CN108400656A - 基于三维偶极线圈的wpt系统及其参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三维偶极线圈的WPT系统及其参数设计方法，建立基于三维偶极线圈的WPT系统模型，其中，能量接收线圈L_s为三个两两正交的偶极线圈；得出系统的等效互感M与系统功率P_out、效率η的关系式，通过设置所述偶极线圈的匝数N以实现系统需求的功率和/或效率，本发明提供的三维偶极线圈的拾取机构体积小，且在拾取机构任意旋转的情况下，输出的功率和效率都比较稳定，实现了功率20W，效率70％的能量输出。

Description

基于三维偶极线圈的WPT系统及其参数设计方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于三维偶极线圈的WPT系统及其参数设计方法。

背景技术

近年来，利用磁场耦合和谐振实现无线电能传输(WPT)从小功率充电(例如医疗植入设备)到中型或大功率设备充电(例如电动汽车)得到广泛的研究和应用。目前，ChunT.Rim等人提出的偶极线圈结构在感应耦合电能传输(ICPT)模式下可以实现5米传输209瓦，7米传输11瓦的功率，这种偶极线圈结构对于较低频率的感应电能传输系统的中远距离传输提供了一个较好的思路，但是其偶极线圈有数米长，实际应用中体积过大。

对于无线电能多自由度拾取问题的研究，有针对改变发射线圈结构以及控制方式上进行研究的，分别用两个和三个正交的环形线圈作为发射线圈，通过控制能量发射线圈中的电流，使其产生旋转磁场，接收线圈就可以在离发射线圈一定范围内全方位的拾取电能。

也有针对接收线圈结构进行设计的，如有人采用正四面体线圈作为拾取机构，提升了系统的多自由度拾取能力,但是其拾取机构的体积比较大；有人采用三维正交的环形线圈作为拾取结构实现多自由度全方位传能，其体积小，但是输出功率也很小，工作频率达到100MHz，由于实验比较困难，其只做了仿真分析。

发明内容

为了解决上述提到的技术问题，本申请结合了偶极线圈结构可以实现较远距离传输与利用多个接收线圈可提升拾取电能自由度的优势，提供一种基于三维偶极线圈的WPT系统及其参数设计方法，在一定范围内任意旋转拾取机构的情况下，实现了功率效率稳定的多自由度全方位的电能拾取。

为达到上述目的，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于三维偶极线圈的WPT系统，在原边部分，能量发射线圈L_p与补偿电容C_p串联构成原边串联谐振回路，在副边部分，能量接收线圈L_s与串联补偿电容C_s构成副边谐振回路，并将能量传递给负载R_L，所述能量接收线圈L_s为三个两两正交的偶极线圈。

进一步地，系统电路参数满足：三个偶极线圈的内阻均相等，即R_s1＝R_s2＝R_s3＝R_s。

优选地，所述能量发射线圈为环形线圈。

优选地，所述能量发射线圈底部设置有磁芯。

一种基于三维偶极线圈的WPT系统的参数设计方法，包括如下步骤：

S1：建立基于三维偶极线圈的WPT系统模型；

S2：得出系统的等效互感M与系统功率P_out、效率η的关系式，即式中，U为原边输入电压，ω为系统角频率，R_p为能量发射线圈内阻，R_s为能量接收线圈内阻，等效互感M_pi为能量发射线圈p与能量接收线圈的第i个偶极线圈之间的互感；

S3：通过设置所述偶极线圈的匝数N以实现系统需求的功率和/或效率。

进一步地，步骤S3的具体方法为：

根据步骤S2得出的系统等效互感M与系统功率P_out、效率η的关系式，得到系统能效特性曲线，根据系统需求的功率和/或效率，得到对应的等效互感M值；

假设所述能量接收线圈中的三个偶极线圈的匝数相同，根据互感M_pi与偶极线圈匝数N之间的关系：来设置匝数N，使得所述能量接收线圈在旋转情况下，等效互感基本保持不变，式中，B为磁感应强度，S为线圈面积，I_p为原边电流。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：本发明提供了一种基于三维偶极线圈的WPT系统，该三维偶极线圈的拾取机构体积小，且在拾取机构任意旋转的情况下，输出的功率和效率都比较稳定，实现了功率20W，效率70％的能量输出。

