[发明专利]等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法

权利要求书

1.等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法，其特征在于：无线电能传输装置包括信号发生器、功率放大器、由内外同轴设置的反向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、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，功率放大器的信号输出端与可调电容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和反向线圈的一端连接，发射端正向线圈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，接收端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：

步骤一、两圆线圈之间的互感公式：

其中，n₁和n₂分别是两圆线圈的匝数，μ₀为真空磁导率，r₁和r₂分别是两圆线圈的半径，d为两圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；

通过两圆线圈之间的互感公式，得出当r₁＝r₂时，随着距离d逐渐减小，k(r₁,r₂,d)逐渐趋近于1，K(k)变大，E(k)变小，M(r₁,r₂,d)则会逐渐变大，在磁耦合共振式无线电能传输系统中，两个等半径的圆线圈分别作为发射和接收线圈时，则会使系统处于过耦合状态，发生频率分裂现象，系统在谐振频率处的传输效率降低；

步骤二、设定接收端单向线圈的半径为r_R，匝数为n_R，设定发射端正向线圈的半径为r_T^f，反向线圈的半径为r_T^r，发射端正向线圈的半径和接收端单向线圈的半径相等，即r_T^f＝r_R＝r；

步骤三、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：

式中，n_T^f和n_T^r分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，n_R是接收端单向线圈的匝数，r是发射端正向线圈和接收端单向线圈的半径，r_T^r是发射端反向线圈的半径，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；L_T^f和L_T^r分别是发射端正向线圈和反向线圈的自感，M_fr是发射端正向线圈和反向线圈之间的互感，M_f(D)和M_r(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；

步骤四、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：

式中，a为导线半径；

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；

步骤五、对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式

确定发射端正反向并联线圈和接收线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，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与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与接收端单向线圈之间的距离，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦，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；

步骤六、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等半径电磁谐振并联供电线圈的设计。

2.根据权利要求1所述的等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法，其特征在于：所述接收端单向线圈的半径r_R和匝数n_R的设定根据实际充电目标确定；发射端正反向并联线圈的正向线圈半径r_T^f和接收端单向线圈半径r_R相等，设定为r，反向线圈半径r_T^r的设定根据信号源确定。