CN116131480A - 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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卢祁彪
刘文龙
赵勇超
王佳
路则雪
夏晨阳
廖志娟
刘旭
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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，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感应强度大小均匀；接收线圈为空间结构上完全相同的两个矩形空间弯曲线圈，线圈短边弯曲角度为180°即半圆形，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间距进行全局优化设计，通过有约束的单目标函数的非线性数学规划，确定发射线圈间距最佳值，使发射线圈与两矩形空间弯曲线圈之间的互感值之和在不同横向偏移位置处仍能达到最大值，且波动在较小范围之内，保持系统高输出效率，提升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
本发明涉及无线电能传输技术领域，特别是涉及一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈。
背景技术
在电力电网传输方面，传统采用金属导线和电缆线等介质进行输电的方法，在繁重复杂的电路网络中必定会产生不同程度的传输损耗、线路老化以及尖端放电等问题，从而增加了安全隐患，还给一些易燃、易爆场景的供电设计带来了极大的困扰；在电力的日常生活使用方面还存在使用有线充电器有位置距离限制、有线充电减少用电设备寿命等各种问题，有线传输电的方式显然已经很难满足现代社会各方面的应用要求。
19世纪末20世纪初，著名的天才科学家特斯拉大胆的提出了无线电能传输的设想，1893年，他在哥伦比亚世界博览会上首次使用无线电能传输的方式点亮了一盏灯，这一伟大事件也标志着电能无线传输成为可能，虽然对世界的任何一个物体都能够无线充电的目标未能完成，但这一事件将无线电能传输技术真正展现在了世界眼前，也让无线电能传输技术成为了之后几个世纪学者们热衷的研究方向。
到2007年，美国麻省理工学院以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，他们使用耦合线圈，以40％的效率点亮了2米外功率为60W的灯泡，这一次里程碑式的进展，使得对无线电能传输技术的研究再次进入高潮，从此，无线电能传输技术开始向生活中的各个应用场景发展，开启了应用领域多元化时期。
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，在实际无线电能传输系统中，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
为了解决以上技术问题，本发明提供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，发射线圈设置为在同一高度平面上产生的磁感应强度均匀分布的方形平面螺旋线圈；接收线圈包括两个空间结构完全相同的矩形空间弯曲线圈，矩形空间弯曲线圈的短边弯曲角度设置为180°，即沿自身长边方向的横截面设置为半圆形，矩形空间弯曲线圈中的相邻线圈之间间距相同；
发射线圈中各线圈每边长在空间中某点产生的磁感应在竖直方向上的投影大小满足以下解析方程组：
Figure BDA0004059910010000021
L(i)＝L(1)+2(i-1)d(i)(i＝1,2,...,14,15)
其中，BABz(i)、BBCz(i)、BCDz(i)以及BDAz(i)分别为发射线圈第i匝线圈中四条边在空间中某点产生的磁感应强度在竖直方向上的投影大小；μ0为真空磁导率；I为发射线圈中所通入的电流；L(i)为发射线圈各匝边长；L(1)为最内圈第一匝发射线圈边长；d(i)为第i匝与第i-1匝之间的间距，d(1)＝0；在等效后的接收线圈所在平面中，以发射线圈中心在此平面中的投影点位为坐标原点建立三维坐标系，则(x、y)表示等效后接收线圈所在平面的任一点；h为发射线圈所在平面与等效接收线圈所在平面之间的垂直距离。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，发射线圈和接收线圈均设置为金属线圈或者利兹线。
