[發明專利]磁耦合高效率電能傳輸并聯線圈設計方法

有效

• 申請號: 201710707872.5
• 申請日: 2017-08-17
• 公開（公告）號: CN107546867B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發明（設計）人: 王萌;施艷艷;馮靜;高偉康
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;H02J50/40;H02J50/90;H02J7/00
• 代理公司: 41139 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 路寬<國際申請>=<國際公布>=<進入國

1.磁耦合高效率電能傳輸并聯線圈設計方法，其特征在于：磁耦合高效率電能傳輸裝置包括信號發生器、功率放大器、由內外同軸設置的反向線圈和正向線圈組成的發射端正反向并聯線圈、接收端單向線圈、開關g、可調電容C₁、可調電容C₂和負載，其中發射端正反向并聯線圈與接收端單向線圈之間預留間隔后相對同軸設置，所述信號發生器的信號輸出端與功率放大器的信號輸入端連接，功率放大器的正向輸出端與可調電容C₁的一端連接，可調電容C₁的另一端分別與發射端正向線圈的一端和開關g的一端連接，開關g的另一端與發射端反向線圈的一端連接，發射端正向線圈的另一端和反向線圈的另一端分別與功率放大器的負向輸出端連接，所述接收端單向線圈的一端與負載的正向輸入端連接，接收端單向線圈的另一端與可調電容C₂的一端連接，可調電容C₂的另一端與負載的負向輸入端連接；

具體設計過程為：根據實際應用中充電目標的尺寸確定接收端單向線圈的大小，即接收端單向線圈的半徑和匝數，由激勵源確定發射端正向線圈和反向線圈的半徑，根據互感公式確定發射端正向線圈和反向線圈之間的匝數比，其中設定接收端單向線圈的半徑為r_R，匝數為n_R，設定發射端正向線圈的半徑為r_T^f，反向線圈的半徑為r_T^r，

線圈自感公式為：

式中，μ₀為真空磁導率，r為線圈半徑，n為線圈匝數，a為導線半徑；

兩單匝圓線圈之間的互感公式為：

式中，r₁和r₂分別是兩單匝圓線圈的半徑，d為兩單匝圓線圈間的距離，K(k)和E(k)分別是第一類和第二類橢圓積分；

根據電路理論求出發射端正反向并聯線圈和接收端單向線圈之間的互感：

式中，n_T^f和n_T^r分別是發射端正向線圈和反向線圈的匝數，n_R是接收端單向線圈的匝數，r_T^f和r_T^r分別是發射端正向線圈和反向線圈的半徑，r_R是接收端單向線圈半徑，D_ij是發射端正向線圈或反向線圈的第i匝與接收端單向線圈的第j匝之間的距離，D為發射端正向線圈或反向線圈與接收端單向線圈中心點之間的距離，L_T^f和L_T^r分別是發射端正向線圈和反向線圈的自感，M_fr是發射端正向線圈和反向線圈之間的互感，M_f(D)和M_r(D)分別是發射端正向線圈和接收端單向線圈之間的互感與發射端反向線圈和接收端單向線圈之間的互感；

通過求M(D)關于D的微分，得出公式：

根據發射端正反向并聯線圈和接收端單向線圈的結構，在確定發射端正向線圈和反向線圈的半徑后，求出發射端正向線圈和反向線圈的匝數比；

對發射端正向線圈和反向線圈的匝數進行調整，根據公式

確定發射端正反向并聯線圈和接收端單向線圈之間互感曲線隨距離變化的平坦程度，式中，D₀為發射端正反向并聯線圈和接收端單向線圈之間的初始距離，D₁為發射端正反向并聯線圈和接收端單向線圈之間互感取最大值時發射端正反向并聯線圈和接收端單向線圈之間的距離，v越小則表示互感變化曲線越平坦，根據發射端正反向并聯線圈和接收端單向線圈之間的互感隨傳輸距離變化曲線的平坦程度確定發射端正向線圈和反向線圈的匝數，以滿足無線電能傳輸系統之間最優傳輸調節，其中選取發射端正反向并聯線圈和接收端單向線圈之間的互感隨傳輸距離變化曲線最平坦所對應的發射端正向線圈和反向線圈的匝數作為最優設計匝數，即得出發射端正向線圈優化匝數n_T^f和反向線圈優化匝數n_T^r；

求出發射端正向線圈作為發射線圈的WPT/MRC系統傳輸效率達到最高時，發射端正反向并聯線圈與接收端單向線圈之間的距離為：

其中a為導線半徑，μ₀為真空磁導率，ω為角頻率，σ為磁導率，r_T^f為發射端正向線圈的半徑，r_R為接收端單向線圈的半徑；

當傳輸距離小于D_m時，發射端正反向并聯線圈作為發射線圈時WPT/MRC系統的傳輸效率高于發射端正向線圈作為發射線圈時WPT/MRC系統的傳輸效率，故使用發射端正反向并聯線圈作為WPT/MRC系統的發射線圈，用來抑制頻率分裂，實現系統能量的高效率傳輸，當傳輸距離不小于D_m時，發射端正反向并聯線圈作為發射線圈時WPT/MRC系統的傳輸效率低于正向線圈作為發射線圈時WPT/MRC系統的傳輸效率，故將發射端反向線圈進行開路，使用發射端正向線圈作為WPT/MRC系統的發射線圈，保持系統能量的高效率傳輸；

利用可調電容C₁和可調電容C₂分別將發射端正反向并聯線圈和接收端單向線圈調諧在所用工作頻率，即完成應用于無線電能傳輸的磁耦合高效率電能傳輸并聯線圈的設計。