CN107370248A - 等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法 - Google Patents

等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法，针对具有相同半径的收发线圈的磁耦合共振式无线充电***在近距离传输时，收发线圈间的互感随距离的减小而急剧增加，导致***处于过耦合状态，产生频率***，致使***在谐振频率处的传输效率变低的现象，在发射端并联一个反向线圈即流经电流方向与原发射线圈方向相反，减弱近距离传输时发射端与接收端线圈间互感，削弱了过耦合程度，抑制频率***，提高***在谐振频率处的传输效率。

Description

等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法
技术领域
本发明属于无线电能传输设备技术领域，具体涉及一种等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法。
背景技术
电能已作为人们生活中不可或缺的能源，它的主要传输方式是通过电线来实现的，迄今为止，这种输电方式的地位仍然是无可取代的。随着科技的迅速发展，电子产品越来越趋于小型化、便携化，使得传统输电方式的缺陷越来越明显，譬如供电导线占用了较大的空间资源；导线交叉重叠会产生大量的电磁干扰；特殊环境中(如防爆、防火、水下、工矿等领域)，导线连接处的电火花可能会造成重大的安全事故；充电导线的存在使得便携式电子产品(如手机、iPad、MP3等)移动性变差；充电器、电线、插座标准的不完全统一，给出行带来了诸多麻烦，同时也造成了资源浪费等。事实证明，传统的供电方式已变得越来越不能满足生产和生活的实际需求，现代人对无线输电的需求愈发的迫切。近年来，随着无线电能传输技术的发展，国内外学者对无线电能传输技术的关注和研究越来越多，该技术已成为电气工程领域最活跃的热点研究方向之一。
无线电能传输(Wireless power transmission，WPT)一般指通过电磁场或电磁波实现电能无线传输的技术。这一设想最早由被誉为“交流电之父”、“无线电先驱”的美国发明家尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)在1889年提出，其设想是在地球表面以及距地表60千米以上的电离层两者之间，产生一个接近8赫兹的低频共振，通过地表周围的电磁波实现能量的传输，从而实现全球范围内电能的无线供应，但最终迫于经济原因和政治压力，没能完成试验。此后的一个多世纪，人们没有停止对无线输电技术的研究，先后出现了微波式无线输电和感应式无线输电。
但是，多年以来以这两种技术为基础的无线输电，并没有取得大的进展，这也是无线输电没有得到商业化的主要原因之一。直到2006年11月，麻省理工学院(MIT)的MarinSoljacic教授和相关研究人员利用一种新的技术-磁耦合谐振技术，成功点亮了一只相隔2.1m远处60W的灯泡，实现了电能中距离的无线传输，突破了一直以来制约无线输电技术发展的瓶颈，再次掀起了国内外对无线输电研究的热潮。该技术优势在于***正常工作时，发射端不会产生辐射的电磁波，而是在其周围形成一个非辐射的交变磁场，使得接收端发生共振，能量在传输过程中几乎不存在损耗，与电磁感应式无线输电技术相比，其电能的消耗理论上减小约一百万倍，另外在远距离输电时，它的磁场强度接近地球磁场强度，所以根本不会对人产生不良影响。
综上可知，磁耦合谐振技术有着无可比拟的优势和极其广阔的应用前景(如在电动汽车、体内植入式医疗设备、水下作业、油田矿井作业等领域)，具有极高的研究价值和应用价值。但该技术发展至今，并没得到广泛应用，其原因主要是受输出功率和传输效率的制约，针对二者的优化研究，目前国内外的多数研究主要集中在典型的WPT***，其方法主要是通过改变线圈参数(如材料、品质因数、形状等)、高频逆变电路拓扑、增加辅助电路(频率跟踪电路、调谐电路等)等，而关于线圈传输结构对***性能影响的研究很少。因此，本发明主要是基于磁耦合谐振技术，分析了几种不同线圈结构***的传输特性、研究了其输出功率和传输效率的优化，进行了试验验证。
发明内容
本发明为实现在***中不附加额外复杂电路、消耗多余能量的同时，能够有效抑制WPT/MRC中出现的频率***，从而提供了一种等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法，其特征在于装置包括信号发生器、功率放大器、由内外同轴设置的反向线圈和正向线圈组成的发射端正反向并联线圈、接收端单向线圈、可调电容C1、可调电容C2和负载，其中发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间预留间隔后相对同轴设置，所述信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的信号输出端与可调电容C1的一端连接，可调电容C1的另一端分别与发射端正向线圈和反向线圈的一端连接，发射端正向线圈和反向线圈的另一端分别与功率放大器的负向输出端连接，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，接收端单向线圈的另一端与可调电容C2的一端连接，可调电容C2的另一端与负载的负向输入端连接；
具体设计过程为：
步骤一、两圆线圈之间的互感公式：
其中，n1和n2分别是两圆线圈的匝数，μ0为真空磁导率，r1和r2分别是两圆线圈的半径，d为两圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；
通过两圆线圈之间的互感公式，得出当r1＝r2时，随着距离d逐渐减小，k(r1,r2,d)逐渐趋近于1，K(k)变大，E(k)变小，M(r1,r2,d)则会逐渐变大，在磁耦合共振式无线电能传输***中，两个等半径的圆线圈分别作为发射和接收线圈时，则会使***处于过耦合状态，发生频率***现象，***在谐振频率处的传输效率降低；
步骤二、设定接收端单向线圈的半径为rR，匝数为nR，设定发射端正向线圈的半径为rT f，反向线圈的半径为rT r，发射端正向线圈的半径和接收端单向线圈的半径相等，即rT f＝rR＝r；
步骤三、根据电路理论求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感：
式中，nT f和nT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈的匝数，r是发射端正向线圈和接收端单向线圈的半径，rT r是发射端反向线圈的半径，Dij是发射端正向线圈或反向线圈的第i匝和接收端单向线圈的第j匝之间的距离，D为发射端正向线圈或反向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；LT f和LT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的自感，Mfr是发射端正向线圈和反向线圈之间的互感，Mf(D)和Mr(D)分别是发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感与发射端反向线圈和接收端单向线圈之间的互感；
步骤四、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：
根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈的结构，在确定发射端正向线圈和反向线圈的半径后，求出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比；