前所述的一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，发射线圈的匝数设置为15匝，接收线圈的匝数设置为3匝。
前所述的一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，发射线圈与接收线圈之间的互感表示为：
Figure BDA0004059910010000031
其中，Φ为发射线圈对接收线圈产生的感应磁通大小；M为发射线圈与接收线圈之间的互感值；l11、l12分别为等效平面接收线圈最外圈的长边与短边边长，l21、l22分别为等效平面接收线圈中间圈的长边与短边边长，l31、l32分别为等效平面接收线圈最内圈的长边与短边边长；BAB(i)、BBC(i)、BCD(i)以及BDA(i)分别为第i匝线圈中四条边在空间中产生的磁感应强度大小。
前所述的一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，发射线圈中各匝线圈的间距根据发射线圈与两矩形空间弯曲线圈之间产生的互感之和在不同偏移位置处的最大值得到；采用遗传算法计算发射线圈与接收线圈之间互感解析方程组的全局最优解。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中，以发射线圈各匝线圈间距为决策变量，以发射线圈与接收线圈内两矩形空间弯曲线圈之间产生的互感之和在不同偏移位置处的最大值为目标函数，采用遗传算法对发射线圈的各匝线圈间距进行全局优化设计，使线圈在一定偏移下保持最大互感值基本不变，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，使其具备更高的稳定性；
(2)本发明中，采用一方形平面螺旋线圈、两矩形空间弯曲线圈的结构，适用电流可达10A上下，能够满足大多数现代无人机的充电要求，且接收线圈为弯曲线圈，倒扣固定在无人机起落架处可最大程度上的减少线圈体积，降低无人机的空间利用程度，减轻无人机承载负担，从而保证无人机正常功能的使用；且线圈组结构简单，可操作性高，可根据无人机与平台的大小改变算法变量和约束条件，具有适用范围广、实用性大以及可移植性强的优点。
附图说明
图1为本发明实施例中发射线圈和接收线圈的结构示意图；
图2为本发明实施例中进行优化设计的遗传算法流程图；
图3为本发明实施例中无人机采用等间距发射线圈参数配置时，把接收线圈分别放置在表3所示的不同偏移位置处得到的互感分布折线图；
图4为本发明实施例中无人机采用表2中第一组间距参数配置时，把接收线圈分别放置在表3所示的不同偏移位置处得到的互感分布折线图；
图5为本发明实施例中无人机采用表2中第二组间距参数配置时，把接收线圈分别放置在表3所示的不同偏移位置处得到的互感分布折线图；
图6为本发明实施例中无人机采用表2中第三组间距参数配置时，把接收线圈分别放置在表3所示的不同偏移位置处得到的互感分布折线图；
图7为本发明实施例中无人机采用表2中第四组间距参数配置时，把接收线圈分别放置在表3所示的不同偏移位置处得到的互感分布折线图；
图8为本发明实施例中无人机采用表2中第五组间距参数配置时，把接收线圈分别放置在表3所示的不同偏移位置处得到的互感分布折线图；
图9为本发明实施例中优化前等间距发射线圈在高度5mm平面上的磁感应强度分布图；
图10为本发明实施例中利用遗传算法优化所选出的最优不等间距发射线圈在高度5mm平面上的磁感应强度分布图；
图11为本发明实施例中等间距无优化线圈与各组优化后的线圈在y轴方向无偏移时互感值随x轴方向上不同偏移量的变化折线图。
具体实施方式
本实施例提供的一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，结构如图1所示，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感应强度均匀分布；接收线圈包括两个空间结构完全相同的矩形空间弯曲线圈，矩形空间弯曲线圈的短边弯曲角度设置为180°，即半圆形，矩形空间弯曲线圈中的相邻线圈之间间距相同；发射线圈固定在平面基板上，接收线圈以其特别设计的空间几何形状，倒扣固定在无人机底部圆柱起落架上；为了便于绕制，发射线圈和接收线圈均为金属线圈或利兹线。
