[发明专利]一种用于无线电能传输的变径线圈设计方法

权利要求书

1.一种用于无线电能传输装置的变径线圈设计方法，其特征在于装置包括发射装置和接收装置，发射装置由信号发生器、功率放大器、可调电容C₁和发射线圈构成，其中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的另一端与发射线圈的一端连接，发射线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接，接收装置由负载、接收线圈和可调电容C₂构成，接收线圈的一端与负载的正向输入端连接，接收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：

(1)设定基本参数：根据应用场合和应用对象确定传输距离D，发射线圈与接收线圈初始半径r₁＝r₂＝D/4，初定r₁＝r₂＝5cm，设置线圈匝数N₁＝N₂＝6，采用线径d_wire为1mm的导线绕制，在无线电能传输系统中，线圈谐振频率选取在MHz数量级，即系统工作在高频段，此时考虑反射的问题，所以电阻R_S需要跟传输线的特征阻抗相匹配，而常用的特征阻抗为50Ω，所以R_S取50Ω，负载R_L由充电对象决定；

(2)确定匝间距pitch：匝间距pitch∈(d_wire,5d_wire)，在范围内取不同pitch值得到一组互感M曲线，分别求出每条曲线的ΔM＝M_max-M_min，需满足ΔM≤L_min，由此选出符合条件的曲线对应的pitch值，其中M_max与M_min分别为同一pitch值对应的互感曲线中零距离处的互感值和临界耦合距离处的互感值，L_min＝min{L₁,L₂}，L₁与L₂分别为发射线圈与接收线圈的自感；

(3)确定与基本参数匹配的最佳半径变化量Δr：线圈从外至内第i匝半径r_i＝r₁+(i-1)Δr，|Δr|∈(0,r₁/N₁),要实现近距离内的高效率传输，应抑制近距离内因互感过强导致的频率分裂现象，为减小近距离内的互感，单匝线圈之间的互感应趋于减小，则Δr∈(-r₁/N₁,0)，根据不同Δr值对线圈互感M曲线平缓度和传输效率η值的影响，选取近距离处的传输效率η提高至接近于1时，对应的Δr值即为最佳Δr值。