[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

说明书

本发明提出一种无线电能传输系统平面折角型线圈设计方法，包括步骤：确定系统参数的输出指标、电路拓扑及方形线圈面积；建立原、副边线圈间互感和原、副边线圈内阻表达式，结合线圈机构效率表达式，得到效率和线圈匝数间关系，求得线圈机构效率最大时对应的最优线圈匝数；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和线圈边长为优化变量，建立优化模型，将最优线圈匝数代入优化模型，然后根据线圈倒圆角的圆角半径和线圈边长之间的关系求解优化模型，得到最优的圆角半径和线圈边长。本发明可以快速获得线圈的设计参数，提高线圈加工效率，提高线圈的抗偏移性能，从而提高系统性能。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，尤其是一种无线电能传输系统平面折角型线圈设计方法。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，简称WPT)最早诞生于十九世纪的美国。它是一种借助空间无形软介质(如磁场、电场、激光、微波等)，实现电能由源设备传递至受电设备的全新电能接入模式。该技术实现供、受电设备之间电气隔离，因此从根本上杜绝了传统有线供电模式带来的器件磨损、接触不良、接触火花等问题，是一种洁净、安全、灵活的新型供电模式，被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。

基于电磁感应耦合原理的无线电能传输(Inductive Coupled Power Transfer，简称ICPT)技术以其功率传输容量大、效率高等特点，得到广泛的关注与研究。相比于传统电气设备的有线电能传输方式，功率传输能力、效率和成本等特性是研究无线电能传输系统着重考虑的主要指标，也是当前无线电能传输领域研究的重点。磁路耦合机构作为ICPT系统中电能从原边传输到副边的重要环节，其设计的好坏直接决定了系统功率传输能力和效率的高低，因此无线电能传输系统中磁路机构的研究设计就变得尤为重要，而衡量无线电能传输磁路耦合机构性能关键的指标之一就是原副边线圈间的互感M。

纵观现有研究与应用发现，目前对线圈的优化设计方法大都是基于固定线圈几何形状，从优化线圈尺寸、匝数等参数方面着手，缺乏优化全面参数的技术手段，尤其是线圈的折角角度很少得到优化，导致互感值的输出不准确，需要二次调整。

发明内容

发明目的：为提高现有平面折角型线圈的互感耦合特性，提高原副边线圈的横向与纵向抗偏移性能，从而提升系统性能，并给平面折角型线圈加工和应用提供更为精确的优化参数，本发明提出一种无线电能传输系统平面折角型线圈设计方法。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

一种无线电能传输系统平面折角型线圈设计方法，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，确定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、效率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：