对于发射线圈，方形线圈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分布更为均匀，且相对于无人机起落架两条细长结构来讲，方形线圈产生的近似矩形的磁场分布更能够贴合这种结构，因此更加满足两平行细长接收线圈共同的磁感应需求，故本实施例采用方形线圈。
对于接收线圈，本实施例的初衷为设计一种无线电能传输结构，并把该结构应用在无人机上，保证能够提供无人机较高的充电效率的同时，最大程度的减少接收线圈对无人机周边空间的使用情况，减小对无人机正常功能使用的影响，最大程度的减少线圈重量，减轻无人机因无线充电装置而额外增加的载重量，保证无人机正常的续航时间与载重能力，因此，本实施例所选接收线圈结构为在空间结构上完全相同的两个矩形空间弯曲线圈，短边线圈弯曲角度为180°。
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各匝线圈间距d(i),i＝1,2,...,N，N为发射线圈总匝数，考虑到工程误差，同时便于分析，本实施例将上述决策变量设定为整型变量；
因本实施例所面对的使用对象是无人机，为使理论与实际更好地结合，研发的线圈可以更好地用于现实，本实施例通过实际测量ZD550型无人机起落架的大小确定了接收线圈的参数配置：通过测量得知ZD550型无人机起落架圆柱截面直径为9mm，周长为28.26mm，下半部180°范围内半周长为14.13mm，起落架长为260mm；本实施例所用的利磁线线径为2mm，因此通过计算得到在起落架下截面最大可绕制线圈匝数为3匝，各线圈间距为2.826mm，最外圈为短边长14.13mm、长边260mm的弯曲矩形线圈。
为方便研究与提高优化精度，本实施例选取最外圈边长为400mm的方形发射线圈，匝数为15匝，匝间距为d(i),i＝1,2,...,N，即本实施例使用遗传算法优化的决策变量；查阅ZD550型无人机充电电流大小，本实施例设置发射线圈交变电流大小为10A；因在实际模型中，无人机起落接触地面，即接触无人机下的发射线圈平台，因此本实施例设置发射线圈与两矩形空间弯曲线圈间的高度距离为h＝5mm。
现有的文献材料中还没有对多匝弯曲线圈与多匝平面线圈间互感值成熟的推导方法，本实施例采用了弯曲线圈平面等效法进行推导：将空间上的弯曲线圈垂直投影到平面上，得到一个短边长度相对于原弯曲线圈改变，长边不变的等效矩形平面线圈，进而推导等效接收线圈与发射线圈两个平面线圈的互感大小表达式。
本实施例利用比奥—萨法尔定律的延申公式：空间中有限长直导线对空间中任意一点引起的磁感应强度大小公式：
Figure BDA0004059910010000071
其中，α1为所选点与电流流入导线一端端点的连线与电流流动方向所成的夹角；α2为所选点与电流流出导线一端端点的连线与电流流动方向所成的夹角；
在接收线圈中任意选取一点作为研究点，将发射线圈中的某一匝分为独立的四条边，分别计算各边在所选点处产生磁感应强度大小BAB(i)、BBC(i)、BCD(i)以及BDA(i)，
Figure BDA0004059910010000072
L(i)＝L1-2(i-1)d(i)(i＝1,2,...,13,14)
其中，BAB(i)、BBC(i)、BCD(i)以及BDA(i)分别为第i匝线圈中四条边在空间中产生的磁感应强度大小；μ0为真空磁导率；I为发射线圈中所通入的电流；L(i)为发射线圈各匝边长；L(1)为最内圈第一匝发射线圈边长；d(i)为第i匝与第i-1匝之间的间距，d(1)＝0；在等效后的接收线圈所在平面中，以发射线圈中心在此平面中的投影点为坐标原点建立三维坐标系，则x、y表示等效后接收线圈所在平面的任一点；h为发射线圈所在平面与接收线圈所在平面之间的垂直距离。
又由于两线圈间的互感表达式为：
Figure BDA0004059910010000081
磁通Φ的表达式为：
Φ＝B·S·cosθ
由上式可以看出，发射线圈对接收线圈产生的磁通大小仅由垂直于两线圈方向上的磁场所产生，即z方向，所以还需对上述的BAB(i)、BBC(i)、BCD(i)以及BDA(i)向z轴方向投影,得到BABz(i)、BBCz(i)、BCDz(i)以及BDAz(i)：