步骤五、对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式
确定发射端正反向并联线圈和接收线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，式中，D0为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间互感取最大值时发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间的距离，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦，根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线的平坦程度确定发射端正向线圈和反向线圈的匝数，以满足无线电能传输***之间最优传输调节，其中选取发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线最平坦所对应的发射端正向线圈和反向线圈的匝数作为最优设计匝数；
步骤六、利用可调电容C1和可调电容C2分别将发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率即完成应用于无线电能传输的等半径电磁谐振并联供电线圈的设计。
进一步优选，所述接收端单向线圈的半径rR和匝数nR的设定根据实际充电目标确定；发射端正反向并联线圈的正向线圈半径rT f和接收端单向线圈半径rR相等，设定为r，反向线圈半径rT r的设定根据信号源确定。
进一步优选，所述发射端正向线圈和反向线圈及接收端单向线圈均为螺旋圆形线圈、螺旋矩形线圈或螺旋椭圆形线圈。
本发明具有以下有益效果：发射端正反向并联线圈作为WPT/MRC***的发射线圈能有效抑制WPT/MRC在过耦合区的频率***现象的产生。
附图说明
图1是WPT/MRC***的结构示意图；
图2是WPT/MRC***的等效电路图；
图3是发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化的仿真曲线示意图；
图4是选取的最优设计示意图。
具体实施方式
结合实施例详细描述本发明的技术方案。
等半径电磁谐振并联共振供电线圈设计方法，它包括发射线圈(由正向线圈和反向线圈组成的正反向并联线圈)、接收线圈(单向线圈)、可调电容C1和可调电容C2；发射端正向线圈、反向线圈和接收端单向线圈均为螺旋圆形线圈。
信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的正向输出端与可调电容C1的一端连接，可调电容C1的另一端分别与发射端正向线圈和反向线圈的一端连接，发射端正向线圈和反向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接；
所述发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈相对同轴放置，且两线圈中心点之间的距离为D，D为正数，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，接收端单向线圈的另一端与可调电容C2的一端连接，可调电容C2的另一端与负载的负向端连接。
WPT/MRC***结构如图1所示，信号从信号发生器产生经功率放大器，由发射线圈发射，由接收线圈接收，并传递给负载。
图2即为WPT/MRC***的等效电路，线圈之间通过磁场谐振耦合相互作用，这种耦合的强度用互感M来衡量。
根据磁耦合谐振式无线能量传输***的传输特性可以用传输系数S21来表示，传输效率用η来表示。
η＝|S21|2×100％ (2)
当***工作于线圈谐振频率时，传输系数S21可以简化为(3)式：
由公式(3)可以看出，传输系数S21是关于互感和频率的函数，所以在固定工作频率下得到平坦的效率变化曲线，可以通过平坦的互感变化曲线来实现。因此，对于线圈的优化设计是非常重要的。
如图3所示为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随距离变化示意图。而发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感可以用下式来表示：
式中，nT f和nT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈的匝数，r是发射端正向线圈和接收端单向线圈的半径，rT r是发射端反向线圈的半径，Dij是发射端正向线圈或反向线圈的第i匝和接收端单向线圈的第j匝之间的距离，D为发射端正向线圈或反向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；LT f和LT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的自感，Mfr是发射端正向线圈和反向线圈之间的互感，Mf(D)和Mr(D)分别是发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感与发射端反向线圈和接收端单向线圈之间的互感。
通过求M(D)关于D的微分，得出公式：
根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈的结构，在确定发射端正向线圈和反向线圈的半径后，可以求出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比。
对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式
确定发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，式中，D0为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间互感取最大值时发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间的距离。v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦；选取优化参数，如图4所示。
发射端正向线圈作为发射线圈的WPT/MRC***在近距离内会发生明显的频率***，而发射端正反向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***，由于反向线圈的存在，抑制发射端正向线圈和接收端单向线圈之间互感的剧烈变化，抑制频率***现象的发生。
总结上面发射端正反向并联线圈的设计方法，可以总结成如下设计步骤：
1、根据充电目标确定接收端单向线圈大小，接收端单向线圈半径和发射端正向线圈半径相同，选取合适的发射端反向线圈半径；
2、求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感，通过对互感的微分得出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比，对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度选取合适的匝数；
3、然后利用可调电容，将收发线圈调谐在所用工作频率。
发明具有以下有益效果：通过理论计算可知，发射端正反向并联线圈作为发射线圈的WPT/MRC***可以有效抑制频率***现象的发生，并且可以使WPT/MRC***在近距离内高效率地进行能量传输。

