无线输电线圈成型槽盘的制造方法

摘要

本发明公开了一种无线输电线圈成型槽盘的制造方法，包括步骤：1)建立无线电能传输效率优化目标函数；2)将发射线圈、接收线圈等参数输入目标函数求解，获得无线电能传输效率最优的发射线圈几何参数和接收线圈几何参数；3)通过软件生成用于成型发射线圈和接收线圈的槽盘的模型；4)通过3D打印机将成型发射线圈和接收线圈的槽盘打印出来。本发明实现了直接将无线输电的参数直接转化为线圈所需的参数去直接用于生产相应的输电线圈，能获得传输效率接近最优的发射线圈和接收线圈，并且获得的槽盘能很大的提高绕制输电线圈的工作效率和线槽的精度高，同时槽盘上的线槽能将线圈良好的固定，能解决线圈使用过程中的形变问题。

权利要求

1.无线输电线圈成型槽盘的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)以输电效率作为优化目标，确定优化模型的决策变量为发射线圈的外径、发射线圈的匝数、接收线圈的外径、接收线圈的匝数和每匝线圈的间距，建立无线电能传输效率优化目标函数：其中：

并设置约束条件：

其中：

re为发射线圈的外径，

Ne为发射线圈的匝数，

rr为接收线圈的外径，

Nr为接收线圈的匝数，

wth为每匝线圈的间距，

wth为每匝线圈的间距，

η为输电效率，为优化目标，

RL为负载阻抗，与线圈参数无关，为输入量，ω为角频率，与线圈参数无关，为定值，

RS为电源内阻，与线圈参数无关，为定值，R1为发射线圈电阻，

R2为接收线圈电阻，

M为两线圈间的互感，

Mij为一个线圈的第i匝与另一个线圈第j匝间的互感，ri为第i匝线圈的半径，

rj为第j匝线圈的半径，

ρ为导线电导率，为定值，

S为线圈截面积，为定值，

θ为积分单位，代表相对积分起始位置的角度，d为电能传输距离，

Z21为接收回路到发射回路的反射阻抗；

2)将参数发射线圈的外径限制remax、接收线圈的外径限制rrmax、每匝线圈的间距限制wthmin、传输距离d和负载阻抗RL传输给优化目标函数，优化目标函数中的其余参数为常量，通过智能算法进行求解，获得无线电能传输效率最优的发射线圈几何参数和接收线圈几何参数，即得到发射线圈的外径参数re，发射线圈的匝数Ne，接收线圈的外径rr，接收线圈的匝数Nr和每匝线圈的间距wth；

3)获得的发射线圈几何参数和接收线圈几何参数后，再通过MATLAB软件的ISOSURFACE和STLWRITE函数生成用于成型发射线圈和接收线圈的槽盘的模型；

4)将步骤3)获得的槽盘的模型转化为3D打印机可识别数据，通过3D打印机将成型发射线圈和接收线圈的槽盘打印出来；

在步骤3)中，首先使用MATLAB生成一个包含线圈槽盘结构信息的三维矩阵A，矩阵A为一个逻辑矩阵，其中值为“1”的元素代表着有物料填充，为“0”的部分代表没有物料填充，因此，矩阵A为描绘了槽盘的结构；之后使用ISOSURFACE函数对矩阵A进行处理，得到“1”与“0”分界处的位置信息，从而生成代表槽盘外表面信息的矩阵B；最后再利用STLWRITE函数通过矩阵B获得线圈槽盘的模型文件；

在步骤4)中：3D打印机的喷嘴大小为0.4，线材直径为1.75mm，线材材质为聚乳酸，初始层厚度为0.3mm，模型下沉为0，非打印移动速度为80mm/s，底层打印速度为20mm/s，内部填充打印速度为20mm/s，外壳打印速度与内部打印速度一致，内部打印速度为20mm/s，层高

0.12mm，填充密度为10％-20％，外壳厚度为0.8mm，底部/顶部厚度为0.6mm，回抽速度为

16mm/s，回抽长度为2mm，打印速度为30mm/s，每层最少冷却时间为20s，打印温度为200-220℃；

5)所述槽盘包括盘体和设置在盘体上与输电线圈形状相同的线槽，绕制输电线圈时，将导线沿线槽螺旋方向逐步压入线槽，获得所需的输电线圈。

说明书

无线输电线圈成型槽盘的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种阿基米德螺旋线圈技术领域，特别涉及一种制造阿基米德螺旋线圈成型模具的方法。

