一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法技术

本发明专利技术涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法，根据线圈结构和参数、电源参数计算线圈的磁链，绘制距离圆心距离与厚度关系曲线，选取合适特性的屏蔽材料，确定屏蔽结构各处厚度，确定屏蔽结构截面曲线，然后根据面积等效原则，对所设计屏蔽结构进行扇形简化，最后对扇形简化后屏蔽结构进行边缘结构优化处理，制作最优屏蔽结构。该设计方法在减少磁场向外泄露的同时可以约束磁场方向，使尽可能多的磁场参与无线电能传输过程中，减少了高导磁材料的用量，减轻了聚磁屏蔽结构的重量，降低了聚磁屏蔽结构的造价，有利于无线电能传输技术的广泛运用。

A new design method for shielding structure of radio energy transmission coil

The invention relates to the technical field of radio power transmission, in particular to the design method of a new type of shielding structure for radio power transmission coil. The coil flux is calculated according to the coil structure and parameters and power supply parameters, the relationship curve between distance from the center of the circle and thickness is drawn, the shielding materials with suitable characteristics are selected, and the shielding structures are determined. The sectional curve of the shielding structure is determined according to the thickness of the shielding structure. Then, according to the principle of area equivalence, the designed shielding structure is simplified by sector. Finally, the edge structure of the simplified shielding structure is optimized to make the optimal shielding structure. This design method can restrain the direction of magnetic field while reducing the leakage of magnetic field, and make as many magnetic fields as possible participate in the process of radio power transmission. It reduces the amount of high magnetic conductivity materials, reduces the weight of magnetic concentrating shielding structure, reduces the cost of magnetic concentrating shielding structure, and is beneficial to the wide use of radio power transmission technology. Use.