Claims (3)

1.等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法，其特征在于装置包括信号发生器、功率放大器、由内外同轴设置的反向线圈和正向线圈组成的发射端正反向并联线圈、接收端单向线圈、可调电容C1、可调电容C2和负载，其中发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间预留间隔后相对同轴设置，所述信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的信号输出端与可调电容C1的一端连接，可调电容C1的另一端分别与发射端正向线圈和反向线圈的一端连接，发射端正向线圈和反向线圈的另一端分别与功率放大器的负向输出端连接，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，接收端单向线圈的另一端与可调电容C2的一端连接，可调电容C2的另一端与负载的负向输入端连接；
具体设计过程为：
步骤一、两圆线圈之间的互感公式：
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其中，n1和n2分别是两圆线圈的匝数，μ0为真空磁导率，r1和r2分别是两圆线圈的半径，d为两圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；
通过两圆线圈之间的互感公式，得出当r1＝r2时，随着距离d逐渐减小，k(r1,r2,d)逐渐趋近于1，K(k)变大，E(k)变小，M(r1,r2,d)则会逐渐变大，在磁耦合共振式无线电能传输***中，两个等半径的圆线圈分别作为发射和接收线圈时，则会使***处于过耦合状态，发生频率***现象，***在谐振频率处的传输效率降低；
步骤二、设定接收端单向线圈的半径为rR，匝数为nR，设定发射端正向线圈的半径为rT f，反向线圈的半径为rT r，发射端正向线圈的半径和接收端单向线圈的半径相等，即rT f＝rR＝r；
步骤三、根据电路理论求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感：
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式中，nT f和nT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈的匝数，r是发射端正向线圈和接收端单向线圈的半径，rT r是发射端反向线圈的半径，Dij是发射端正向线圈或反向线圈的第i匝和接收端单向线圈的第j匝之间的距离，D为发射端正向线圈或反向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；LT f和LT r分别是发射端正向线圈和反向线圈的自感，Mfr是发射端正向线圈和反向线圈之间的互感，Mf(D)和Mr(D)分别是发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感与发射端反向线圈和接收端单向线圈之间的互感；
步骤四、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：
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根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈的结构，在确定发射端正向线圈和反向线圈的半径后，求出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比；
步骤五、对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式
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确定发射端正反向并联线圈和接收线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，式中，D0为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间互感取最大值时发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间的距离，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦，根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线的平坦程度确定发射端正向线圈和反向线圈的匝数，以满足无线电能传输***之间最优传输调节，其中选取发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线最平坦所对应的发射端正向线圈和反向线圈的匝数作为最优设计匝数；
步骤六、利用可调电容C1和可调电容C2分别将发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率即完成应用于无线电能传输的等半径电磁谐振并联供电线圈的设计。
2.根据权利要求1所述的等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法，其特征在于：所述接收端单向线圈的半径rR和匝数nR的设定根据实际充电目标确定；发射端正反向并联线圈的正向线圈半径rT f和接收端单向线圈半径rR相等，设定为r，反向线圈半径rT r的设定根据信号源确定。
3.根据权利要求1所述的等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法，其特征在于：所述发射端正向线圈和反向线圈及接收端单向线圈均为螺旋圆形线圈、螺旋矩形线圈或螺旋椭圆形线圈。
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