[发明专利]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

说明书

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。

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。