[发明专利]一种三线圈无线供电系统的优化设计方法

权利要求书

1.一种三线圈无线供电系统的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、搭建含有中继线圈的三线圈无线供电系统的等效模型；

步骤2、建立发射线圈、中继线圈以及接收线圈回路的基尔霍夫电压方程，确定电流与线圈间互感、线圈内阻的关系；

步骤3、根据盘式螺旋线圈互感、内阻与中继线圈参数的关系，确定电流随与中继线圈参数的关系；

步骤4、结合功率不变、效率提高以及中继线圈尺寸限制，选择中继线圈参数，完成三线圈无线供电系统的优化设计。

2.根据权利要求1所述的三线圈无线供电系统的优化设计方法，其特征在于，步骤2中，根据三线圈无线电能传输系统等效电路，对发射线圈、中继线圈和接收线圈回路分别列写KVL方程，表示为：

解得发射线圈、中继线圈和接收线圈的电流，表示为：

当三线圈均满足谐振条件时，Z₁、Z₂和Z₃满足如下关系：

式中，表示发射线圈的输入电压，ω表示系统工作角频率，M₁₂、M₂₃和M₁₃分别表示发射线圈和中继线圈、中继线圈和接收线圈、发射线圈和接收线圈之间的互感，和分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的电流，Z₁、Z₂和Z₃分别表示发射回路、中继回路和接收回路的等效阻抗，R₁、R₂和R₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的等效内阻，L₁、L₂和L₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的电感，C₁、C₂和C₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的串联谐振电容，r_s表示电源的内阻，R_L表示负载。

3.根据权利要求1所述的三线圈无线供电系统的优化设计方法，其特征在于，步骤3中，发射线圈与中继线圈之间的互感M₁₂、中继线圈和接收线圈之间的互感M₂₃以及中继线圈的内阻R₂都与中继线圈的参数有关，它们之间的关系如下：

式中，μ₀为真空磁导率，n₁、n₂和n₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的匝数，d₁、d₂和d₃分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的匝间距，发射线圈外径为r₁′，接收线圈外径为r′₃，中继线圈内径为r₂，D₁₂表示发射线圈和中继线圈之间的距离，D₂₃表示中继线圈和接收线圈之间的距离，K(k)和E(k)分别为第一类和第二类完全椭圆积分；R₂为中继线圈的等效内阻，R_o为中继线圈的等效欧姆电阻，R_a为中继线圈的空间散射电阻，ω为角频率，l为中继线圈的长度，λ为波长，r_avg为中继线圈的平均半径，ρ为导体电阻率，a为导体半径；

综合电流与线圈间互感、线圈内阻的关系，以及盘式螺旋线圈互感、内阻与中继线圈参数的关系，即得发射线圈、中继线圈和接收线圈电流与中继线圈匝数、内径和匝间距的关系。

4.根据权利要求1所述的三线圈无线供电系统的优化设计方法，其特征在于，步骤4中，约束条件表示如下：

式中，r′₂为中继线圈的外径，r₂为中继线圈的内径，n₂为中继线圈的匝数，d₂为中继线圈的匝间距，r′_{2_max}为中继线圈的外径的最大值，I₃为三线圈时接收线圈的电流，I′₃为两线圈时接收线圈的电流，P为三线圈时的功率，P′为两线圈时的功率，η为三线圈时的效率，η′为两线圈时的效率，U_S为三线圈时的输入电压，U_{S_max}为输入电压的最大值，U_{S_min}为输入电压的最小值；

改变中继线圈的匝数、内径和匝间距，在约束条件下选择发射线圈电流最小时的中继线圈参数，即为最优参数。