背景技术

[0002] 无线输电目前处于蓬勃的发展过程中，但目前用于实验室的无线输电线圈的制作却仍旧停留在十分原始的阶段，往往是通过手工制作的方式来完成。

[0003] 人工制作无线输电线圈主要存在以下两个问题：

[0004] 1.手工制造的输电线圈的精确度较低，同时制得的线圈缺少有效的形状固定装置，使得线圈在使用过程中容易产生形变，导致手工制得的线圈的输电效率往往不能达到理论值，而这将给实验造成十分不利的影响。

[0005] 2.人工绕制线圈的生产效率低，绕制工作又十分繁琐，给试验人员带来了不必要的负担。

[0006] 虽然现有技术中已存在生产效率很高的全自动绕线机，但是全自动绕线机的价格昂贵，其并不适合用于实验室制造少量的线圈，并且绕线机生产的一般为密绕型线圈，不适合生产阿基米德螺旋线形非密绕线圈。

[0007] 同时，不管是手工制造线圈或是通过绕线机制造线圈，其都无法直接将无线输电的参数直接转化为线圈所需的参数去直接用于生产相应的输电线圈。

发明内容

[0008] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种无线输电线圈成型槽盘的制造方法，旨在改善无线输电线圈传统的手工制作的方式，提高其自动化程度及线圈制造精 度，解决线圈在后期使用中容易发生形变的问题；并实现直接将无线输电的参数直接转化为线圈所需的参数去直接用于生产相应的输电线圈。

[0009] 本发明无线输电线圈成型槽盘的制造方法，包括以下步骤：

[0010] 1)以输电效率作为优化目标，确定优化模型的决策变量为发射线圈的外径发射线圈的匝数、接收线圈的外径、接收线圈的匝数和每匝线圈的间距，建立无线电能传输效率优化目标函数：

[0011]

[0012] 其中：

[0013]

[0014]

[0015]

[0016]

[0017] 并设置约束条件：

[0018]

[0019] 其中：

[0020] re为发射线圈的外径，

[0021] Ne为发射线圈的匝数，

[0022] rr为接收线圈的外径，

[0023] Nr为接收线圈的匝数，

[0024] wth为每匝线圈的间距，

[0025] wth为每匝线圈的间距，

[0026] η为输电效率，为优化目标，

[0027] RL为负载阻抗，与线圈参数无关，为输入量，

[0028] ω为角频率，与线圈参数无关，为定值，

[0029] RS为电源内阻，与线圈参数无关，为定值，

[0030] R1为发射线圈电阻，

[0031] R2为接收线圈电阻，

[0032] M为两线圈间的互感，

[0033] Mij为一个线圈的第i匝与另一个线圈第j匝间的互感，

[0034] ri为第i匝线圈的半径，

[0035] rj为第j匝线圈的半径，

[0036] ρ为导线电导率，为定值，

[0037] S为线圈截面积，为定值，

[0038] θ为积分单位，代表相对积分起始位置的角度，

[0039] d为电能传输距离，

[0040] Z21为接收回路到发射回路的反射阻抗；

[0041] 2)将参数发射线圈的外径限制remax、接收线圈的外径限制rrmax、每匝线圈的间距限制wthmin、传输距离d和负载阻抗RL传输给优化目标函数，优化目标函数中的其余参数为常量，通过智能算法进行求解，获得无线电能传输效率最优的发射线圈几何参数和接收线圈几何参数，即得到发射线圈的外径参数re,发射线圈的匝数Ne,接收线圈的外径rr,接收线圈的匝数Nr和每匝线圈的间距wth；

[0042] 3)获得的发射线圈几何参数和接收线圈几何参数后，再通过MATLAB软件的ISOSURFACE和STLWRITE函数生成用于成型发射线圈和接收线圈的槽盘的模型；

