两任意位姿N边形线圈间的互感计算方法技术

本发明专利技术公开了两任意位姿

【技术实现步骤摘要】
两任意位姿N边形线圈间的互感计算方法
本专利技术涉及电磁线圈系统领域，尤其涉及了两任意位姿N边形线圈间的互感计算方法。
技术介绍
目前，许多电子设备都会用到在各种线圈间的电磁转换，例如无线电能传输系统、数据传输系统，以及近年来的室内电磁定位系统等。同时，随着社会生活与工业的发展，格式各样的传感器被设计出来以适应不同的工况。因此，线圈系统的形状多变。互感以及线圈间的耦合系数作为重要参数，可以较为直观的反映线圈系统的工作状态。例如在室内电磁定位等系统中，使用多边形线圈替代圆形线圈可以有效提高定位的精度。尽管许多杰出的电磁物理学家和科学家已经完成了在空间中任意位置的圆形线圈之间重要参数互感算法计算，但是仅有圆形线圈的互感计算算法是不足够的。在许多生物医学或是航空航天的电磁传感器和无线传能的线圈系统中，多边形线圈都有广泛使用。SlobodanBabic介绍了用磁矢势法任意计算圆形线圈间互感系数的公式。根据平面方程和线圈中心坐标，推导出任意位置的圆形线圈的姿态。SlobodanBabic的公式需要收集线圈的所有物理参数并建立方程。相较于Babic算法中需要建立圆形线圈的空间方程，对于正多边形只需要采集四个点的空间坐标，需采集的物理参数较多。来自Urmia大学微电子研究实验室的HadiTavakkoli使用毕奥萨伐尔定律计算了同轴六边形、八边形线圈之间的互感系数。他直接使用分析公式处理积分，计算过程较为复杂。
技术实现思路
本专利技术提供了两任意位姿N边形线圈间的互感计算方法，在计算过程中能够减少计算所需采集的线圈物理参数，优化了可行域划分方式，简化计算方法使其更易实现。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：两任意位姿N边形线圈间的互感计算方法，包括：S1、采集源极线圈和次级线圈的各端点空间坐标；S2、利用源极线圈端点的空间坐标，构建源极线圈磁感应强度目标函数；S3、根据次级线圈的各个端点的空间坐标划分目标函数的可行域；S4、利用重积分算法解算磁感应强度目标函数，得到并输出互感参数。进一步的，在S1中，端点的空间位置确定方法为：S101、采集线圈的空间方位角，利用两线圈间的位置关系建立最优空间坐标系，并确定线圈在最优空间坐标系中的姿态；S102、任取线圈中的某一端点坐标作为已知点；S103、利用已知点的坐标，利用线圈空间姿态的变换迭代计算出其余端点的空间坐标。进一步的，S2的步骤具体包括：S201、根据端点的空间位置，计算各个边的磁感应强度的目标函数；S202、将各个边的磁感应强度的目标函数向可行域投影，投影角由线圈的空间姿态确定，投影得到整个多边形线圈的有效磁感应强度函数。进一步的，在S201中，目标函数的计算方法采用比奥萨法尔定律，针对多边形线圈，毕奥萨伐尔定律计算磁感应强度更加精确。进一步的，在S3中，可行域的划分规则为：以源极线圈或次级线圈所在平面作为三维坐标系中的XOY面，可行域的边界与x、y、z轴平行。本专利技术的有益效果是：本专利技术给出的互感参数计算方法，尽可能少的采集线圈物理参数，在正多边形线圈中，只需要采集三个点的空间坐标便可以建立线圈间的数学模型，此算法在对于采集线圈物理参数方面较为简易。在可行域划分方法中，利用坐标轴将可行域划分为梯形，而非琐碎的几何区域，便于重积分运算，可以直接计算空间两多边形线圈的任意位姿时候的互感。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为采集两线圈物理参数与坐标系建立示意图；图2为利用已知点确定所有端点的示意图；图3为利用比奥萨法尔定律确定磁感应强度的目标函数；图4和图5为目标函数可行域划分示意图；图6为对八边形线圈实例的对所述互感参数的计算方法。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术实例提供的两任意位姿N边形线圈间的互感计算方法，采用了两个八边形线圈作为对象，如图2所示。