附图说明

图1为本发明的无线电能传输系统示意图；

图2为本发明的系统功率和效率随互感变化曲线图；

图3为本发明的不同匝数下等效互感随旋转角度关系图；

图4为三维正交环形线圈和三维正交偶极线圈结构示意图；

图5为两种线圈结构的等效互感随旋转角度关系图；

图6为本发明的能量接收线圈绕坐标轴旋转时的拾取电压图；

图7为本发明的能量接收线圈绕X轴旋转时的功率效率变化图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于三维偶极线圈的WPT系统及其参数设计方法，在一定范围内任意旋转拾取机构的情况下，实现了功率效率稳定的多自由度全方位的电能拾取。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于三维偶极线圈的WPT系统及其参数设计方法，在拾取机构任意旋转的情况下，输出的功率和效率都比较稳定，实现了功率20W，效率70％的能量输出，同时满足拾取机构体积小的要求。

一种基于三维偶极线圈的WPT系统，如图1所示，在原边部分，能量发射线圈L_p与补偿电容C_p串联构成原边串联谐振回路，在副边部分，能量接收线圈L_s与串联补偿电容C_s构成副边谐振回路，并将能量传递给负载R_L，所述能量接收线圈L_s为三个两两正交的偶极线圈。

将三维偶极线圈通过适当的串/并联方式组合,为一个负载R_L提供较稳定的输出，为了分析每个偶极线圈的拾取特性，将实际应用中的一个负载R_L等效为三个负载的叠加效果。

在本实施例中，能量发射线圈为环形线圈，能量接收线圈为三个两两正交的偶极线圈，由于每个坐标轴方向上的两个线圈是由一根导线绕制完成，因此视为一个线圈。作为谐振补偿措施，原副边均采用串联-串联(SS)补偿结构以使拾取机构在旋转过程互感变化不会影响系统的谐振频率。定义X、Y、Z方向上的三个接收线圈分别为Rx_1、Rx_2、Rx_3。

设M_pi为能量发射线圈p与能量接收线圈的第i个偶极线圈之间的互感，M_ij为第i个偶极线圈与第j个偶极线圈之间的互感，U为原边输入电压，R_p为能量发射线圈内阻，R_si为第i个偶极线圈的内阻。

则该系统描述如式(1)：

由于三个偶极线圈两两正交，则M₁₂＝M₁₃＝M₂₃＝0，则式(1)可写成式(2)：

令：

则式(2)可以写成式(3)：

得到：

当系统原、副边补偿电容和电感谐振时，电路中等效阻抗幅角为零，即X_p＝X_s1＝X_s2＝X_s3＝0。

可得输入电压U和原边电流I_p之间的关系如下：式中，

经过前面负载电流的计算，三个偶极线圈输出功率如式(7)所示。

输出总功率为：P_out＝P_out1+P_out2+P_out3 (8)

三个偶极线圈和能量发射线圈的损耗分别表示为：

输入总功率为负载功率和损耗功率之和，即：

假设负载电阻均相等，即R_L1＝R_L2＝R_L3＝R_L，三个偶极线圈的内阻均相等，即R_s1＝R_s2＝R_s3＝R_s，则系统的输出功率和效率如下：

定义发射线圈和拾取线圈之间的等效互感则式(11)、(12)可以重写为：

式(13)和(14)是典型的SS结构功效效率关系，互感是影响能效的重要参数。

根据得出的系统等效互感M与系统功率P_out、效率η的关系式，得到系统能效特性曲线，根据系统需求的功率和/或效率，得到对应的等效互感M值；

根据式(13)和(14)对系统功率和效率的计算来分析系统的能效特性，令dP/dM＝0，可得

把式(15)带入式(14)可得

将效率对互感求导可得

由式(15)-(17)可知，当M取时，系统功率达到最大值，此时效率小于50％，效率随着互感的增大而增大。

实验中设定系统的参数如表1所示,则系统输出功率和效率随着等效互感M的关系如图2所示。

表1主要电路参数

从图2中可以看出，当互感较低时，功率和效率都随着互感的增大而增大，当互感较高时，功率随着互感增大而降低，效率随着互感增大缓慢增长而趋于平稳。系统能效指标以功率20W，效率大于70％为例，可以配置偶极线圈的匝数N，使拾取机构在任意旋转的情况下，等效互感在1.3μH左右，从而使系统达到能效特性的要求。

