抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法

摘要

本发明公开了一种抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法，属于无线电能传输设备技术领域。本发明的技术方案要点为：根据充电目标确定接收端单向线圈大小，根据电源确定发射端正向线圈和方向线圈大小；根据互感公式确定发射端正向线圈和反向线圈之间的匝数比，对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感随传输距离变化曲线的平坦程度选取合适的匝数；然后利用两个可调电容C1、C2将发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率。本发明采用正反向串联线圈作为WPT/MRC系统的发射端线圈能有效抑制WPT/MRC在过耦合区的频率分裂现象的产生。

权利要求

1.抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法，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相线圈和正向线圈组成的发射端正反向串联线圈、接收端单向线圈、可调电容C1、可调电容C2和负载，其中发射端正反向串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，功率放大器的正向输出端与可调电容C1的一端连接，可调电容C1的另一端与正向线圈的一端连接，正向线圈的另一端与反向线圈的一端连接，反向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接，所述单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，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，所述发射端正向线圈和反向线圈及接收端单向线圈均为螺旋圆形线圈、螺旋矩形线圈或螺旋椭圆形线圈；

具体设计过程为：根据实际应用中充电目标的尺寸确定接收端单向线圈的大小即接收端单向线圈的半径和匝数；由激励源确定发射端正向线圈和反向线圈的半径；根据互感公式确定发射端正向线圈和反向线圈之间的匝数比，其中设定接收端单向线圈的半径为rR，匝数为nR，设定发射端正反向串联线圈的正向线圈的半径为rTf，反向线圈的半径为rTr，通过两单匝圆线圈之间的互感公式：求出发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的互感：

式中，μ0为真空磁导率，r1和r2分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；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，rTf和rTr分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，rR是接收端单向线圈的半径，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中心点与接收端单向线圈中心点之间的距离；

通过求M(D)关于D的微分，得出公式：

根据发射端正反向串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；根据发射端正反向串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串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；然后利用可调电容C1和可调电容C2将发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率即完成用于无线电能传输的抑制频率分裂的发射端正反向串联线圈的设计；

所述发射端正向线圈和反向线圈的匝数具体确定过程为：首先求出当正向线圈单独作为发射线圈时频率分裂点位置DS，将D＝D1＝DS/2带入匝数比公式，可以求出反向线圈的匝数，对反向线圈的匝数进行变动，根据公式：

确定发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦；经过一系列对比可以得出，通过公式求出的反向线圈匝数为最优值，式中，D0为发射端正反向串联线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的初始距离，D1为发射端正反向串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串联线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的距离。

2.根据权利要求1所述的抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法，其特征在于：所述接收端单向线圈半径rR和匝数nR的设定标准根据实际充电目标确定；发射端正向线圈半径rTf和反向线圈半径rTr的设定标准根据信号源确定。

说明书

抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线电能传输设备技术领域，具体涉及一种抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法。

背景技术

[0002] 2007年美国麻省理工大学学者利用磁耦合谐振式无线电能传输(wireless power transfer via magnetic resonant coupling，WPT/MRC)理论，成功地在2m距离内点亮一个60W的灯泡，其传输效率达到50％左右。该理论表明，在中距离传输范围(几厘米至几米)内，线圈之间可以通过耦合谐振方式实现高效的能量传输。与感应式无线电能传输方式相比，磁耦合谐振式无线电能传输距离更远；与微波无线能量传输方式相比，磁耦合谐振式无线电能传输没有辐射。

[0003] 近几年来，磁耦合谐振式无线电能传输方式一直是国内外研究的热点。然而，在磁耦合谐振式无线电能传输中，当发射线圈和接收线圈之间的距离小于某个临界值时，两线圈处于过耦合状态，线圈间的互感发生剧烈变化，系统电能传输效率也会急剧下降。此时，在谐振频率处线圈接收的电能不再是最大值，而是在谐振频率点两端的某两个频率点处达到峰值，这种现象叫做频率分裂。