Figure BDA0004059910010000082
由此得到发射线圈中某一匝对接收线圈平面内任一点产生的磁感应强度大小，进而我们以x，y为积分对象，对所求磁感应对接收线圈面积进行积分，最终得到两线圈间的磁通大小表达式：
Figure BDA0004059910010000091
再在此基础上，利用求和的方法得到发射线圈总共15匝线圈对接收线圈产生的总磁通表达式，最后由互感表达式得到，多匝平面线圈与多匝弯曲线圈之间的互感表达式：
Figure BDA0004059910010000092
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。
某一平面内的点的个数为无限多个，为达到无人机停落在充电平台上的任意一点都可以有较高的充电效率的要求，本实施例方案对充电平台进行分析，选择出该平面上有限个具有代表性的点，作为无人机在实际中的偏离停落处，也即产生不同大小的偏移量的点，再以这些有限个点处的互感大小值，代表平面上在这一点周围的较小区域内所有点的互感值，最终采用以点带面的近似方法，利用遗传算法对这些个有限点的互感进行优化计算，使得所有所选点处的最大互感值在某一个较小的范围内波动，这样就实现了保证对整个平面上任一点的互感值分布均匀的目的。
选择第一组偏移位置坐标如下表1所示：
x表示无人机左侧起落架中心距离坐标x＝-0.2直线的距离(规定向x轴正方向偏移距离为正)；
y表示无人机左侧起落架中心距离x轴(y＝0)的距离(规定向y轴正方向偏移距离为正)；
Figure BDA0004059910010000101
表1第一组偏移位置坐标
如表2所示，为利用遗传算法在上述第一组偏移位置处优化得到的，最大互感值对应下的五组最优发射线圈间距参数配置表，一共有5组，Bi表示第i匝线圈边长(参数配置表：计算出的各组间距值大小统计表)；
Figure BDA0004059910010000111
表2五组不等间距下线圈边长
如图3至图8所示，为利用表2中所得的各组间距参数配置，分别把接收线圈放置在如表3所示的第二组偏移位置处求解得到的互感分布折线图；第一组偏移目的为得到五组配置，这里不再使用第一组而改为使用第二组偏移位置是为在平面上选择更多的点，使得所选点可以更好地代表整个平面；
Figure BDA0004059910010000112
Figure BDA0004059910010000121
表3第二组偏移位置坐标
如图9所示，为优化前等间距发射线圈在高度5mm平面上的磁感应强度仿真图，由图可得，优化前的发射线圈产生的磁感应强度大小分布十分不均匀。
如图10所示，为利用遗传算法优化后，所选出的最优不等间距发射线圈在高度5mm平面上的磁感应强度仿真图，由图可知，优化后发射线圈产生的磁感应强度相比于优化前的磁感应强度大小在平面上更加均匀，解决了背景技术中所记载的技术问题。
如图11所示，为等间距无优化线圈与各组优化后线圈在y轴方向无偏移(即y＝0)时互感值随x轴方向上不同偏移量(x＝0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1)的变化折线图。
由图3至图8可知，每组匝间距配置下发射线圈与接收线圈在y轴方向偏移一定的情况下，其之间的互感值随x轴方向上的偏移变化规律是相同的，均为随着a的增加互感值先减小后增大，因此为更直观的观测出各组配置互感值的波动情况，本实施例将等间距无优化线圈与各组优化后线圈在y轴方向无偏移(即y＝0)时互感值随x轴方向上不同偏移量(x＝0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1)的变化情况进行绘制，以此为代表，作为各间距配置下在不同偏移位置出互感波动情况的判定依据。
该折线图的波动程度即反应了发射线圈与接收线圈之间产生的互感波动程度，也反应了各组配置在空间中产生磁感应强度的分布均匀情况；若某一组配置下的折线波动程度小，说明该组参数配置在整个发射线圈平面内任意一点产生磁感应强度与发射线圈产生的互感波动均越小，越稳定，越符合我们的设计需求。