对于该三维正交的偶极式拾取机构，设三个偶极线圈的匝数N均相同，流过第i个偶极线圈的磁链ψ_i可表示为：

式中，N为线圈的匝数，B为磁感应强度，S为线圈面积。每一个偶极线圈与能量发射线圈之间的互感可表示为：

通过comsol仿真，以拾取机构绕X轴旋转为例，分析等效互感变化情况。图3反映了不同旋转角度下总的等效互感M随着匝数N的变化关系图，可以看出随着匝数N的减小，等效互感M也随之减小。当N＝10匝时，互感维持在1.3μH左右，满足所设计的功率效率需求，另外，其互感波动较小，意味着功率和效率波动较小。

综上分析，提出一种基于三维偶极线圈的WPT系统的参数设计方法，包括如下步骤：

S1：建立基于三维偶极线圈的WPT系统模型；

S2：得出系统的等效互感M与系统功率P_out、效率η的关系式，即式中，U为原边输入电压，ω为系统角频率，R_p为能量发射线圈内阻，R_s为能量接收线圈内阻，等效互感M_pi为能量发射线圈p与能量接收线圈的第i个偶极线圈之间的互感；

S3：通过设置所述偶极线圈的匝数N以实现系统需求的功率和/或效率。

进一步地，步骤S3的具体方法为：

根据步骤S2得出的系统等效互感M与系统功率P_out、效率η的关系式，得到系统能效特性曲线，根据系统需求的功率和/或效率，得到对应的等效互感M值；

假设所述能量接收线圈中的三个偶极线圈的匝数相同，根据互感M_pi与偶极线圈匝数N之间的关系：来设置匝数N，使得所述能量接收线圈在旋转情况下，等效互感基本保持不变，式中，B为磁感应强度，S为线圈面积，I_p为原边电流。

下面将利用comsol有限元建立三维正交偶极线圈与三维正交环形线圈的仿真模型，以证明三维正交偶极线圈具有更好的磁能拾取能力，如图4所示，两种线圈所占用的空间体积、磁芯体积、线径以及线的用线长度均一样，拾取机构参数如表2所示。

表2拾取机构仿真参数表

图4(a)为三个直径为60mm，线径为1mm的三个两两正交的环形线圈，每一个线圈匝数为6匝，中间部分为直径为25mm的球状磁芯。图4(b)由三个两两正交的偶极线圈组成，每个坐标轴方向视为一个偶极线圈。磁芯采用6个直径为8mm，高度为25mm的圆柱形磁芯，为了减小线圈与磁芯之间的寄生电容，线圈与磁芯的距离为5mm，每一匝线圈直径为13mm，每个偶极线圈27匝。

在同等的发射条件下，三维正交环形线圈和三维正交偶极线圈均绕X轴旋转过程中比较两者的等效互感M如图5所示。可以看出，三维正交偶极线圈的等效互感比三维正交环形线圈大得多,而互感又是影响功率和效率的重要因素，这就说明同等条件下，对于磁能拾取来说，三维正交偶极线圈的功率密度比三维正交环形线圈大。从磁场分析来说，由于三维正交偶极线圈在这种磁芯结构的引导下，能引导更多的磁力线穿过线圈平面，对磁场的空间捕获能力更强。而三维正交环形线圈相对于三维正交环形线圈的互感产生上述不规则波动的原因是，三维正交环形线圈从里到外的直径是依次增大的，而三维正交偶极线圈是完全对称的。

