[发明专利]等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法

摘要

本发明公开了等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法，针对具有相同半径的收发线圈的磁耦合共振式无线充电系统在近距离传输时，收发线圈间的互感随距离的减小而急剧增加，导致系统处于过耦合状态，产生频率分裂，致使系统在谐振频率处的传输效率变低的现象，在发射端并联一个反向线圈即流经电流方向与原发射线圈方向相反，减弱近距离传输时发射端与接收端线圈间互感，削弱了过耦合程度，抑制频率分裂，提高系统在谐振频率处的传输效率。

主权项

等半径电磁谐振并联供电线圈设计方法，其特征在于装置包括信号发生器、功率放大器、由内外同轴设置的反向线圈和正向线圈组成的发射端正反向并联线圈、接收端单向线圈、可调电容C1、可调电容C2和负载，其中发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间预留间隔后相对同轴设置，所述信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的信号输出端与可调电容C1的一端连接，可调电容C1的另一端分别与发射端正向线圈和反向线圈的一端连接，发射端正向线圈和反向线圈的另一端分别与功率放大器的负向输出端连接，所述接收端单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，接收端单向线圈的另一端与可调电容C2的一端连接，可调电容C2的另一端与负载的负向输入端连接；具体设计过程为：步骤一、两圆线圈之间的互感公式：M(r1,r2,d)=n1n2μ0r1r22k[(1-k22)K(k)-E(k)]]]>k=4r1r2(r1+r2)2+d2]]>其中，n1和n2分别是两圆线圈的匝数，μ0为真空磁导率，r1和r2分别是两圆线圈的半径，d为两圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；通过两圆线圈之间的互感公式，得出当r1＝r2时，随着距离d逐渐减小，k(r1,r2,d)逐渐趋近于1，K(k)变大，E(k)变小，M(r1,r2,d)则会逐渐变大，在磁耦合共振式无线电能传输系统中，两个等半径的圆线圈分别作为发射和接收线圈时，则会使系统处于过耦合状态，发生频率分裂现象，系统在谐振频率处的传输效率降低；步骤二、设定接收端单向线圈的半径为rR，匝数为nR，设定发射端正向线圈的半径为rTf，反向线圈的半径为rTr，发射端正向线圈的半径和接收端单向线圈的半径相等，即rTf＝rR＝r；步骤三、根据电路理论求出发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感：M(D)=(LTr+Mfr)Mf(D)-(LTf+Mfr)Mr(D)LTf+LTr+2Mfr=(LTr+Mfr)nTfnRM(r,r,D)-(LTf+Mfr)nTrnRM(rTr,r,D)LTf+LTr+2Mfr]]>式中，nTf和nTr分别是发射端正向线圈和反向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈的匝数，r是发射端正向线圈和接收端单向线圈的半径，rTr是发射端反向线圈的半径，Dij是发射端正向线圈或反向线圈的第i匝和接收端单向线圈的第j匝之间的距离，D为发射端正向线圈或反向线圈与接收端单向线圈中心点之间的距离；LTf和LTr分别是发射端正向线圈和反向线圈的自感，Mfr是发射端正向线圈和反向线圈之间的互感，Mf(D)和Mr(D)分别是发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感与发射端反向线圈和接收端单向线圈之间的互感；步骤四、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：F1k(r,r,D)rμ0rTr[log(8rTra-1.75)]-F2k(rTr,r,D)rTrM(r,r,D)F2k(rTr,r,D)rTrμ0r[log(8ra-1.75)]-F1k(r,r,D)rM(r,r,D)=nTfnTr]]>F1=K(k(r,r,D))-1-12k2(r,r,D)1-k2(r,r,D)E(k(r,r,D))]]>F2=K(k(rTr,r,D))-1-12k2(rTr,r,D)1-k2(rTr,r,D)E(k(rTr,r,D))]]>根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈的结构，在确定发射端正向线圈和反向线圈的半径后，求出发射端正向线圈和反向线圈的匝数比；步骤五、对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据公式v=M(D1)-M(D0)D1-D0]]>确定发射端正反向并联线圈和接收线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，式中，D0为发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的初始距离，D1为发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间互感取最大值时发射端正反向并联线圈与接收端单向线圈之间的距离，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦，根据发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线的平坦程度确定发射端正向线圈和反向线圈的匝数，以满足无线电能传输系统之间最优传输调节，其中选取发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈之间的互感随传输距离变化曲线最平坦所对应的发射端正向线圈和反向线圈的匝数作为最优设计匝数；步骤六、利用可调电容C1和可调电容C2分别将发射端正反向并联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率即完成应用于无线电能传输的等半径电磁谐振并联供电线圈的设计。