[0004] 为了抑制频率分裂，可以采用频率跟踪、阻抗匹配、改变线圈结构等方法。频率跟踪技术是通过在WPT/MRC系统中附加高频电流检测器、差分放大器、相位补偿器、锁相线圈等一系列复杂的电路来实现对发射回路谐振频率的跟踪控制，进而抑制频率分裂。但是，这些附加的电路会使系统变得复杂，也会消耗额外的能量。阻抗匹配方法是在WPT/MRC系统中使用可调阻抗匹配网络来抑制频率分裂，但是需要逆变电路、反馈电路、控制电路等根据传输的距离来调整匹配阻抗。此外，还可以通过改变线圈结构的方式抑制频率分裂。这种方法无需在系统中添加额外复杂电路，便于操作，简单易行。

发明内容

[0005] 本发明为实现在系统中不附加额外复杂电路、消耗多余能量的同时，能够有效抑制WPT/MRC中出现的频率分裂，提供了一种抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法。

[0006] 本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法，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相线圈和正向线圈组成的发射端正反向串联线圈、接收端单向线圈、可调电容C1、可调电容C2和负载，其中发射端正反向串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，功率放大器的正向输出端与可调电容C1的一端连接，可调电容C1的另一端与正向线圈的一端连接，正向线圈的另一端与反向线圈的一端连接，反向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接，所述单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，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；

[0007] 具体设计过程为：根据实际应用中充电目标的尺寸确定接收端单向线圈的大小即接收端单向线圈的半径和匝数；由激励源确定发射端正向线圈和反向线圈的半径；根据互感公式确定发射端正向线圈和反向线圈之间的匝数比，其中设定接收端单向线圈的半径为rR，匝数为nR，设定发射端正反向串联线圈的正向线圈的半径为rTf，反向线圈的半径为rTr，通过两单匝圆线圈之间的互感公式：

[0008]

[0009] 求出发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的互感：

[0010]

[0011] 式中，μ0为真空磁导率，r1和r2分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；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，rTf和rTr分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，rR是接收端单向线圈的半径，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中心点与接收端单向线圈中心点之间的距离；

[0012] 通过求M(D)关于D的微分，得出公式：

[0013]

[0014] 根据发射端正反向串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；根据发射端正反向串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串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；然后利用可调电容C1和可调电容C2将发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率即完成用于无线电能传输的抑制频率分裂的发射端正反向串联线圈的设计。

[0015] 进一步优选，所述发射端正向线圈和反向线圈及接收端单向线圈均为螺旋圆形线圈、螺旋矩形线圈或螺旋椭圆形线圈。

[0016] 进一步优选，所述发射端正向线圈和反向线圈的匝数具体确定过程为：首先求出当正向线圈单独作为发射线圈时频率分裂点位置DS，将D＝D1＝DS/2带入匝数比公式，可以求出反向线圈的匝数。

[0017] 对反向线圈的匝数进行变动，根据公式：

[0018]

[0019] 确定发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦；经过一系列对比可以得出，通过公式求出的反向线圈匝数为最优值。式中，D0为发射端正反向串联线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的初始距离，D1为发射端正反向串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串联线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的距离。

[0020] 进一步优选，所述接收端单向线圈半径rR和匝数nR的设定标准根据实际充电目标确定；发射端正向线圈半径rTf和反向线圈半径rTr的设定标准根据信号源确定。

[0021] 本发明具有以下有益效果：本发明采用正反向串联线圈作为WPT/MRC系统的发射端线圈能有效抑制WPT/MRC在过耦合区的频率分裂现象的产生。

附图说明

[0022] 图1是WPT/MRC系统的结构示意图；

[0023] 图2是WPT/MRC系统的等效电路图；

[0024] 图3是发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感随传输距离的变化曲线；

[0025] 图4是选取的最优设计示意图。

具体实施方式

[0026] 以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

[0027] 实施例

[0028] 抑制频率分裂的无线电能传输线圈设计方法，它由以下步骤实现：

[0029] 步骤一、WPT/MRC系统发射端为正反向串联线圈，即正反向串联线圈作为发射线圈，接收端为单向线圈，即单向线圈作为接收线圈；正反向串联线圈由正向线圈和反向线圈组成，正向线圈在外部，反向线圈嵌在正向线圈内部，流经正向线圈和反向线圈的电流方向相反；正向线圈、反向线圈和单向线圈均为螺旋圆形线圈；将发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈同轴放置，并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；

