[发明专利]一种无线电能传输系统平面折角型线圈设计方法

权利要求书

1.一种无线电能传输系统平面折角型线圈设计方法，其特征在于，所述无线电能传输系统包括相互平行设置的原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈，原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈的结构和尺寸参数均相同；

该方法包括步骤：

(1)根据所述无线电能传输系统的应用场合，设置无线电能传输系统参数的期望输出指标，所述无线电能传输系统参数包括：系统工作频率ω、负载电压U_o、负载电流I_o、输出功率P_out、η以及电能传输距离h；确定无线电能传输系统的电路拓扑结构；初始化原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈均为正方形单层平面螺旋线圈，且线圈线径和匝数N的乘积为W、面积为S；

(2)建立原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈之间关于线圈匝数N的互感表达式M_coil(N)；

(3)建立原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈内阻表达式：

其中，R_p为原边能量发射线圈的内阻，R_s为副边能量拾取线圈的内阻，σ为利兹线中金属芯的导率，a为线圈利兹线截面半径，L_orig为优化前线圈的边长，μ₀表示真空磁导率；

(4)根据电路拓扑结构建立线圈机构的电能传输效率η的表达式：

其中，R_e为整流电路、滤波电容和负载的等效电阻；选取合适的线圈匝数N^*，使线圈机构的电能传输效率η的值最大；

(5)对方形线圈的折角作倒圆角设计：

将步骤(4)中得到的线圈匝数N^*代入原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈之间的互感表达式；以原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈之间的互感值最大为目标问题，以线圈倒圆角的圆角半径R和线圈边长为优化变量，建立优化模型：

其中，L_opt为优化后方形线圈边长；

所述优化模型满足以下限制条件：

限制条件1：线圈线径和匝数N的乘积W和面积S不变；

限制条件2：线圈中任意两相邻圆角的相邻两端点共线，且这两个端点的切线始终共线；

(6)根据线圈面积S，确定R与L_opt的关系式为：

(7)根据R与L_opt的关系式对优化模型进行求解，得到最优的一组R和L_opt；

(8)根据步骤(7)得到的R和L_opt以及线圈面积S、线圈匝数N^*，计算无线电能传输系统的负载电压、负载电流、输出功率以及效率，判断计算出的值是否满足相应的期望输出指标，若满足，则输出R、L_opt、S和N^*作为原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈的设计参数，所述方法结束；若不满足，则重新设置线圈的初始面积S，转入步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的 一种无线电能传输系统平面折角型线圈设计方法，其特征在于，建立原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈之间关于线圈匝数N的互感表达式M_coil(N)的方法为：

记原边能量发射线圈的中心点为O₁，四条边分别为A、B、C、D；副边能量拾取线圈的中心点为O₂，四条边分别为a、b、c、d；其中，A与a相对设置，B与b相对设置，C与c相对设置，D与d相对设置；分别以O₁和O₂为原点建立坐标系，两坐标系相对应的轴相互平行，记O₁和O₂在y方向上的偏移距离为t；

则原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈之间关于线圈匝数N的互感表达式为：

M_coil＝M_Aa+M_Bb+M_Cc+M_Dd+M_Ac+M_Ca+M_Bd+M_Db

其中，M_coil表示原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈之间的互感，M_pq表示任意两条相对设置的边p和q之间的互感，M_pq的计算公式为：

其中，N表示原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈的匝数，μ₀表示真空磁导率，l为利兹线总长度，x₁和x₂分别表示积分变量，h表示电能传输距离。