[发明专利]一种无线电力传输装置磁耦合机构优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于无线电力传输技术领域，尤其涉及一种无线电力传输装置磁耦合机构优化设计方法。

背景技术

无线供电，由于摆脱了有形的导体连接，因此可以实现电能在空气、陶瓷、塑料等非导体介质中的传播。无线电能传输技术是当前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，是集基础研究与应用研究为一体的前沿课题，涵盖电磁场、电力电子技术、电力系统、控制技术、物理学、材料学、信息技术等诸多方面，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科强交叉的新的研究领域。无线电能传输技术能够有效克服电线连接方式传输电能存在的各种缺陷，实现电子电器的无线供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。由于不借助导体连接，相对于传统的有线供电方式，无线供电主要有以下优点：

(1)无线供电方式将电源与用电器分离，极大提升了用电器的灵活性、美观性、密封性等特质，让某些特定环境下的供电变得更为简洁和方便，如病人体内电子医疗设备、水下及潮湿环境供电等。

(2)由于无线供电摆脱了电线、插座等设备，在电源与用电器之间也没有实际的电流通过，因此极大的提高了系统的安全性，避免了常见的诸如电线老化短路、插座进水等原因而引发的电路故障。

但是，传统电磁感应式无线输电方案和微波式无线输电方案存在很多的局限性：

(1)电磁感应式无线输电方案采用提高发射频率来提高系统的传输效率，所以高频电磁场对生物体具有一定的危害。

(2)电磁感应式无线传输电能中，当进行大功率输电时狭小的输电距离会出现散热的问题，进而造成安全事故，因此此方案无法进行大功率的传输。

(3)传统的电磁感应式的充电方式对于接收设备的位置要求严格，错位和偏离工作距离都会传输效率造成很大影响。

(4)接收和传输设备无固定特征联系，所以有可能出现误传输的现象，造成能量的浪费，同时对于生物体还是用电设备都存在着巨大的安全隐患。

(5)微波式传输是辖射式的，大气灰损耗掉大部分能量，所以传输效率低。如果定向传输，需要复杂昂贵的定向设备，同时传输方向上不能有障碍物，否则无法进行传输。

电磁共振的原理是与音叉的共振原理相同。排列在一个磁场中的有相同振动频率的线圈，由于其振动频率特性相同，可以实现能量从一个线圈向另一个线圈的电能传输。相比传统的无线输电方案，磁耦合共振型无线输电系统利用了共振的原理很好的解决传统的无线输电方式的局限性，形成一对一、对距离不敏感、高效的无线输电方式。如何设计耦合线圈的匝数，匝间距并尽可能地提高电磁传输效率是更好利用磁耦合共振型无线输电系统的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据系统的传输效率、传输功率以及传输距离的要求，确定耦合线圈的导线半径，耦合线圈的匝数，以及耦合线圈的匝间距，并尽可能的提高电磁传输效率的电磁线圈设计方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无线电力传输装置磁耦合机构优化设计方法，包括建立等效电路模型得出系统整体效率与尺寸参数之间的关系曲线；依据设计要求，确定耦合线圈的尺寸参数以及匝数；建立耦合线圈磁耦合优化模型，得出最优参数；最后求出最优负载品质因数。

在上述的无线电力传输装置磁耦合机构优化设计方法中，建立等效电路模型得出系统整体效率与尺寸参数之间的关系曲线包括以下步骤：

步骤1、建立发射端与接收端等效电路，二次回路阻抗通过互感反映到一次侧的等效阻抗将系统整体效率分为：

耦合效率

接收效率

上式中，Q₁、Q₂、Q_L分别为发射线圈、接收线圈、负载的品质因素，L₁、R₁、C₁分别为发射线圈的等效电感、电阻、补偿电容，L₂、R₂、C₂分别为接收线圈的等效电感、电阻、补偿电容，k为耦合系数，R_L为负载电阻，Z_re为等效阻抗，ω为系统工作频率，M为耦合线圈耦合参数，Z₂为接收端除负载R_L之外的等效阻抗之和；

得出系统整体效率：

步骤2、令Q₁＝Q₂＝Q，L₁＝L₂＝L，得到系统整体效率