[发明专利]一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈

说明书

本发明公开了一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，发射线圈为方形平面螺旋线圈，且在同一高度平面上产生的磁感应强度大小均匀；接收线圈为空间结构上完全相同的两个矩形空间弯曲线圈，线圈短边弯曲角度为180°即半圆形，且相邻线圈之间间距相同，本发明首次采用遗传算法对发射线圈的线圈间距进行全局优化设计，通过有约束的单目标函数的非线性数学规划，确定发射线圈间距最佳值，使发射线圈与两矩形空间弯曲线圈之间的互感值之和在不同横向偏移位置处仍能达到最大值，且波动在较小范围之内，保持系统高输出效率，提升无线电能传输系统的抗偏移能力，使其具备较高的稳定性与鲁棒性，为无人机等设备无线充电系统线圈设计提供良好的指导意义。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，特别是涉及一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈。

背景技术

在电力电网传输方面，传统采用金属导线和电缆线等介质进行输电的方法，在繁重复杂的电路网络中必定会产生不同程度的传输损耗、线路老化以及尖端放电等问题，从而增加了安全隐患，还给一些易燃、易爆场景的供电设计带来了极大的困扰；在电力的日常生活使用方面还存在使用有线充电器有位置距离限制、有线充电减少用电设备寿命等各种问题，有线传输电的方式显然已经很难满足现代社会各方面的应用要求。

19世纪末20世纪初，著名的天才科学家特斯拉大胆的提出了无线电能传输的设想，1893年，他在哥伦比亚世界博览会上首次使用无线电能传输的方式点亮了一盏灯，这一伟大事件也标志着电能无线传输成为可能，虽然对世界的任何一个物体都能够无线充电的目标未能完成，但这一事件将无线电能传输技术真正展现在了世界眼前，也让无线电能传输技术成为了之后几个世纪学者们热衷的研究方向。

到2007年，美国麻省理工学院以Marin Soljacic教授为首的研究团队在磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)方面取得了新进展，他们使用耦合线圈，以40％的效率点亮了2米外功率为60W的灯泡，这一次里程碑式的进展，使得对无线电能传输技术的研究再次进入高潮，从此，无线电能传输技术开始向生活中的各个应用场景发展，开启了应用领域多元化时期。

无线电能传输主要是依靠谐振线圈之间的耦合进行高效的能量传输，进而达到高效率输出，在实际无线电能传输系统中，发射线圈与接收线圈之间相对位置的偏移客观存在，而当两线圈之间发生偏移时，线圈之间的耦合系数迅速下降，导致输出功率发生较大波动，对整个系统的稳定性产生巨大的影响。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种用于无线电能传输抗偏移的谐振线圈，包括发射线圈和接收线圈，发射线圈设置为在同一高度平面上产生的磁感应强度均匀分布的方形平面螺旋线圈；接收线圈包括两个空间结构完全相同的矩形空间弯曲线圈，矩形空间弯曲线圈的短边弯曲角度设置为180°，即沿自身长边方向的横截面设置为半圆形，矩形空间弯曲线圈中的相邻线圈之间间距相同；

发射线圈中各线圈每边长在空间中某点产生的磁感应在竖直方向上的投影大小满足以下解析方程组：

L(i)＝L(1)+2(i-1)d(i)(i＝1,2,...,14,15)

其中，B_ABz(i)、B_BCz(i)、B_CDz(i)以及B_DAz(i)分别为发射线圈第i匝线圈中四条边在空间中某点产生的磁感应强度在竖直方向上的投影大小；μ₀为真空磁导率；I为发射线圈中所通入的电流；L(i)为发射线圈各匝边长；L(1)为最内圈第一匝发射线圈边长；d(i)为第i匝与第i-1匝之间的间距，d(1)＝0；在等效后的接收线圈所在平面中，以发射线圈中心在此平面中的投影点位为坐标原点建立三维坐标系，则(x、y)表示等效后接收线圈所在平面的任一点；h为发射线圈所在平面与等效接收线圈所在平面之间的垂直距离。

本发明进一步限定的技术方案是：