[0030] 步骤二、通过两单匝圆线圈之间的互感公式：

[0031]

[0032] 得出发射端正向线圈与接收端单向线圈之间的互感：

[0033]

[0034] 和发射端反向线圈与接收端单向线圈之间的互感：

[0035]

[0036] 继而得出发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的互感：

[0037]

[0038] 式中，μ0为真空磁导率(4π×10-7H/m)，r1和r2分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分；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，rTf和rTr分别是发射端正向线圈和反向线圈的半径，rR是接收端单向线圈半径，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中心点与接收端单向线圈中心点之间的距离；

[0039] 步骤三、通过求M(D)关于D的微分，得出公式：

[0040]

[0041] 求出当正向线圈单独作为发射线圈时频率分裂点位置DS，将D＝D1＝DS/2带入上式，可以求出反向线圈的匝数。

[0042] 步骤四、对反向线圈的匝数进行变动，根据公式

[0043]

[0044] 确定发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦；经过一系列对比可以得出，通过公式求出的反向线圈匝数为最优值。

[0045] 式中，D0为发射端正反向串联线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的初始距离，D1为互感取最大值时发射端正反向串联线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的距离；

[0046] 步骤五、利用两个可调电容C1、C2分别将发射端正反向串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可抑制频率分裂的正反向串联线圈的制造。

[0047] 所述接收端单向线圈半径rR和匝数nR的设定标准根据实际充电目标确定；发射端正向线圈半径rTf和反向线圈半径rTr的设定标准根据信号源确定。

[0048] 所述发射端正向线圈匝数nTf和反向线圈匝数nTr的设定方法是根据发射端正反向串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的。

[0049] 所述WPT/MRC系统包括信号发生器、功率放大器、由内外同轴设置的反相线圈和正向线圈组成的发射端正反向串联线圈、接收端单向线圈、可调电容C1、可调电容C2和负载，其中发射端正反向串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，功率放大器的正向输出端与可调电容C1的一端连接，可调电容C1的另一端与正向线圈的一端连接，正向线圈的另一端与反向线圈的一端连接，反向线圈的另一端与功率放大器的负向输出端连接，所述单向线圈的一端与负载的正向输入端连接，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。

[0050] WPT/MRC系统结构如图1所示，信号从信号发生器产生经功率放大器，由发射端正反向串联线圈发射，由接收端单向线圈接收，并传递给负载。

[0051] 图1中所示的收发线圈模型，每个线圈都具有一个电感，每一圈线圈之间都存在分布电容，如果不外加电容，那么该线圈则被称为“自谐振线圈”。线圈上存在着金属导线的电阻，由于阻值较小，在理论推导中可以忽略不计(即令RT＝RR＝0)，以便于简化推导。如果线圈自谐振频率不满足实际要求，则可以外加电容或电感。对于一般情况而言，系统工作频率都低于线圈自谐振频率，因此只需要在线圈端口处直接串联一个电容即可。

[0052] 图2即为WPT/MRC系统的等效电路，线圈之间通过磁场谐振耦合相互作用，这种耦合的强度用互感M来衡量。

[0053] 根据磁耦合谐振式无线能量传输系统的传输特性可以用传输系数S21来表示，传输效率用η来表示。

[0054]

[0055] η＝|S21|2×100％                                     (2)[0056] 当系统工作于线圈谐振频率时，传输系数S21可以简化为(3)式：

[0057]

[0058] 由公式(3)可以看出，传输系数S21是关于互感和频率的函数，所以在固定工作频率下得到平坦的效率变化曲线，可以通过平坦的互感变化曲线来实现。因此，对于线圈的优化设计是非常重要的。