[0043] 4)将步骤3)获得的槽盘的模型转化为3D打印机可识别数据，通过3D打印机将成型发射线圈和接收线圈的槽盘打印出来。

[0044] 进一步，在步骤3)中，首先使用MATLAB生成一个包含线圈槽盘结构信息的三维矩阵A，矩阵A为一个逻辑矩阵，其中值为“1”的元素代表着有物料填充，为“0”的部分代表没有物料填充，因此，矩阵A为描绘了槽盘的结构；之后使用ISOSURFACE函数对矩阵A进行处理，得到“1”与“0”分界处的位置信息，从而生成代表槽盘外表面信息的矩阵B；最后再利用STLWRITE函数通过矩阵B获得线圈操盘的模型文件。

[0045] 进一步，在步骤4)中：3D打印机的喷嘴大小为0.4，线材直径为1.75mm，线材材质为聚乳酸，初始层厚度为0.3mm,模型下沉为0，非打印移动速度为80mm/s，底层打印速度为20mm/s，内部填充打印速度为20mm/s,外壳打印速度与打印速度一致，内部打印速度为
20mm/s，层高0.12mm,填充密度为10％-20％,外壳厚度为0.8mm,底部/顶部厚度为0.6mm，回抽速度为16mm/s，回抽长度为2mm，打印速度为30mm/s，每层最少冷却时间为20s，打印温度为 200-220℃。

[0046] 本发明的有益效果：

[0047] 1、本发明无线输电线圈成型槽盘的制造方法，其实现了直接将无线输电的参数直接转化为线圈所需的参数去直接用于生产相应的输电线圈，能获得传输效率接近最优的发射线圈和接收线圈。

[0048] 2、本发明无线输电线圈成型槽盘的制造方法，其获得的槽盘能方便的用于少量制造输电线圈，能很大的提高绕制输电线圈的工作效率，可将实验人员从繁琐的线圈制作中解放出来；并且通过3D打印获得的槽盘，其上的与输电线圈形状相同的线槽的精度高，从而能获得高精度的输电线圈；而且槽盘上的线槽能将线圈良好的固定，从而能很好的解决线圈在后期使用中容易发生形变的问题。

附图说明

[0049] 图1为无线输电的电路模型图；

[0050] 图2为槽盘的立体结构示意图。

具体实施方式

[0051] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

[0052] 如图所示，本实施例无线输电线圈成型槽盘的制造方法，包括以下步骤：

[0053] 1)以输电效率作为优化目标，确定优化模型的决策变量为发射线圈的外径发射线圈的匝数、接收线圈的外径、接收线圈的匝数和每匝线圈的间距，建立无线电能传输效率优化目标函数：

[0054]

[0055] 其中：

[0056]

[0057]

[0058]

[0059]

[0060] 并设置约束条件：

[0061]

[0062] 其中：

[0063] re为发射线圈的外径，

[0064] Ne为发射线圈的匝数，

[0065] rr为接收线圈的外径，

[0066] Nr为接收线圈的匝数，

[0067] wth为每匝线圈的间距，

[0068] η为输电效率，为优化目标，

[0069] RL为负载阻抗，与线圈参数无关，为输入量，

[0070] ω为角频率，与线圈参数无关，为定值，

[0071] RS为电源内阻，与线圈参数无关，为定值，

[0072] R1为发射线圈电阻，

[0073] R2为接收线圈电阻，

[0074] M为两线圈间的互感，

[0075] Mij为一个线圈的第i匝与另一个线圈第j匝间的互感，

[0076] ri为第i匝线圈的半径，

[0077] rj为第j匝线圈的半径，

[0078] ρ为导线电导率，为定值，

[0079] S为线圈截面积，为定值，

[0080] θ为积分单位，代表相对积分起始位置的角度，

[0081] d为电能传输距离，

[0082] Z21为接收回路到发射回路的反射阻抗；

[0083] 2)将参数发射线圈的外径限制remax、接收线圈的外径限制rrmax、每匝线圈的间距限制wthmin、传输距离d和负载阻抗RL传输给优化目标函数，优化目标函数中的其余参数为常量，通过智能算法进行求解，获得无线电能传输效率最优的发射线圈几何参数和接收线圈几何参数，即得到发射线圈的外径参数re,发射线圈的匝数Ne,接收线圈的外径rr,接收线圈的匝数Nr和每匝线圈的间距wth；