由图11可以看出，优化后的线圈与接收线圈间的互感值波动较小，达到了本发明的设计目的，实现了在保证较高无线电能传输效率的同时，还最大程度的减小了不同点处传输效率的波动，达到了抗偏移性的目的。
除去x轴向偏移为0与0.1两种情况(因为本发明所选无人机两起落架间直线距离0.3m，又设计无线充电线圈平台为边长是0.4m的方形，因此对于无人机左侧起落架中心距离直线x＝-0.2距离为0与0.1的情况为无人机停落在了无线充电平台的边缘，在实际中很少出现这种情况，因此这里本发明在衡量优化后线圈互感波动程度时忽略了偏移为0与0.1这两种特殊情况)，由图11可以看出，在提高发射线圈与接收线圈互感值大小方面，配置二至配置五的曲线有良好的效果，但在平稳度方面，配置一拥有更大的优势，但忽略偏移为0与0.1两点后，配置二至配置五互感在有较好的平稳度的同时拥有比配置一更高的互感；在配置二至配置五中，各组的平稳程度相差不大，互感值大小方面则配置四更好，均衡互感值大小及平稳度，本发明选择出最终优化的线圈为配置四，如表4所示：
Figure BDA0004059910010000141
表4最终优化线圈边长配置
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

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，发射线圈设置为在同一高度平面上产生的磁感应强度均匀分布的方形平面螺旋线圈；接收线圈包括两个空间结构完全相同的矩形空间弯曲线圈，矩形空间弯曲线圈的短边弯曲角度设置为180°，即沿自身长边方向的横截面设置为半圆形，矩形空间弯曲线圈中的相邻线圈之间间距相同；
发射线圈中各线圈每边长在空间中某点产生的磁感应在竖直方向上的投影大小满足以下解析方程组：
Figure FDA0004059910000000011
Figure FDA0004059910000000012
Figure FDA0004059910000000013
Figure FDA0004059910000000014
L(i)＝L(1)+2(i-1)d(i)(i＝1,2,...,14,15)
其中，BABz(i)、BBCz(i)、BCDz(i)以及BDAz(i)分别为发射线圈第i匝线圈中四条边在空间中某点产生的磁感应强度在竖直方向上的投影大小；μ0为真空磁导率；I为发射线圈中所通入的电流；L(i)为发射线圈各匝边长；L(1)为最内圈第一匝发射线圈边长；d(i)为第i匝与第i-1匝之间的间距，d(1)＝0；在等效后的接收线圈所在平面中，以发射线圈中心在此平面中的投影点位为坐标原点建立三维坐标系，则x、y表示等效后接收线圈所在平面的任一点；h为发射线圈所在平面与接收线圈所在平面之间的垂直距离。
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：所述发射线圈和接收线圈均设置为金属线圈或者利兹线。
3.根据权利要求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：所述发射线圈的匝数设置为15匝，接收线圈的匝数设置为3匝。
4.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：所述发射线圈与接收线圈之间的互感表示为：
Figure FDA0004059910000000021
Figure FDA0004059910000000022
其中，Φ为发射线圈对接收线圈产生的感应磁通大小；M为发射线圈与接收线圈之间的互感值；l11、l12分别为等效平面接收线圈最外圈的长边与短边边长，l21、l22分别为等效平面接收线圈中间圈的长边与短边边长，l31、l32分别为等效平面接收线圈最内圈的长边与短边边长；BAB(i)、BBC(i)、BCD(i)以及BDA(i)分别为第i匝线圈中四条边在空间中产生的磁感应强度大小。
5.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：所述发射线圈中各匝线圈的间距根据发射线圈与两矩形空间弯曲线圈之间产生的互感之和在不同偏移位置处的最大值得到；采用遗传算法计算发射线圈与接收线圈之间互感解析方程组的全局最优解。
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