[发明专利]基于三维偶极线圈的WPT系统及其参数设计方法

说明书

本发明提供了一种基于三维偶极线圈的WPT系统及其参数设计方法，建立基于三维偶极线圈的WPT系统模型，其中，能量接收线圈L_s为三个两两正交的偶极线圈；得出系统的等效互感M与系统功率P_out、效率η的关系式，通过设置所述偶极线圈的匝数N以实现系统需求的功率和/或效率，本发明提供的三维偶极线圈的拾取机构体积小，且在拾取机构任意旋转的情况下，输出的功率和效率都比较稳定，实现了功率20W，效率70％的能量输出。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于三维偶极线圈的WPT系统及其参数设计方法。

背景技术

近年来，利用磁场耦合和谐振实现无线电能传输(WPT)从小功率充电(例如医疗植入设备)到中型或大功率设备充电(例如电动汽车)得到广泛的研究和应用。目前，ChunT.Rim等人提出的偶极线圈结构在感应耦合电能传输(ICPT)模式下可以实现5米传输209瓦，7米传输11瓦的功率，这种偶极线圈结构对于较低频率的感应电能传输系统的中远距离传输提供了一个较好的思路，但是其偶极线圈有数米长，实际应用中体积过大。

对于无线电能多自由度拾取问题的研究，有针对改变发射线圈结构以及控制方式上进行研究的，分别用两个和三个正交的环形线圈作为发射线圈，通过控制能量发射线圈中的电流，使其产生旋转磁场，接收线圈就可以在离发射线圈一定范围内全方位的拾取电能。

也有针对接收线圈结构进行设计的，如有人采用正四面体线圈作为拾取机构，提升了系统的多自由度拾取能力,但是其拾取机构的体积比较大；有人采用三维正交的环形线圈作为拾取结构实现多自由度全方位传能，其体积小，但是输出功率也很小，工作频率达到100MHz，由于实验比较困难，其只做了仿真分析。

发明内容

为了解决上述提到的技术问题，本申请结合了偶极线圈结构可以实现较远距离传输与利用多个接收线圈可提升拾取电能自由度的优势，提供一种基于三维偶极线圈的WPT系统及其参数设计方法，在一定范围内任意旋转拾取机构的情况下，实现了功率效率稳定的多自由度全方位的电能拾取。

为达到上述目的，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于三维偶极线圈的WPT系统，在原边部分，能量发射线圈L_p与补偿电容C_p串联构成原边串联谐振回路，在副边部分，能量接收线圈L_s与串联补偿电容C_s构成副边谐振回路，并将能量传递给负载R_L，所述能量接收线圈L_s为三个两两正交的偶极线圈。

进一步地，系统电路参数满足：三个偶极线圈的内阻均相等，即R_s1＝R_s2＝R_s3＝R_s。

优选地，所述能量发射线圈为环形线圈。

优选地，所述能量发射线圈底部设置有磁芯。

一种基于三维偶极线圈的WPT系统的参数设计方法，包括如下步骤：

S1：建立基于三维偶极线圈的WPT系统模型；

S2：得出系统的等效互感M与系统功率P_out、效率η的关系式，即式中，U为原边输入电压，ω为系统角频率，R_p为能量发射线圈内阻，R_s为能量接收线圈内阻，等效互感M_pi为能量发射线圈p与能量接收线圈的第i个偶极线圈之间的互感；

S3：通过设置所述偶极线圈的匝数N以实现系统需求的功率和/或效率。

进一步地，步骤S3的具体方法为：