一种无线功率传输链路耦合电感的提取方法技术

本发明专利技术公开了一种无线功率传输链路耦合电感的提取方法，通过建立形式简洁、计算精度高的针对无线功率传输的耦合电感解析模型，可以快速、精确地解析提取无线功率链路在不同工作状态下的接收线圈和发射线圈之间的耦合电感，解析结果精度与商用HFSS全波电磁仿真软件的仿真结果精度基本一致，但计算时间和设计复杂性显著降低，克服了现有HFSS全波电磁仿真软件仿真时间过长、执行效率低下的缺点，可提高无线功率传输链路的设计优化效率，指导技术开发人员快速实时对无线功率传输链路进行设计优化。本发明专利技术方法可以快速提取不同形状、不同匝数的无线功率传输链路的接收线圈和发射线圈在水平偏移、角度偏移等任意工作状态下的耦合电感，适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种无线功率传输链路耦合电感的提取方法
本专利技术涉及无线功率传输
，具体是一种无线功率传输链路耦合电感的提取方法。
技术介绍
无线功率传输是通过发射线圈与接收线圈之间的交变磁场进行信号传输的电磁传输技术，具有安全性好、可靠性高、环境适应性强及接入方式灵活等优点，适用于医用植入体、消费电子、电动汽车等工作环境下的设备能量供应。收发线圈的耦合电感是影响无线功率传输链路性能的关键因数，直接决定无线功率传输链路的传输功率与传输效率。实际工作中，收发线圈之间不可避免会发生水平偏移与角度偏移，进而造成耦合电感的变化，无线功率传输系统需要快速提取对应工作状态下的耦合电感，并动态调整工作模式。当前研究线圈耦合电感的方法主要有两种：一种方法是采用商用三维全波电磁仿真软件HFSS进行仿真计算，HFSS提供了一个精确的场解器，通过对线圈结构进行有限元分析，可以计算得到线圈的全波电磁场与耦合电感，但仿真器网格划分与仿真需要消耗较长时间，延长电路设计优化时间；另一种方法是采用椭圆积分和贝塞尔函数对线圈之间的电磁场分布进行分析计算，得到耦合电感的数值解析结果，但该方法属于数值方法，不能得到直观的解析等式，对于耦合电感的计算复杂度高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种无线功率传输链路耦合电感的提取方法，该方法可以快速、精确地解析提取无线功率链路在不同工作状态下的接收线圈和发射线圈之间的耦合电感，指导技术开发人员快速实时对无线功率传输链路进行设计优化。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种无线功率传输链路耦合电感的提取方法，包括以下步骤：S1：读取无线功率传输链路的工作环境文件，记录文件内圆形的接收线圈和发射线圈的类型与规格；S2：根据接收线圈和发射线圈的类型与规格，获取接收线圈和发射线圈的尺寸参数与材料参数，作为接收线圈和发射线圈的设计参数进行存储；S3：无线功率传输链路工作过程中，采用激光测距仪实时检测接收线圈和发射线圈之间的中心间距h、水平偏移值x和角度偏移值θ并记录；S4：根据解析式(1)求解接收线圈上任意一点A和发射线圈上任意一点B之间的间距R：式(1)中，(X1,Y1,Z1)为发射线圈上任意一点B的坐标，(X2,Y2,Z2)为接收线圈上任意一点A的坐标，(X1,Y1,Z1)与(X2,Y2,Z2)位于同一坐标系；S5：将步骤S4中求解得到的间距R代入诺伊曼函数，推导得到单匝结构的接收线圈和单匝结构的发射线圈之间的耦合电感M的复杂积分方程：式(2)中，r1与r2分别为发射线圈和接收线圈的内径，与分别为发射线圈上任意一点B和接收线圈上任意一点A的角坐标，μ0为真空磁导率；S6：对式(2)的复杂积分方程进行5阶泰勒级数展开计算，得到单匝结构的接收线圈和单匝结构的发射线圈之间的耦合电感M的简洁高效的解析式：式(3)中，α＝2r1x/τ，β＝(2hr2sinθ-2xr2cosθ)/τ，γ＝2r1r2cosθ/τ，χ＝2r1r2/τ，τ＝r12+r22+x2+h2；多匝结构的接收线圈和多匝结构的发射线圈之间的耦合电感Mtotal的解析式为：式(4)中，n1与n2分别为发射线圈和接收线圈的匝数，Mij为发射线圈的第i匝绕组与接收线圈的第j匝绕组之间的耦合电感，系数ρ＝1；S7：利用已知MATLAB软件的数值解析功能，分析得到无线功率传输链路在不同偏移状态下的耦合电感。步骤S6中通过5阶泰勒级数展开，可以对存在水平偏移与角度偏移的接收线圈和发射线圈之间的耦合电感进行快速的提取计算。作为优选，步骤S2中，接收线圈和发射线圈的设计参数包括线圈匝数、内径、线宽度、线间距、线厚度和线电导率。作为优选，步骤S4中，发射线圈上任意一点B的坐标和接收线圈上任意一点A的坐标分别为：作为优选，对于方形的接收线圈和发射线圈，分别以发射线圈和接收线圈的内边长代替内径，发射线圈的内边长为2r1，接收线圈的内边长为2r2，系数ρ＝(4/π)1+r2/r1。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术无线功率传输链路耦合电感的提取方法，为无线功率传输设计与优化提供了一个形式简洁、计算精度高的耦合电感解析模型，该方法可以快速、精确地解析提取无线功率链路在不同工作状态下的接收线圈和发射线圈之间的耦合电感，解析结果精度与商用HFSS全波电磁仿真软件的仿真结果精度基本一致，但计算时间和设计复杂性显著降低，克服了现有HFSS全波电磁仿真软件仿真时间过长、执行效率低下的缺点，可提高无线功率传输链路的设计优化效率，指导技术开发人员快速实时对无线功率传输链路进行设计优化；2、本专利技术无线功率传输链路耦合电感的提取方法，可以快速提取不同形状、不同匝数的无线功率传输链路的接收线圈和发射线圈在水平偏移、角度偏移等任意工作状态下的耦合电感，适用范围广。附图说明图1为实施例1中无线功率传输链路的接收线圈和发射线圈的结构示意图；图2为圆形的接收线圈和发射线圈以及方形的接收线圈和发射线圈在水平偏移下的耦合电感曲线；图3为圆形的接收线圈和发射线圈以及方形的接收线圈和发射线圈在角度偏移下的耦合电感曲线；图4为圆形的接收线圈和发射线圈以及方形的接收线圈和发射线圈在水平偏移与角度偏移共同作用下的耦合电感曲线。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。实施例1的无线功率传输链路耦合电感的提取方法，包括以下步骤：S1：读取无线功率传输链路的工作环境文件，记录文件内圆形的接收线圈和发射线圈的类型与规格；S2：根据接收线圈和发射线圈的类型与规格，获取接收线圈和发射线圈的尺寸参数与材料参数，作为接收线圈和发射线圈的设计参数进行存储，其中，接收线圈和发射线圈的设计参数包括线圈匝数、内径、线宽度、线间距、线厚度和线电导率；S3：实施例1中无线功率传输链路的接收线圈和发射线圈的结构示意图见图1，无线功率传输链路工作过程中，采用激光测距仪实时检测接收线圈和发射线圈之间的中心间距h、水平偏移值x和角度偏移值θ并记录；S4：求解接收线圈上任意一点A和发射线圈上任意一点B之间的间距R：其中，(X1,Y1,Z1)为发射线圈上任意一点B的坐标，(X2,Y2,Z2)为接收线圈上任意一点A的坐标，(X1,Y1,Z1)与(X2,Y2,Z2)位于同一坐标系，其中：因此，其中，r1与r2分别为发射线圈和接收线圈的内径，与分别为发射线圈上任意一点B和接收线圈上任意一点A的角坐标，μ0为真空磁导率；S5：将步骤S4中求解得到的间距R代入诺伊曼函数，推导得到单匝结构的接收线圈和单匝结构的发射线圈之间的耦合电感M的复杂积分方程：其中，α＝2r1x/τ，β＝(2hr2sinθ-2xr2cosθ)/τ，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线功率传输链路耦合电感的提取方法，其特征在于包括以下步骤：/nS1：读取无线功率传输链路的工作环境文件，记录文件内圆形的接收线圈和发射线圈的类型与规格；/nS2：根据接收线圈和发射线圈的类型与规格，获取接收线圈和发射线圈的尺寸参数与材料参数，作为接收线圈和发射线圈的设计参数进行存储；/nS3：无线功率传输链路工作过程中，采用激光测距仪实时检测接收线圈和发射线圈之间的中心间距h、水平偏移值x和角度偏移值θ并记录；/nS4：根据解析式(1)求解接收线圈上任意一点A和发射线圈上任意一点B之间的间距R：/n