【技术实现步骤摘要】
一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法
本专利技术属于无线电能传输
，尤其涉及一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法。
技术介绍
目前无线电能传输技术中常用的线圈，主要分为两种结构，一种是螺旋形结构线圈，另一种是涡状结构线圈。螺旋形结构线圈主要用于传输距离较远的无线电能传输系统中，涡状结构线圈主要运用于距离较近的无线电能传输系统中。涡状结构线圈相对于螺旋形结构线圈，在传输相同电能的情况下，体积减小，但聚磁作用弱，向外辐射的磁场多，传输效率低。在实际运用时为了提高传输效率，增强聚磁，减小电磁辐射，通常需要对涡状线圈加装聚磁和屏蔽结构。常用的磁屏蔽结构为完整的一块高导磁材料制成的屏蔽板，完整的覆盖在涡状线圈非能量传输的一侧。这个屏蔽结构笨重，且未充分利用导磁材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在减少磁场向外泄露的同时可以约束磁场方向，使尽可能多的磁场参与无线电能传输过程，且降低聚磁屏蔽结构造价的设计方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法，包括以下步骤：步骤1、根据线圈结构和参数及电源参数，计算线圈磁链；步骤2、根据计算所得线圈磁链，绘制距离圆心距离与厚度关系曲线，选取合适特性的屏蔽材料；步骤3、计算线圈起始半径处屏蔽材料厚度hint、线圈外边缘处屏蔽材料厚度hext、线圈中心出口处屏蔽材料半径Rout、及线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout；步骤4、计算屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax；步骤5、如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout，则进行步骤6；如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax不小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout，则需要重新选取屏蔽结构材料，重复步骤2、步骤3、步骤4，直至屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout；步骤6、根据步骤5所计算参数，确定屏蔽结构截面曲线；步骤7、根据面积等效原则，对所设计屏蔽结构进行扇形简化；步骤8、对扇形简化后的屏蔽结构进行边缘结构优化处理；步骤9、制作屏蔽结构。在上述的新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法中，步骤1所述线圈结构和参数及电源参数，包括线圈导线半径、线圈起始半径、线圈外边缘半径、线圈导线间距、线圈导线材料、线圈匝数、线圈形状、输入电流、输入频率、输入电压、输入功率。在上述的新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法中，步骤2所述选取合适特性的屏蔽材料，包括确定屏蔽材料相对磁导率、屏蔽材料密度、屏蔽材料价格、屏蔽材料延展性、屏蔽材料耐热性。本专利技术的有益效果是：在减少磁场向外泄露的同时可以约束磁场方向，使尽可能多的磁场参与无线电能传输过程中，减少了高导磁材料的用量，减轻了聚磁屏蔽结构的重量，降低了聚磁屏蔽结构的造价，有利于无线电能传输技术的广泛运用。附图说明图1为本专利技术一个实施例新型无线电能传输线圈屏蔽结构整体设计流程图；图2(a)为本专利技术一个实施例单匝线圈结构示意图；图2(b)为本专利技术一个实施例等效的单匝圆环线圈结构示意图；图3为本专利技术一个实施例圆心距离与对应厚度关系示意图；图4为本专利技术一个实施例线圈外径、中心出口半径和对应厚度关系示意图；图5为本专利技术一个实施例涡状线圈的几何模型；图6为本专利技术一个实施例中心距离与对应厚度关系曲线；图7(a)、图7(b)、图7(c)分别为本专利技术一个实施例曲线型屏蔽结构模型的主视图、侧视图和俯视图；图8为本专利技术一个实施例修正后中心距离与对应厚度关系曲线；图9(a)、图9(b)分别为本专利技术一个实施例扇形屏蔽结构的主视图和侧视图；图10为本专利技术一个实施例改进后扇形屏蔽结构；图11(a)为本专利技术一个实施例直角边缘改进后扇形屏蔽结构示意图；图11(b)为本专利技术一个实施例锐角边缘改进后扇形屏蔽结构示意图；图11(c)为本专利技术一个实施例钝角边缘改进后扇形屏蔽结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式进行详细描述。本实施例是通过以下技术方案来实现的：第一步：根据线圈结构和参数、电源参数，包括线圈导线半径、线圈起始半径、线圈外边缘半径、线圈导线间距、线圈导线材料、线圈匝数、线圈形状、输入电流、输入频率、输入电压、输入功率，计算线圈的磁链；第二步：根据计算所得线圈磁链，绘制距离圆心距离与厚度关系曲线，选取合适特性的屏蔽材料，包括屏蔽材料相对磁导率、屏蔽材料密度、屏蔽材料价格、屏蔽材料延展性、屏蔽材料耐热性；第三步：计算线圈起始半径处屏蔽材料厚度hint、线圈外边缘处屏蔽材料厚度hext、线圈中心出口处屏蔽材料半径Rout、及线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout；第四步：计算屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax；第五步：如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout，则继续进行相关设计，如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax不小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout，则需要重新选取屏蔽结构材料，重复第二步、第三步、第四步，直至屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout；第六步：根据第五步所计算参数，确定屏蔽结构截面曲线；第七步：根据面积等效原则，对所设计屏蔽结构进行扇形简化；第八步：对扇形简化后屏蔽结构进行边缘结构优化处理；第九步：制作最优屏蔽结构。具体实施时，如图1所示，为新型无线电能传输线圈屏蔽结构整体设计流程图。无线电能传输线圈的品质因数Q为：其中，ω为角频率，L为线圈电感值，R为线圈阻抗。无线电能传输线圈的互感系数k为其中，M为两线圈间的互感，L1、L2分别为线圈1和线圈2的自感，在无线电能传输系统中，品质因数Q和耦合系数k都与能量的损耗相关，也就是能量传输效率相关。有研究表明能量损耗与kQ呈反相关，也就意味着能量传输效率与kQ呈正相关。η∝kQ(3)对于两线圈无线电能传输系统，则整合式(1)、(2)(4)得跟据式(4)可知，当线圈制作完成后，在一定工作频率下，角频率和线圈阻抗不变，也就是传输效率只与互感系数相关。根据互感系数定义，设线圈回路l的电流I1，其所产生并与线圈回路2所交链的磁链为ψ21，则线圈1对于线圈2的互感系数为根据诺依曼公式可知线圈1对于线圈2的互感系数M21与线圈2对于线圈1的互感系数M12相等。以互感系数M21为例进行分析，在正常工作状态中的无线电能传输线圈的输入电流是确定的，因此，通过增强线圈回路1产生并与线圈回路2交链的磁链，就可以提高互感系数，进而提高传输效率。采用对无线电能传输线圈加装磁屏蔽结构的方式，约束磁场的走向，一方面增大两线圈间的互感系数，另一方面减少磁场泄露。先计算线圈的磁链，如图2(a)所示为单匝圆环线圈，圆环内半径为R1，外半径为R2，平均半径为b，圆环截面圆半径为a，P为圆环所在平面上包含在圆环内的一点，Q是圆环上一点，P到Q的距离为R。当圆环平均半径b远大于圆环截面半径时a时，等效为图1(b)所示。α为P和Q分别与圆环中心O连线构成的夹角，r为P点距离圆环中心O的长度，圆环中流过的电流为I。根据毕奥-萨瓦定律，可知微小载流线元在无限大空间某点所产生的磁感应强度其数学表达式为式中，R为线元至被研究点之间的距离，当圆环半径远大于截面半径时，为线元至圆环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、根据线圈结构和参数及电源参数，计算线圈磁链；步骤2、根据计算所得线圈磁链，绘制距离圆心距离与厚度关系曲线，选取合适特性的屏蔽材料；步骤3、计算线圈起始半径处屏蔽材料厚度hint、线圈外边缘处屏蔽材料厚度hext、线圈中心出口处屏蔽材料半径Rout、及线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout；步骤4、计算屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax；步骤5、如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout，则进行步骤6；如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax不小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout，则需要重新选取屏蔽结构材料，重复步骤2、步骤3、步骤4，直至屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout；步骤6、根据步骤5所计算参数，确定屏蔽结构截面曲线；步骤7、根据面积等效原则，对所设计屏蔽结构进行扇形简化；步骤8、对扇形简化后的屏蔽结构进行边缘结构优化处理；步骤9、制作屏蔽结构。

【技术特征摘要】
1.一种新型无线电能传输线圈屏蔽结构的设计方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、根据线圈结构和参数及电源参数，计算线圈磁链；步骤2、根据计算所得线圈磁链，绘制距离圆心距离与厚度关系曲线，选取合适特性的屏蔽材料；步骤3、计算线圈起始半径处屏蔽材料厚度hint、线圈外边缘处屏蔽材料厚度hext、线圈中心出口处屏蔽材料半径Rout、及线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout；步骤4、计算屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax；步骤5、如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout，则进行步骤6；如果屏蔽结构最高处屏蔽材料厚度hmax不小于线圈中心出口处屏蔽材料对应厚度hout，则需要重新选取屏蔽结构材料，重复步骤2、步骤3、步骤4，直至屏蔽结构最高处屏...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军华，代中余，和远舰，黄虹，李逸达，金磊，方支剑，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42