[0084] 3)利用获得的发射线圈几何参数和接收线圈几何参数，通过MATLAB软件的ISOSURFACE和STLWRITE函数生成用于成型发射线圈和接收线圈的槽盘的模型；当然在具体实施中也可采用其他三维建模软件生成槽盘模型，但其方法本质与本申请相同，应属于本申请的等同替换；

[0085] 4)将步骤3)获得的槽盘的模型转化为3D打印机可识别数据，通过3D打印机将成型发射线圈和接收线圈的槽盘打印出来。

[0086] 通过本无线输电线圈成型槽盘的制造方法获得的槽盘的形状如说明书附图2，槽盘包括盘体1和设置在盘体上与输电线圈形状相同的线槽2，绕制输电线圈时，将导线沿线槽螺旋方向逐步压入线槽，即可获得所需的输电线圈。

[0087] 本实施例无线输电线圈成型槽盘的制造方法，其实现了直接将无线输电的参数直接转化为线圈所需的参数去直接用于生产相应的输电线圈，能获得输电效率接近最优的发射线圈和接收线圈。

[0088] 并且本实施例无线输电线圈成型槽盘的制造方法，其获得的槽盘能方便的用于少量制造输电线圈，能很大的提高绕制输电线圈的工作效率，可将实验人员从繁琐的线圈制作中解放出来；并且通过3D打印获得的槽盘，其上的与输电线圈形状相同的线槽的精度高，从而能获得高精度的输电线圈；而且槽盘上的线槽能将线圈良好的固定，从而能很好的解决线圈在后期使用中容易发生形变的问题。

[0089] 本实施例无线输电线圈成型槽盘的制造方法，在步骤3)中，利用获得的发射线圈几何参数和接收线圈几何参数，通过MATLAB软件的ISOSURFACE和STLWRITE函数生成用于成型发射线圈和接收线圈的槽盘的模型，具体实施步骤如下：

[0090] 第一步：生成一个400*400*400的矩阵(每个矩阵元素代表0.5*0.5*0.5MM的一个立方体)，然后用1代表有填充，首先填充出一个最大半径大于槽盘最大外径1.75MM，高为11MM的圆柱体；

[0091] 第二步：使用MATLAB从代表高度为6MM(第13层)二维矩阵处开始到圆柱体顶层(第22层)，生成一个宽度为0.5MM(1个元素)的螺旋线(将此处赋为1的重新赋为0)；

[0092] 第三步：使用MATLAB以第二步螺旋线上每一个元素为中心，将以其为中心半径为3个像素点的位置上的元素的值赋为0，从而将螺旋线的宽度变为3.5MM。通过以上三个步骤，最终生成描绘了槽盘的结构的矩阵A。

[0093] 第四步：使用MATLAB的ISOSURFACE函数处理矩阵A，即可直接得到生成代表槽盘外表面信息的矩阵B。

[0094] 第五步：最后再利用STLWRITE函数通过矩阵B获得线圈操盘的模型文件。

[0095] 通过MATLAB采用参数化建模的方式，使得建模过程不再需要通过绘图软件来制作(当然在具体实施中，步骤3)中通过软件生成用于成型发射线圈和接收线圈的槽盘模型时，也可采用除matlab的其它三维软件实现)，进一 步提升了自动化程度，减轻了人员负担。

[0096] 4)将步骤3)获得的槽盘的模型转化为3D打印机可识别数据，通过3D打印机将成型发射线圈和接收线圈的槽盘打印出来。本实施例无线输电线圈成型槽盘的制造方法，在步骤4)中：3D打印机的喷嘴大小为0.4，线材直径为1.75mm，线材材质为聚乳酸，初始层厚度为0.3mm,模型下沉为0，非打印移动速度为80mm/s，底层打印速度为20mm/s，内部填充打印速度为20mm/s,外壳打印速度与打印速度一致，内部打印速度为20mm/s，层高0.12mm,填充密度为10％-20％,外壳厚度为0.8mm,底部/顶部厚度为0.6mm，回抽速度为16mm/s，回抽长度为2mm，打印速度为30mm/s，每层最少冷却时间为20s，打印温度为200-220℃；本实施例通过选择合适的喷嘴、线材直径、线材材质及3D打印参数，能获得较理想的高精度、高质量槽盘。

[0097] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。