非理想Litz线线圈品质因数优化的方法技术

本发明专利技术属于电力电子系统及其控制技术领域，尤其是非理想Litz线线圈品质因数优化的方法，针对非理想Litz线线圈的高频电阻远高于理想Litz线线圈，阻碍了无线电能传送效率进一步提升的问题，现提出以下方案，包括如下步骤，非理想Litz线线圈高频损耗电阻建模，包括股间电流分布建模与求解；高频损耗电阻中的导通电阻分量的建模与求解；高频损耗电阻中的邻近效应电阻分量的建模与求解。本发明专利技术根据概率求解出在首端熔接头已知位置引出的多股绝缘线在尾端的分布，进而建模求解各股绝缘细线电流的概率分布，通过设计特定形状的熔接头基体并多重连接，以及将Litz线束表面股在特定的长度位置熔接在一起，实现绝缘线股间电流的再均匀化以降低高频损耗电阻。

Optimization method of quality factor of non ideal Litz coil

【技术实现步骤摘要】
非理想Litz线线圈品质因数优化的方法
本专利技术涉及电力电子系统及其控制
，尤其涉及非理想Litz线线圈品质因数优化的方法。
技术介绍
Litz线使用多股绝缘细导线绞制而成，能有效降低趋肤损耗，被广泛应用于制作高频线圈，理想的Litz线假设各股绝缘细导线流过相同的电流，从而具有很低的高频电阻，在无线电能传送系统中，其它条件不变的前提下，线圈品质因数越高，系统所能获得的最大效率就越高，品质因数与运行频率成正比，与谐振电路的电阻成反比。在电动汽车无线充电等大功率应用场合，为达到较大的载流横截面积，Litz线中绝缘细导线的股数通常在数千股以上，股数的增多及熔接头外径的增大，导致电流在绝缘细线间的分布严重不均匀，带来线圈高频损耗电阻的增加及品质因数的恶化，使得该种非理想Litz线线圈的高频电阻远高于理想Litz线线圈，阻碍了无线电能传送系统效率的进一步提升。
技术实现思路
基于非理想Litz线线圈的高频电阻远高于理想Litz线线圈，阻碍了无线电能传送系统效率的进一步提升的技术问题，本专利技术提出了非理想Litz线线圈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.非理想Litz线线圈品质因数优化的方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：先进行非理想Litz线线圈高频损耗电阻的建模，包括股间电流分布建模与求解；高频损耗电阻中的导通电阻分量的建模与求解；高频损耗电阻中的邻近效应电阻分量的建模与求解；基于股间电流不均匀系数的高频损耗电阻求解；/nS2：非理想Litz线线圈降损，包括构建半球形、圆锥形、扇形、空心薄壁圆柱等均流熔接头的三维模型；Litz线束表面股熔接均流；非均匀匝间间距的线匝磁场消减；最小损耗的熔接法优化；/nS3：最后得出Litz线线圈品质因数优化的方法，建立依赖于频率的线圈品质因数的解析表达式；最优运行频率与最大品质因数求解。/n

【技术特征摘要】
1.非理想Litz线线圈品质因数优化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：先进行非理想Litz线线圈高频损耗电阻的建模，包括股间电流分布建模与求解；高频损耗电阻中的导通电阻分量的建模与求解；高频损耗电阻中的邻近效应电阻分量的建模与求解；基于股间电流不均匀系数的高频损耗电阻求解；
S2：非理想Litz线线圈降损，包括构建半球形、圆锥形、扇形、空心薄壁圆柱等均流熔接头的三维模型；Litz线束表面股熔接均流；非均匀匝间间距的线匝磁场消减；最小损耗的熔接法优化；
S3：最后得出Litz线线圈品质因数优化的方法，建立依赖于频率的线圈品质因数的解析表达式；最优运行频率与最大品质因数求解。