[0059] 使用正向线圈作为发射线圈，通过改变正向线圈的半径和匝数来实现平缓互感变化的效果并不好。因此，可以在发射端引入反向线圈来抑制近距离内正向线圈和单向线圈之间剧烈的互感变化。

[0060] 两同轴单匝圆线圈之间的互感可以用式(4)来表示：

[0061]

[0062] 其中，μ0为真空磁导率(4π×10-7H/m)，r1和r2分别是两单匝圆线圈的半径，d为两单匝圆线圈间的距离，K(k)和E(k)分别是第一类和第二类椭圆积分。

[0063] 则发射端正向线圈和接收端单向线圈之间的互感可以用式(5)来表示：

[0064]

[0065] 其中，nTf是发射端正向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈的匝数，rTf是发射端正向线圈的半径，rR是接收端单向线圈的半径，Dij是发射端正向线圈的第i匝和接收端单向线圈的第j匝之间的距离，D为发射端正向线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的距离。

[0066] 发射端反向线圈和接收端单向线圈之间的互感可以用式(6)来表示：

[0067]

[0068] 式中，nTr是发射端反向线圈的匝数，nR是接收端单向线圈的匝数，rTr是发射端反向线圈的半径，rR是接收端单向线圈的半径，Dij是发射端反向线圈的第i匝和接收端单向线圈的第j匝之间的距离，D为发射端反向线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的距离。

[0069] 发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的互感可以用式(7)来表示：

[0070]

[0071] 如图3所示为发射端正反向串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。

[0072] 通过对式(7)的微分得出式(8)：

[0073]

[0074] 即求出了发射端正向线圈和反向线圈的匝数比。

[0075] 求出当正向线圈单独作为发射线圈时频率分裂点位置DS，将D＝D1＝DS/2带入上式，可以求出反向线圈的匝数。

[0076] 对反向线圈的匝数进行变动，根据公式(9)：

[0077]

[0078] 式中，D0为发射端正反向串联线圈中心点和接收端单向线圈中心点之间的初始距离，D1为两线圈间互感取最大值时发射端正反向串联线圈中心点和接收端单向线圈中心点的之间距离。

[0079] 确定发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感随距离变化曲线的平坦程度，v越小则表示互感随距离变化曲线越平坦；经过一系列对比可以得出，通过公式求出的反向线圈匝数为最优值。如图4所示。正反向串联线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统，由于反向线圈的存在，抑制正向线圈和接收端单向线圈之间互感的剧烈变化，阻碍频率分裂现象的发生。

[0080] 本发明所提出的频率分裂抑制方法不光对圆形线圈有效，对于其他形状的收发线圈，如矩形线圈、椭圆形，同样适用。关键点在于如何对发射端正向线圈和反向线圈进行优化设计，所不同的是需要根据不同的线圈形状选取相应的互感系数计算公式。对于形状复杂的线圈，其互感系数难以精确计算，则可以通过数值仿真进行互感系数的计算与参数的优化。

[0081] 综上发射端正反向串联线圈的制造方法，可以总结成如下设计步骤：

[0082] 1、根据充电目标确定接收端单向线圈大小，根据电源确定发射端正向线圈和方向线圈大小；

[0083] 2、求出发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间的互感，即求出(7)，通过对(7)的微分得出(8)，求出正向线圈和反向线圈的匝数比，对发射端正向线圈和反向线圈的匝数进行调整，根据发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈之间互感随传输距离变化曲线的平坦程度选取合适的匝数；

[0084] 3、然后利用两个可调电容C1、C2将发射端正反向串联线圈和接收端单向线圈调谐在所用工作频率。

[0085] 通过理论计算可知，正反向串联线圈作为发射线圈的WPT/MRC系统可以有效抑制频率分裂现象的发生，并且可以使WPT/MRC系统在近距离内高效率地进行能量传输。

[0086] 以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。