出的发射线圈内径e1对品质因数的变化趋势，可参考以下对图2的分析过程，这里不再阐述。
图2为线圈内径取值对品质因数Q的影响，从图中可以看出，随着线圈内径的增加，品质因数先增后减，存在极大值，但是在极值点周围Q的变化率缓慢，考虑到用最短的线长达到最高的Q值的目标，因此将最佳内径取值由极值点增加到Q值变化速率开始快速变化的位置，且该位置与Q值最大点相差不大于10％，根据上述规律，找到最佳内径取值e约为40mm。同时为便于分析，也为增大线圈互感与品质因数，线圈外径c一般尽可能取最大值，即金属板的开窗半径r，图2中线圈外径为定值100mm。因此，本文选择内径取值为外径的2/5作为经验参数a1的取值。
若Rs比值不是最小，可直接增减主线圈或者抑制线圈的匝数或者调整式(4)中的可调参数a1～a4，在其取值区间内重新取值得出新的抑制线圈尺寸再次进行判断，得出最佳的抑制线圈尺寸c、e、l、g与n。再进一步分析传输距离d对线圈内阻、自感、互感的影响曲线，按需求择优选择最佳传输距离。再按照与图2原理相一致的分析方法确定发射线圈内径e1与外径c1。最后给出确定的耦合机构尺寸，包括抑制线圈的c、e、l、g与n，传输距离d，发射线圈c1、e1。
本发明实施例提供的一种抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法，根据金属板的开窗尺寸r和第1～第4可调参数a1～a4确定拾取线圈的尺寸，而第1～第4可调参数a1～a4的确定直接关乎受金属板影响的大小、品质因数的高低、拾取线圈参数(内阻、自感、互感)的高低，通过调整可调参数的值，可得出满足所需效果的拾取线圈的尺寸参数。在确定了拾取线圈的尺寸参数后，再进一步确定拾取线圈与发射线圈之间的传输距离d，最后确定发射线圈的尺寸参数。如此设计出的耦合机构，在耦合效果上能够达到最优。
实施例3
本实施例提供一种MC-WPT系统，包括发射端和接收端，发射端包括实施例1耦合机构中的发射线圈，接收端包括实施例1耦合机构中的拾取线圈(拾取线圈)。
所述发射端还包括与图5相同的顺序连接的直流源、逆变桥、LCC谐振网络，所述LCC谐振网络连接发射线圈；接收端还包括与图5相同的顺序连接的谐振补偿电容、整流桥、滤波电容和负载，谐振补偿电容连接拾取线圈。
本实施例提供的MC-WPT系统，基于实施例1所述耦合机构，搭建了相关的传输线路，将上述耦合机构应用在实际工作中，比如水下自主航行器与海底基站或者母船对接充电，基于耦合机构中拾取线圈的主动抑制设计，可抑制线圈范围外与金属平面耦合的磁通，削弱金属对线圈自感、内阻、互感的影响，进一步提高MC-WPT系统在金属平面的工作效率，降低MC-WPT工作中在金属内产生的涡流发热。
下面对该MC-WPT系统进行仿真分析和验证。
根据图5建立Simulink仿真模型如图15所示，将实施例2所述相关线圈参数代入图15所示Simulink仿真中进行分析，验证抑制线圈在MC-WPT系统中的有效性，线圈参数见表1。图15中L0＝38.83uH，Cp＝90nF，Cp1＝35nF，配谐均以无金属影响时的参数为准，负载设置为9Ω，设置输出电压为34V，即8节4.2V锂电池串联。
表1.耦合机构参数
Figure GDA0003361514020000141
将参数代入模型中，仿真中验证金属对系统的影响，逆变输出波形与系统效率分别如图16、17所示，图16中(a)、(c)、(e)分别为无抑制线圈在无金属影响、Al(铝)金属影响与Fe(铁)金属影响下的逆变波形，(b)、(d)、(f)分别为为抑制线圈在无金属影响、Al金属影响与Fe金属影响下的逆变波形，其中由于无抑制线圈与抑制线圈的互感不同，在输出稳压34V时，两种线圈结构的输入电压分别为36V与63V。
