[发明专利]一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的结构模型与优化方法

说明书

本发明公开了一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的结构、模型与优化方法。所述渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的结构为双层或多层线圈，层间由过孔链接，根据过孔位置分为内螺旋与外螺旋，根据过孔位置判断其螺旋方向。所述渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的模型，其等效电路在电路理论的基础上，结合其结构得出，其特征参数决定线圈尺寸以及“宽”与“开”，其数学模型是基于等效电路和特征参数得出的该线圈的品质因数Q与特征参数的折算关系。所述渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的优化方法是利用相关算法使渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈在特定谐振频率带宽内保持高Q值，其中特征参数的变化控制“渐宽渐开”的度。本发明能够实现无线电能传输系统中PCB线圈间的高效能量传输。

技术领域

本发明设计无线电能传输技术领域，特别是涉及一种PCB谐振线圈。

背景技术

磁耦合谐振式无线能量传输技术在近年来发展迅速。与传统的感应式无线能量传输相比,该技术可以在保持以上传输效率的前提下,将传输距离扩展至一倍于线圈直径,且具有更好的电磁兼容性。在该传输系统中,发射线圈和接收线圈为具有相同谐振频率的自谐振线圈,其设计上有以下要求：

1.具有较高的机械稳定性和设计、制造精度,以保证其自谐振频率的精确性具有一定量的杂散电容, 以使其自谐振频率不至过高；

2.尽可能的提高其品质因数值,该参数将极大的影响传输距离和传输效率在设计阶段能够较为准确的对其特性包括自谐振频率、品质因数等进行仿真计算。

在近年的研究中,出现了多种谐振线圈的结构,例如使用铜线或铜带绕制的空心螺旋状或蜗状线圈忽略其自身杂散电容,而通过串联集中式电容来实现谐振的密绕式线圈、通过串联同轴电缆以增大其杂散电容的线圈利用印刷电路板来制造的平板型蜗状线圈等等。其中基于PCB的平板型线圈由于其具有高精度、高稳定性、易于制造、易于与辅助电路集成等优点,尤其适用于诸如个人移动终端、机器人充电、植入式医学设备等各种中小功率场合。当前,虽然国内外均有出现过采用PCB谐振线圈的无线能量传输系统,但大都为简单的单层线圈,其电感量和杂散电容均较小,使得自谐振频率过高且很少对其自谐振频率、品质因数等参数进行系统的设计和优化。对于考虑杂散参数的线圈特性分析和设计,当前已有的方法大都针对的是诸如电流互感器、工等其他领域,这些设计方法与思路并不能很好的用于磁耦合谐振式无线能量传输当中。

发明内容

针对背景技术中所述的目前在磁耦合谐振式无线能量传输中采用的谐振线圈及其参数设计与优化方面存在的问题,本发明提出了一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的结构、模型与优化方法。

一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的结构，其特征在于，所述渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈为双层或多层线圈，层间由过孔链接，分为内螺旋与外螺旋，根据过孔位置判断其螺旋方向，即过孔在最内匝为内螺旋，过孔在最外匝为外螺旋。

一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的模型，其特征在于，其等效电路，是由该线圈每匝布线等效为一个电感与一个电阻的串联，将两匝的布线与匝间介质等效为一个电容，同时根据过孔位置判断其螺旋方向，即过孔在最内匝为外螺旋，过孔在最外匝为内螺旋，最后根据结构画出等效电路。

一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的模型，其特征在于，其特征参数，由层数α，总匝数αN、匝周长 li、每匝线宽wi、匝间距si(i指匝次，i<＝N)、覆铜厚度t、层间距d等参数决定，其中，线宽wi服务于“宽”，线间距si服务于“开”。