2.根据权利要求1所述的非理想Litz线线圈品质因数优化的方法，其特征在于，所述S1中，股间电流分布建模与求解时：
在常见的熔接方法中，Litz线熔接头处形成一个圆柱导体，而绝缘细导线连接到圆柱导体一端的横截面上，因此可将整根Litz线的分成三个部分来建模，即首端圆柱熔接头、由绝缘细导线组成的Litz线束、尾端圆柱熔接头，由于Litz线制作时的绞制特性，要建立几千股绝缘细导线的绞制的三维模型基本上是不可能的，由于Litz线的绞制特性，任一绝缘细线的电流只与其在熔接头横截面的连接位置有关系，故可将Litz线束建模为平行的绝缘细导线组成，而不需要对几千股绝缘细导线的绞制进行特殊的建模；
在Litz线首端熔接头，居于横截面同一圈处已知位置的n(i)(i为线束横截面中包含的绝缘细导线的圈数，1≤i≤3)股绝缘细导线，在Litz线尾端熔接头横截面的位置未知，无法建立有限元模型，但这些位置满足一定的概率分布，假定p(j)是绝缘细导线在尾端横截面第j圈(1≤j≤3)的概率，则p(j)与第j圈的半径近似成正比(因在第j圈分布的细导线数量与其周长2πrj近似成正比)，且何意一个细导线占据的面积都相等，则p(j)是可求解的，因此，由首端第i圈引出的n(i)股绝缘线在Litz线尾端的横截面第j圈上的数目为
n(j)＝n(i)p(j)
据此，可确立全部Litz线束中全部n股绝缘细线在Litz线束两端熔接头依概率的分布情况，并利用有限元建模求解其电流分布。


3.根据权利要求2所述的非理想Litz线线圈品质因数优化的方法，其特征在于，所述S1中，高频损耗电阻中的导通电阻分量的建模与求解时：
高频损耗的等效电阻可表示为导通电阻和邻近效应电阻之和，即
R(ω)＝Rcond(ω)+Rprox(ω)，因此高频电阻的计算，可以分为两个部分，即导通电阻计算和邻近效应电阻计算；
在各股绝缘细线的股间电流分布已知的前提下，可直接将各股绝缘细线等效为等长度的长直导线来建立有限元模型，并求解其导通电阻，用解析法建立各股细导线的导通电阻表达式如下



且：









其中i表示第i股绝缘细导线，l是单股细导线的长度，Rcond_u,l是单股单位长度绝缘细导线的电阻，ξ是与趋肤深度δ相关的量；μ0是自由空间磁导率(μ0＝4π×10-7H/m)；μr是材料的相对磁导率(对于铜μr＝1)；r0是单股外绝缘细铜线的半径；ber、bei′、bei、ber′是几种开尔文函数，如果各股细导线流过的电流相同，则整个Litz线束的等效导通电阻就是每股线的1/n(n是该Litz线束中绝缘细导线的股数)，但当各股细电线中流过的电流不同时，则可根据n股Litz线总的损耗和各股电流来计算其等效电阻如下



其中Ii是第i股绝缘细线中流过的电流且


4.根据权利要求3所述的非理想Litz线线圈品质因数优化的方法，其特征在于，所述S1中，高频损耗电阻中的邻近效应电阻分量的建模与求解时：
邻近效应损耗包括内部损耗与外部损耗，即
Rprox(ω)＝Rprox_int(ω)+Rprox_ext(ω)
内部损耗Rprox_int指的是在一束由n股绝缘细导线组成的Litz线束内部，由于这些细导线的载流而引起的磁场作用下，导致绝缘细导线内横截面电流不均匀而产生的损耗，在各股细绝缘线股间电流分布已知的情况下，建立三维有限元模型，能够较精确地求解内部邻近损耗，同时，在横截面内某个半径处的邻近效应磁场只与该半径的园内包含的电流有关，与其分布无关，又由于Litz线的绕制特点，当Litz线束内的绝缘细线股数足够大时，可认为其电流在整个Litz线束内是按面积均匀分布的，故此，内部邻近效应损耗可建立解析法求解模型；
外部损耗Rprox_ext指的是在一个多匝的线圈中，由于某一束Litz线匝以外的线匝所产生的磁场在该束Litz线匝上引起的电流不均匀分布产生的损耗，在各绝缘细线的股间电流分布已知的情况下，建立三维有限元仿真模型能够求解该损耗，当股数很大时，或频率很高时，可通过部分元件等效电路法，只对整个线圈的一部分来建模以求解全部损耗。


5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪繁荣，彭禄，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42