分析图16的波形图与图17的效率图可知，在无金属影响时，各结构线圈效率相当，逆变输出电流波形幅值大。但是放置于金属环境下，无抑制线圈由于线圈等效自感降低与等效内阻增加导致的系统输入阻抗增大，使得逆变输出电流幅值与效率显著下降。而主动式抑制线圈逆变输出电流与效率受到的影响小，说明主动式抑制线圈对金属影响存在明显的抑制效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法，所述耦合机构包括拾取线圈和与所述拾取线圈相隔传输距离d的发射线圈；所述拾取线圈包括主线圈，以及从所述主线圈末端引出并反绕所述主线圈的抑制线圈，所述抑制线圈内径为g，外径为l，所述主线圈与所述抑制线圈之间相隔第一预设距离a4；所述主线圈和所述抑制线圈均为圆形，所述主线圈的内径为e，外径为c；其特征在于，该参数设计方法包括步骤：
S1.根据应用需求确定所述拾取线圈的频率和围绕所述拾取线圈的金属板的开窗尺寸r，r＝a3+l，金属板为正方形，金属板边长与金属板开孔圆形的最短距离为a，金属板与拾取线圈之间的空隙宽度为a3；
S2.根据所述金属板的开窗尺寸r和第1～第4可调参数a1～a4确定所述拾取线圈的尺寸，包括所述主线圈的内径e、外径c以及所述抑制线圈的匝数n1、外径l和内径g；
S3.对所述步骤S2确定的拾取线圈进行验证，调整所述第1～第4可调参数a1～a4或直接修改所述主线圈的匝数n0和所述抑制线圈的匝数n1使得所述拾取线圈的内阻比值为最小，此时得到的拾取线圈尺寸参数作为最佳尺寸参数；
S4.根据第五规律关系确定所述传输距离d，基于第六规律关系确定所述发射线圈的尺寸，包括所述发射线圈的内径e1、外径c1；
所述第1可调参数a1为基于第一规律关系确定的所述主线圈内径e与线圈开孔半径也即金属板的开窗尺寸r的比值；所述第2可调参数a2＝1-n，n为根据第二规律关系确定的所述抑制线圈与所述主线圈的匝数比值；所述第3可调参数a3为根据绝缘要求和第三规律关系联合确定的所述金属板与所述抑制线圈之间的空隙宽度；所述第4可调参数a4为根据第四规律关系确定的所述主线圈与所述抑制线圈之间的空隙宽度；所述第一～第六规律关系为采用控制变量法仿真而得出。
2.如权利要求1所述的抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法，其特征在于：所述主线圈的匝数为所述抑制线圈的4至6倍。
3.如权利要求1所述的抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法，其特征在于：所述抑制线圈采用层叠形式绕制。
4.如权利要求1～3任意一项所述的抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，确定所述拾取线圈的尺寸所采用的公式为：
Figure FDA0003361514010000021
其中，r2为拾取线圈利兹线半径。
5.如权利要求1～3任意一项所述的抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法，其特征在于，所述第一规律关系为采用控制变量法仿真得出的主线圈的内径e对品质因数的变化趋势；所述第二规律关系为采用控制变量法仿真得出的拾取线圈反向匝数比值与内阻比值在受金属影响下的变化趋势；所述第三规律关系为采用控制变量法仿真得出的拾取线圈参数随金属板边长与金属板开孔圆形的最短距离a与彼此间空隙宽度a3的变化趋势；所述第四规律关系为仿真得出的所述主线圈与所述抑制线圈在彼此间空隙进行磁场叠加的变化趋势。
6.如权利要求1～3任意一项所述的抑制拾取线圈平面金属影响的耦合机构参数设计方法，其特征在于：所述第五规律关系为采用控制变量法仿真得出的在金属影响下发射线圈参数随传输距离d的变化趋势；所述第六规律关系为采用控制变量法仿真得出的发射线圈内径e1对品质因数的变化趋势。
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