下面将通过实验，进一步验证了本发明的拾取机构可以在一定范围内任意旋转实现功率效率稳定的多自由度全方位拾取电能。

能量发射线圈采用内径为90mm,外径为170mm双层共18匝的圆环形线圈，为增大互感，在其底部加体积为200*200*10mm的磁芯，其原边线直径为3mm。副边拾取线圈为三个正交的偶极线圈，每一个偶极线圈直径为13mm,长度为60mm,每一个匝数均为10匝，其线径为1mm。在100KHz的频率下，原边自感为93μH，每一个拾取偶极线圈自感为17μH。

原边输入直流电压后，经过全桥逆变电路将直流逆变为高频交流电，从而产生高频的交变磁场，拾取机构在该高频交变磁场下产生感应电能，将能量由补偿网络输出。

三维偶极式拾取机构在发射机构上方5cm处，分别绕X、Y、Z轴旋转，在负载为1欧的情况下，得到三个偶极线圈对应的负载电压如图6所示。图6(a)为三个偶极线圈绕坐标轴X旋转时的拾取电压，图6(b)为三个偶极线圈绕坐标轴Y旋转时的拾取电压，图6(c)为三个偶极线圈绕坐标轴Z旋转时的拾取电压，当拾取机构绕X轴旋转时，Rx_1线圈拾取电压最低至几乎为0，Rx_2和Rx_3线圈拾取电压交替变化。当拾取机构绕Y轴旋转时，Rx_2线圈拾取电压最低至几乎为0，Rx_1和Rx_3线圈拾取电压交替变化。当拾取机构绕Z轴旋转时，Rx_1和Rx_2线圈的拾取电压几乎为0，Rx_3线圈的拾取电压几乎不变，但总的拾取电压均大于4V，实现了多自由度拾取。

实验中测得当拾取机构绕X轴旋转时功率效率如图7所示，在旋转过程中其功率效率波动较小基本保持不变，这和理论推导相吻合。其输出功率维持在20W以上，效率维持在70％左右。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于三维偶极线圈的WPT系统，在原边部分，能量发射线圈L_p与补偿电容C_p串联构成原边串联谐振回路，在副边部分，能量接收线圈L_s与串联补偿电容C_s构成副边谐振回路，并将能量传递给负载R_L，其特征在于，所述能量接收线圈L_s为三个两两正交的偶极线圈。

2.根据权利要求1所述的基于三维偶极线圈的WPT系统，其特征在于，系统电路参数满足：三个偶极线圈的内阻均相等，即R_s1＝R_s2＝R_s3＝R_s。

3.根据权利要求1所述的基于三维偶极线圈的WPT系统，其特征在于，所述能量发射线圈为环形线圈。

4.根据权利要求3所述的基于三维偶极线圈的WPT系统，其特征在于，所述能量发射线圈底部设置有磁芯。

5.根据权利要求1-4中任意一个权利要求所述的基于三维偶极线圈的WPT系统的参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：建立基于三维偶极线圈的WPT系统模型；

S2：得出系统的等效互感M与系统功率P_out、效率η的关系式，即式中，U为原边输入电压，ω为系统角频率，R_p为能量发射线圈内阻，R_s为能量接收线圈内阻，等效互感M_pi为能量发射线圈p与能量接收线圈的第i个偶极线圈之间的互感；

S3：通过设置所述偶极线圈的匝数N以实现系统需求的功率和/或效率。

6.根据权利要求5所述的基于三维偶极线圈的WPT系统的参数设计方法，其特征在于，步骤S3的具体方法为：

根据步骤S2得出的系统等效互感M与系统功率P_out、效率η的关系式，得到系统能效特性曲线，根据系统需求的功率和/或效率，得到对应的等效互感M值；

假设所述能量接收线圈中的三个偶极线圈的匝数相同，根据互感M_pi与偶极线圈匝数N之间的关系：来设置匝数N，使得所述能量接收线圈在旋转情况下，等效互感基本保持不变，式中，B为磁感应强度，S为线圈面积，I_p为原边电流。