[发明专利]高效正向并联无线供电系统设计方法

摘要

本发明公开了高效正向并联无线供电系统设计方法，涉及一种应用于无线电能传输的双正向并联谐振线圈和单正向谐振线圈之间自由切换的制造方法。主要解决了无线电能传输系统近距离能量传输时，由于频率分裂的影响而导致系统传输效率低下的问题，并且能够保持系统在远距离能量传输时的传输效率。设计了一种双层绕制的发射线圈，即在原有单层单向绕制发射线圈的内部空间以相同方向绕制具有一定匝数内部线圈，使外部线圈和内部线圈“头头相连，尾尾相连”组成双正向并联结构。内部线圈和外部线圈之间由一个开关相连接，使得双正向并联谐振线圈和单正向谐振线圈之间自由切换。近距离能量传输时，闭合开关，双正向并联线圈作为发射线圈，抑制频率分裂；远距离能量传输时，断开开关，单正向线圈作为发射线圈，保障传输效率。

主权项

1.高效正向并联无线供电系统设计方法，其特征在于：它由以下步骤实现：步骤一、WPT/MRC系统发射端为双正向并联线圈，即双正向并联线圈作为发射线圈；接收端为单向线圈，即单向线圈作为接收线圈；双正向并联线圈由两个绕线方向相同，半径不同的线圈“头头相连，尾尾相连”并联组成；半径小的线圈嵌在半径大的线圈内部，内部线圈和外部线圈之间由一个开关相连接；接收线圈为单向线圈，绕线方向和双正向并联线圈一致；所有线圈均为圆形螺旋线圈；将发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈同轴放置，并设定接收端单向线圈的半径为r_R，匝数为n_R，设定发射端组成双正向并联线圈的两个线圈半径分别为r_T¹和r_T²，其中r_T¹＞r_T²；步骤二、线圈自感公式为：式中，μ₀为真空磁导率(4π×10^‑7H/m)，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为导线半径；两单匝圆线圈之间的互感公式为：式中，r₁，r₂分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；根据电路理论求出发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感：式中，n_T¹和n_T²分别是发射端两个正向线圈的匝数，n_R是接收端单向线圈匝数，r_T¹和r_T²分别是发射端两个正向线圈的半径，其中r_T¹＞r_T²，r_R则是接收端单向线圈半径，D为发射端两个正向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；L_T¹和L_T²分别是发射端两个正向线圈的自感；M₁₂是发射端两个正向线圈之间的互感；M₁(D)和M₂(D)分别是发射端两个正向线圈和接收线圈之间的互感；步骤三、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：根据双正向并联线圈和单向线圈的结构，在确定发射端两个正向线圈的半径后，可以求出两个正向线圈的匝数比；步骤四、对两正向线圈的匝数进行调整，根据公式：确定发射端双正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，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦；综合考虑后，得出两个正向线圈优化匝数分别为n_T¹和n_T²；式中，D₀为发射端双正向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D₁为两线圈间互感取最大值是两线圈间的距离；步骤五、求出单个正向线圈(半径大的)作为发射线圈的WPT/MRC系统传输效率达到最高时，收发线圈间的距离为：其中a为导线半径，μ₀为真空磁导率(4π×10^‑7H/m),ω为角频率，σ为磁导率，r_T¹为发射端正向线圈的半径，r_R则是接收端单向线圈半径；步骤六、当传输距离小于D_m时，使用双正向并联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，用来抑制频率分裂，实现系统的高效率传输；当传输距离大于D_m时，把半径较小的正向线圈进行断路，使用半径较大的正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统高效率传输；步骤七、利用两个可调电容，分别将收发线圈调谐在所用工作频率，完成高效正向并联无线供电系统设计方法。