[发明专利]磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法

摘要

本发明公开了一种磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法，根据实际应用中充电目标的尺寸确定接收端单向线圈的大小、半径和匝数；由激励源确定发射端正向线圈和反向线圈的半径；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两向线圈的匝数；近距离传输时，使用发射端正反向并联线圈作为发射线圈实现系统能量高效率传输；传输距离超过一定范围时，使用发射端正向线圈作为发射线圈保持系统能量的高效率传输；调谐电容，将收发线圈调谐在所用工作频率实现制造。本发明能够同时实现近距离能量传输和远距离能量传输时，WPT/MRC系统进行高效能量传输。

主权项

磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计方法，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相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、开关g、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的一端和开关g的一端连接，开关g的另一端与发射端反向线圈的一端连接，发射端正向线圈的另一端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，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：根据实际应用中充电目标的尺寸确定接收端单向线圈的大小即接收端单向线圈的半径和匝数，由激励源确定发射端正向线圈和反向线圈的半径，根据互感公式确定发射端正向线圈和反向线圈之间的匝数比，其中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rTf，反向线圈的半径为rTr；线圈自感公式为：L=μ0rn2[lg(8ra-1.75)]]]>式中，μ0为真空磁导率，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：M(r1,r2,d)=μ0r1r22k[(1-k22)K(k)-E(k)]]]>k(r1,r2,d)=4r1r2(r1+r2)2+d2]]>式中，r1和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正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感：M(D)=(LTr+Mfr)Mf(D)-(LTf+Mfr)Mr(D)LTf+LTr+2Mfr=(LTr+Mfr)nTfnRM(rTf,rR,D)-(LTf-Mfr)nTrnRM(rTr,rR,D)LTf+LTr+2Mfr]]>式中，nTf和nTr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，rTf和rTr分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，rR是接收端单向线圈半径，Dij是发射端正向线圈或反向线圈的第i匝与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，LTf和LTr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：F1k(rTf,rR,D)rTfμ0rTr[log(8rTra-1.75)]-F2k(rTr,rR,D)rTrM(rTf,rR,D)F2k(rTr,rR,D)rTrμ0rTf[log(8rTfa-1.75)]-F1k(rTf,rR,D)rTfM(rTf,rR,D)=nTfnTr]]>F1=K(k(rTf,rR,D))-1-12k2(rTf,rR,D)1-k2(rTf,rR,D)E(k(rTf,rR,D))]]>F2=K(k(rTr,rR,D))-1-12k2(rTr,rR,D)1-k2(rTr,rR,D)E(k(rTr,rR,D))]]>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；对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式v=M(D1)-M(D0)D1-D0]]>确定发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间互感曲线随距离变化的平坦程度，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和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和接收端单向线圈之间的距离，v越小则表示互感变化曲线越平坦，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系统之间最优传输调节，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即得出发射端正向线圈优化匝数nTf和反向线圈优化匝数nTr；做出发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的效率在工作频率处随距离变化的曲线和发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的效率在工作频率处随距离变化的曲线，求出两曲线相交时的传输距离为Dm；当传输距离小于Dm时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率高于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率，故使用发射端正反向并联线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，用来抑制频率分裂，实现系统能量的高效率传输，当传输距离不小于Dm时，发射端正反向并联线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率低于发射端正向线圈作为发射线圈时WPT/MRC系统的能量传输效率，故将发射端反向线圈进行开路，使用发射端正向线圈作为WPT/MRC系统的发射线圈，保持系统能量的高效率传输；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磁耦合输电系统并联线圈最优切换设计。