【技术特征摘要】
1.一种无线功率传输链路耦合电感的提取方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：读取无线功率传输链路的工作环境文件，记录文件内圆形的接收线圈和发射线圈的类型与规格；
S2：根据接收线圈和发射线圈的类型与规格，获取接收线圈和发射线圈的尺寸参数与材料参数，作为接收线圈和发射线圈的设计参数进行存储；
S3：无线功率传输链路工作过程中，采用激光测距仪实时检测接收线圈和发射线圈之间的中心间距h、水平偏移值x和角度偏移值θ并记录；
S4：根据解析式(1)求解接收线圈上任意一点A和发射线圈上任意一点B之间的间距R：



式(1)中，(X1,Y1,Z1)为发射线圈上任意一点B的坐标，(X2,Y2,Z2)为接收线圈上任意一点A的坐标，(X1,Y1,Z1)与(X2,Y2,Z2)位于同一坐标系；
S5：将步骤S4中求解得到的间距R代入诺伊曼函数，推导得到单匝结构的接收线圈和单匝结构的发射线圈之间的耦合电感M的复杂积分方程：



式(2)中，r1与r2分别为发射线圈和接收线圈的内径，与分别为发射线圈上任意一点B和接收线圈上任意一点A的角坐标，μ0为真空磁导率；
S6：对式(2)的复杂积分方程进行5阶泰勒级数展开计算，得到单匝结构的接收线圈和单匝结构的发射线圈之间的耦合电感M的简洁高效的解析式：


...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱科芳，钱利波，易泽鑫，李敏华，朱樟明，夏银水，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33