[发明专利]基于电磁力分析模型的平面耦合器设计方法

说明书

一种基于电磁力分析模型的平面耦合器设计方法，其步骤为：根据微重力环境下无线能量传输的应用场景，确定平面耦合器设计指标和设计参数；根据初始参数建立基于电磁力分析的平面耦合器模型；计算平面耦合器初始设计参数中的互感值及对应的线圈匝数；调整线圈初始匝数及对应工作频率；调整平面耦合器磁芯与线圈间距。本发明建立平面耦合器关于性能参数的电磁力模型，充分利用平面耦合器结构信息；调整平面线圈匝数与工作频率，保证无线能量传输功率不变的情况下降低了平面耦合器电磁力；调整平面线圈与磁芯间距，有效降低电磁力并进一步提高耦合器稳定性。

技术领域

本发明属于电学技术领域，更进一步涉及无线能量传输器件技术领域中的一种基于电磁力分析模型的平面电磁耦合器设计方法。本发明适用于微重力环境下的航天器无线能量传输系统中低电磁力无线能量耦合器。

背景技术

目前，基于互感耦合法的线圈模型设计，已广泛被应用于平面耦合器的无线能量传输系统的设计中。通过互感耦合法，分析平面耦合器的部件参数对平面耦合器线圈自感、互感和耦合系数的影响，以及平面耦合器阻抗值对接入电路的电流、电压和功率的影响。在此基础上，进行平面耦合器最优部件参数设计和阻抗值匹配，得到无线能量传输效率最佳的平面耦合器设计参数，进而保证无线能量传输系统的工作性能。但是，在平面耦合器处于高频大功率的工作情况下，使用直接数值求解的互感耦合法进行线圈模型的设计，存在分布参数计算不准确，平面耦合器电磁环境安全标准、周围环境中电子设备受电磁干扰情况和平面耦合器结构本身的稳定性较难评估等问题。相比之下，使用电磁场仿真分析的互感耦合法进行线圈模型的设计，拥有更准确的平面耦合器高频分布参数的计算机制，更容易进行平面耦合器电磁环境的模拟计算。该设计方案能够较为直观的揭示出平面耦合器结构中磁屏蔽材料与磁芯材料在电磁场中的工作机理，测算出大功率无线能量传输情况下平面耦合器部件参数对电磁力的影响。该设计方法比仅仅考虑传输效率的平面耦合器设计更适合应用于航天器中大功率的无线能量传输。目前，该设计方法在平面耦合器的分析设计上还存在问题：一方面，现有的无线能量传输技术主要针对地面的应用场景，平面耦合器中电磁力的研究主要针对大功率情况下电动汽车领域中的牛(N)级电磁力，还需要进一步研究微重力环境下的航天器领域应用中毫牛(mN)级及更小电磁力的平面耦合器。另一方面，平面耦合器在航天器微重力环境下产生的电磁力，会使得收发线圈逐渐偏移中心位置，从而导致装置的功能失效问题。

Xian Zhang；Xuejing Ni等人在其发表的论文“Research on the Influence ofStructural Parameters on Electromagnetic Force of Wireless Power Transfer”(IEEE2nd International Electrical and Energy Conference(CIEEC)，2018)中提出了一种考虑电磁力的平面耦合器设计方法。该方法引入了待设计的平面耦合器部件参数，建立了一个待设计的平面耦合器电磁力的数值计算模型，通过优化磁导率、线圈匝数和线圈匝间距这些参数来减少平面耦合器产生的电磁力。但是，该方法仍然存在的不足之处是，该设计方案是通过调整平面耦合器线圈的部件参数以改善平面耦合器间产生的电磁力，由互感耦合法分析得线圈匝数与互感值成正比，由平面耦合器匹配电路拓扑分析得互感值与输出功率成正比，因此，当平面耦合器的目标传输功率限制在特定数值范围时，该设计方案无法保证系统的传输功率。