计算方法的流程图如图1所示，包括：S1、采集两多边形的物理参数，物理参数包括两多边形线圈间的空间方位角α、β、γ，根据采集两线圈的空间方位角建立坐标系，坐标系的示意图如图2和图3所示，具体步骤包括：S101、将次级线圈固定于XOY面，以次级线圈中心作为空间坐标系原点，建立空间直角坐标系。S102、在空间坐标系中即可测定两多边形中心与源极线圈即非XOY面的线圈任意一端点的空间坐标，以及源极线圈的空间方位角。S103、利用空间方位角和平面多边形几何关系迭代计算其余各个端点的空间坐标，如图3与公式(1)和公式(2)所示：其中δ为多边形内角，取值为45°，xaya为已知次级线圈一端点坐标，xbyb为其余未知的端点坐标，通过xaya即可递推出xbyb。α、β、γ为源极线圈平面和x、y、z坐标轴平面的夹角，并且将绕着坐标轴逆时针旋转方向标记为正方向。三个夹角可由利用源极线圈的三个端点坐标确定平面后解得。其中，记x0y0z0为次级多边形线圈的中心坐标；利用(1)式中各个端点坐标递推可得源极线圈各端点坐标。S2、利用毕奥萨伐尔定律的积分式构建源极线圈磁感应强度目标函数，具体包括：S201、如图4所示，利用直导线两端点的空间坐标，代入含方位角推演出的比奥萨法尔公式中，如式(3)、(4)所示。记通电直导线的电流为I，通电直导线产生的磁感应强度为Bmag，将一条边上相邻的两个点标记为A、D；将空间中任意一点标记为P；γ1为边DA与AP的夹角，γ3为边DA和DP的夹角，记点P到直线AB间的距离a；μ0为真空磁导率。S202、将步骤S201中的所得到的磁感应强度向目标函数的可行域投影，记有效磁感应强度函数为Bz。其中θ为磁感应强度与次级线圈间的夹角，可以由已知顶点坐标的三角形ABC求出。Bz＝Bmag×sinθ(5)S3、跟据多边形的物理参数来确定目标函数的可行域，目标函数可行域划分示意图如图5和图6所示，划分标准包括两种情况：其一，针对偶多边形线圈的可行域划分，由于其具有更好的对称性，可行域可划分为多个等腰梯形，由于步骤S1已经求出所有顶点的坐标，积分面积可以简单而明确地表示出来。各个积分区域的表达式如公式(6)所示：如图5所示的区域划分，N1、N2…Nk依次为多边形各个端点，为第一个端点、第i个端点横坐标，是端点为N2k和N1的直线解析式，则为端点为Nk和Nk-1的直线解析式，即积分上下限为二重积分时的上下限。Φi为第i个区域磁通量。B1z、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.两任意位姿N边形线圈间的互感计算方法，其特征在于，包括：/nS1、采集源极线圈和次级线圈的各端点空间坐标；/nS2、利用所述源极线圈端点的空间坐标，构建源极线圈磁感应强度目标函数；/nS3、根据所述次级线圈各个端点的空间坐标来划分目标函数的可行域；/nS4、利用重积分算法解算所述磁感应强度目标函数，得到并输出互感参数。/n

【技术特征摘要】
1.两任意位姿N边形线圈间的互感计算方法，其特征在于，包括：
S1、采集源极线圈和次级线圈的各端点空间坐标；
S2、利用所述源极线圈端点的空间坐标，构建源极线圈磁感应强度目标函数；
S3、根据所述次级线圈各个端点的空间坐标来划分目标函数的可行域；
S4、利用重积分算法解算所述磁感应强度目标函数，得到并输出互感参数。


2.根据权利要求1所述的两任意位姿N边形线圈间的互感计算方法，其特征在于，在所述S1中，所述端点的空间位置确定方法为：
S101、采集所述线圈的空间方位角，利用两线圈间的位置关系建立最优空间坐标系，并确定所述线圈在最优空间坐标系中的姿态；
S102、任取所述线圈中的某一端点坐标作为已知点；
S103、利用已知点的坐标，利用所述线圈空间姿态的变换迭代计算出其余所述端点...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子建，邵明，董洋洋，尚恺，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32