[發(fā)明專利]一種IPT系統(tǒng)圓角方形耦合器的參數(shù)設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010848401.8
• 申請日: 2020-08-20
• 公開（公告）號: CN111985136B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 夏晨陽;李欣宇;楊旭浩;殷嘉鋮;孫琪琪;廖志娟;伍小杰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;H02J50/10;H02J50/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 彭雄

本發(fā)明提出一種IPT系統(tǒng)圓角方形耦合器的參數(shù)設(shè)計方法，包括步驟：確定圓角方形耦合器的氣隙高度，最大橫向偏移距離，線圈面積和線徑；基于紐曼公式建立圓角方形耦合器的等效模型，并歸一化處理第一匝線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)；建立以第一匝線圈的歸一化結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量的圓角方形耦合器互感模型，并基于此分別建立圓角方形耦合器的正對耦合互感相比于方形耦合器的提升百分比表達(dá)式，以及圓角方形耦合器在最大偏移點的耦合互感相比圓形耦合器的提升百分比表達(dá)式，使得這兩種互感提升百分比同時達(dá)到最優(yōu)的第一匝線圈歸一化結(jié)構(gòu)參數(shù)就是耦合器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。本發(fā)明可以縮短耦合器設(shè)計周期，通過最大程度提升耦合器的耦合性能來提升系統(tǒng)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線電能傳輸技術(shù)，尤其是一種IPT系統(tǒng)圓角方形耦合器的參數(shù)設(shè)計方法。

背景技術(shù)

無線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transfer，簡稱WPT)最早誕生于十九世紀(jì)的美國。它是一種借助空間無形軟介質(zhì)(如磁場、電場、激光、微波等)，實現(xiàn)電能由源設(shè)備傳遞至受電設(shè)備的全新電能接入模式。該技術(shù)實現(xiàn)供、受電設(shè)備之間電氣隔離，因此從根本上杜絕了傳統(tǒng)有線供電模式帶來的器件磨損、接觸不良、接觸火花等問題，是一種潔凈、安全、靈活的新型供電模式，被美國《技術(shù)評論》雜志評選為未來十大科研方向之一。

感應(yīng)電能傳輸(Inductive Power Transfer，簡稱IPT)技術(shù)以其功率傳輸容量大、效率高等特點，得到廣泛的關(guān)注與研究。相比于傳統(tǒng)電氣設(shè)備的有線電能傳輸方式，功率傳輸能力、效率和成本等特性是研究無線電能傳輸系統(tǒng)著重考慮的主要指標(biāo)，也是當(dāng)前無線電能傳輸領(lǐng)域研究的重點。磁路耦合機構(gòu)作為IPT系統(tǒng)中電能從原邊傳輸?shù)礁边叺闹匾h(huán)節(jié)，其設(shè)計的好壞直接決定了系統(tǒng)功率傳輸能力和效率的高低，因此無線電能傳輸系統(tǒng)中磁路機構(gòu)的研究設(shè)計就變得尤為重要，而衡量無線電能傳輸磁路耦合機構(gòu)性能關(guān)鍵的指標(biāo)之一就是原副邊線圈間的互感M。

縱觀現(xiàn)有研究與應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，圓形和方形耦合器是目前IPT技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣且研究最多的兩種耦合器。圓角方形耦合器是一種具有和圓形和方形耦合器一樣結(jié)構(gòu)簡單、成本低且易于工程應(yīng)用特點的耦合器。圓角方形耦合器不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以使其不同程度的結(jié)合圓形和方形耦合器的互感耦合特性優(yōu)勢，那么最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)也會使其最大程度結(jié)合圓形和方形耦合器的互感耦合特性優(yōu)勢，從而最大程度提升耦合器的耦合性能，從而提升系統(tǒng)電能傳輸效率。然而，目前關(guān)于圓角方形耦合器的參數(shù)設(shè)計的方法甚少，并且也沒有關(guān)于最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的方法。如果有一種圓角方形耦合器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法，能夠快速得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，那么就可以提高線圈的加工效率以及實際工程應(yīng)用中的效率，還有利于IPT系統(tǒng)電能傳輸效率的提升。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為彌補現(xiàn)有技術(shù)的空白，本發(fā)明提出一種IPT系統(tǒng)圓角方形耦合器的參數(shù)設(shè)計方法，該方法能夠根據(jù)應(yīng)用背景計算出不同尺寸的圓角方形耦合器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計能夠提升圓角方形耦合器的耦合性能，進(jìn)而提升IPT系統(tǒng)電能傳輸效率。另一方面，通過本發(fā)明所述的參數(shù)設(shè)計方法，還能夠提高線圈的加工效率并縮短實際工程應(yīng)用中的系統(tǒng)設(shè)計周期。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種IPT系統(tǒng)圓角方形耦合器的參數(shù)設(shè)計方法，所述IPT系統(tǒng)圓角方形耦合器包括原邊線圈和副邊線圈，原副邊線圈的結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同；該方法包括以下步驟：

(1)根據(jù)應(yīng)用背景，確定圓角方形耦合器的基本參數(shù)，包括：原邊線圈和副邊線圈間的氣隙高度h、最大橫向偏移δ_max、線圈面積S和利茲線線徑d；

(2)基于紐曼公式和圓角方形耦合器的模型，建立圓角方形耦合器的等效模型：忽略利茲線線徑，將原副邊線圈均等效為同軸而不同尺寸的圓角方形線圈，每一匝線圈是由四條長度都相同的直線段和四段圓角半徑大小相同的四分之一圓弧構(gòu)成；