[发明专利]一种双线宽的无线电能传输线圈线规设计方法

权利要求书

1.一种双线宽的无线电能传输线圈线规设计方法，用于设计分段变线径方案线圈，其特征在于：所述设计方法把线圈由内径至外径分为两部分，其中靠近内径部分为N₁匝，导线线径为2r_a，靠近外径部分为(N-N₁)匝，导线线径为2r_b；以线圈总交流电阻最小为优化目标确定r_a、r_b以及N₁；分段变线径方案线圈有限元仿真模型按RZ坐标系下平面螺旋线圈接收侧与发射侧的有限元仿真模型求解其交流电阻，并进一步求解其邻近效应损耗、趋肤效应损耗后，再进行叠加。

2.根据权利要求1所述的一种双线宽的无线电能传输线圈线规设计方法，其特征在于：所述平面螺旋线圈接收侧与发射侧的有限元仿真模型中，发射线圈参数：线圈匝间距d₀、线径2r₀、匝数N_p；接收线圈参数为：线圈匝间距d₁、线径2r₁、匝数N_s；则第i匝线圈半径为

所述有限元仿真模型中，当系统工作频率较高时，线圈涡流增大，导体有效通流面积减小，其发射线圈圆导体绕组的交流损耗为：

线圈交流电阻为：

式中P_total为线圈总损耗，P_skinⁱ、P_proⁱ分别为单位导体长度的趋肤效应损耗和邻近效应损耗，I为线圈的电流，Hⁱ为第i匝线圈导体的外部磁场强度，μ为线圈导体的磁导率，δ为趋肤深度，ber、bei为开尔文函数；

线圈交流电阻受导线线径2r₀，工作频率f_s以及磁场强度H的影响，随着r₀的增大，线圈交流电阻形成的损耗在初始阶段迅速减小，并达到最小R_ac值；之后，损耗增加，趋于稳定，与最小R_ac值对应的导线线径为最优线径；

随着频率f_s增大，导体的趋肤深度减小，最优线径值减小；而随着磁场强度H的增大，趋肤深度的影响增加，最优线径值越小；

磁场强度H沿内径到外径的方向先减小后增大，则对于不同位置的线圈绕组而言，最优线径值不同；磁场强度H小的区域最优线径值较大，磁场强度H大的区域最优线径值较小。

3.根据权利要求2所述的一种双线宽的无线电能传输线圈线规设计方法，其特征在于：所述有限元仿真模型中，除线圈导体以外，其他导体的工作电流都集中在导体中心处，以公式表述为

其中M由R_s(M)≤R_p(i)＜R_p(M+1)确定。

4.根据权利要求2所述的一种双线宽的无线电能传输线圈线规设计方法，其特征在于：所述双线宽的无线电能传输线圈线规设计方法中，分段变线径方案线圈有限元仿真模型的趋肤效应电阻R_{skin_total}和邻近效应电阻R_{pro_total}计算公式为

公式八；

分段变线径方案线圈的交流电阻为

R_{ac_total}＝R_{skin_total}+R_{pro_total} 公式九。

5.根据权利要求4所述的一种双线宽的无线电能传输线圈线规设计方法，其特征在于：所述双线宽的无线电能传输线圈线规设计方法中，当一种线径固定时，改变另一种线径值，线圈交流电阻存在最小值；当两种线径均为最优线径值时，线圈总交流电阻最小；

所述公式九中，R_ac为r_a、r_b和N₁的函数，因此可以通过下述公式十确定r_a、r_b，然后通过数值分析或试凑法确定N₁；