一种带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方法技术

本发明专利技术针对无线充电平面圆形线圈，在给定的工作频率、额定传输功率、最大传输距离、最大横向偏移情况下，提出一种针对带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方案，在互感镜像法的基础上，利用空心线圈互感的解析式，在MATLAB或其他计算软件绘制对应互感匝数关系图，以目标互感的一半对应的空心线圈半径和匝数为起始值，在目标互感对应的无穷大面积片状磁芯线圈半径和匝数，至目标互感对应的空心线圈半径和匝数的搜索范围里，再通过有限元仿真修正，从而得到合理的线圈模型。这种设计过程从理论上估算出磁耦合机构的尺寸范围，则可减少有限元仿真与模型的修正次数，从而节约仿真时间。从而节约仿真时间。从而节约仿真时间。

【技术实现步骤摘要】
一种带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方法


[0001]本专利技术涉及无线充电
,特别涉及一种带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方法。

技术介绍

[0002]无线充电作为一种新兴技术，与传统的有线供电相比更加安全便捷，其非接触式和全密封性的特点从根本上避免了有线充电带来的弊端且更加安全，具有良好的应用场景和发展趋势。其中磁耦合线圈是整个无线电能传输系统的关键性设计，具有高品质因素并能产生均匀磁场的线圈是获得更高的传输效率和更稳定的输出功率的保证。目前空心线圈的参数估算与设计已有广泛研究，但在大功率场合下，为了增加耦合度，降低对外界的干扰，通常会选用将空心线圈与磁芯搭配。而添加磁芯之后，耦合系统的品质因素、耦合系数等均会受到影响。因加入磁芯之后系统非线性计算复杂，设计时通常采用有限元仿真软件进行分析。但目前很少有研究提供有限元仿真建模前对耦合机构尺寸的理论估算，导致仿真存在一定的盲目性，因此有必要研究一种针对带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方案用于指导仿真分析。
[0003]通常情况下在设计磁耦合线圈均会采用有限元仿真分析软件，其中仿真的次数依赖运气和设计者的工程经验丰富程度。尤其是磁芯的添加，使得原本线性的耦合系统转为非线性，面对复杂的参数优化分析，若有限元线圈建模之前，有合理的方法从理论上估算出磁耦合机构的尺寸范围，则可减少有限元仿真与模型的修正次数，从而节约仿真时间。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种从理论上估算出磁耦合机构的尺寸范围，减少有限元仿真与模型的修正次数，从而节约仿真时间的带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方法。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术包括以下步骤：
[0006]A.根据传输需求，明确各项技术指标要求，各项技术指标包括传输功率效率、工作频率、输入及输出电压范围、传输距离范围和偏移量；
[0007]B.根据给定的最大传输距离和最大允许的横向偏移量，按照补偿拓扑方式，先得到最小的目标互感值；
[0008]C.基于线圈有效值计算公式，确定初级和次级线圈电流有效值，确定导线导体部分的截面积和线径，确定匝数比；
[0009]D.利用互感镜像法计算公式，编程计算并绘制空心线圈的互感匝数关系图；
[0010]E.根据曲线图分别找出在最小目标互感值、最小目标互感值的一半和最小目标互感值得四分之一时对应的各自匝数值，并分别确定其外半径；
[0011]F.以最小目标互感值的一半对应的外半径进行建模，在最小互感和四分之一最小互感分别对应的外半径范围内，根据有限元仿真结果，不断增加或减少匝数与半径，修正模
型，直到互感的仿真结果接近最小目标互感。
[0012]进一步的，所述步骤A具体为：
[0013]A1.参考国际电信联盟和电磁环境限值的相关标准，期间选择参考SAE
‑
2954的标准；
[0014]A2.SAE
‑
2954对无线充电核心频率的规定，基于两线圈模式的无线充电系统，工作频率选择90kHz，明确各项技术指标要求，包括传输功率效率、输入及输出电压范围、传输距离范围和偏移量；
[0015]进一步的，所述步骤B具体为：
[0016]B1.根据给定的最大传输距离和最大允许的横向偏移量，指定补偿拓扑结构为谐振拓扑结构；
[0017]B2.由拓扑结构得到的功率表达式，并由该功率表达式得到最小目标互感值表达式；
[0018]B3.根据最小目标互感表达式，代入进行计算，得到最小目标互感值相应的数值。
[0019]进一步的，所述步骤C具体为：
[0020]C1.基于线圈电流有效值的推导式，确定初次级线圈电流有效值；
[0021]C2.由初次级线圈电流有效值确定导线的线径和截面积；
[0022]C3.由导线线径确认初次级线圈的匝数比。
[0023]进一步的，所述步骤D具体为：
[0024]D1.空心线圈互感具有解析解，利用互感镜像法计算公式，进行编程计算；
[0025]D2.根据编程计算结果，绘制相应匝数与互感关系曲线图。
[0026]进一步的，所述步骤E具体为：
[0027]E1.根据曲线图分别找出在最小目标互感值、最小目标互感值的一半和最小目标互感值得四分之一时对应的各自匝数值；
[0028]E2.根据各自匝数值，分别确定其外半径。
[0029]进一步的，所述步骤F具体为：
[0030]F1.在有限元仿真软件中，先以最小目标互感值的一半对应的外半径进行建模；
[0031]F2.并在最小互感和四分之一最小互感分别对应的外半径范围内，根据有限元仿真结果，不断增加或减少匝数与半径，进行仿真；
[0032]F3.修正模型，直到互感的仿真结果接近最小目标互感，取此时的匝数和半径作为最终值。
[0033]进一步的，所述步骤B2中的所述功率表达式为：
[0034][0035]其中上式中ω0为角频率，P
m
为最大传输功率，U1为输入电压，U2为输出电压，M为线圈间的目标最小互感，L
f1
和L
f2
分别为原副边谐振电感值。
[0036]所述步骤B2中的最小目标互感值表达式为：
[0037][0038]其中式(1)ω0为角频率，P
m
为最大传输功率，U1为输入电压，U
2max
为输出电压最大值，λ1和λ2分别为原副边电流基波幅值的比例系数，M
min
为线圈间的目标最小互感，L
f1
和L
f2
分别为原副边谐振电感值。
[0039]进一步的，所述步骤C1中的线圈电流有效值的推导式为：
[0040][0041][0042]其中式(2)和式(3)中I
p
为流经初级线圈电流有效值，I
s
为流经次级线圈电流有效值，ω0为角频率，P
m
为最大传输功率，U1为输入电压，U
2max
为输出电压最大值，λ1和λ2分别为原副边电流基波幅值的比例系数，L
f1
和L
f2
分别为原副边谐振电感值。
[0043]进一步的，所述步骤D1中空心线圈互感互感镜像法计算公式为：
[0044][0045]其中式(4)中：μ0为真空磁导率，为积分变量，r0、r分别为两线圈内半径和外半径，a1＝δ1/2π，a2＝δ2/2π，δ1、δ2分别为两个线圈的螺距，d为空心线圈的线径。
[0046]本专利技术的有益效果是：本专利技术针对无线充电平面圆形线圈，在给定的工作频率、额定传输功率、最大传输距离、最大横向偏移情况下，提出一种针对带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方案，在互感镜像法的基础上，利用空心线圈互感的解析式，在MATLAB或其他计算软件绘制对应互感匝数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方法，其特征在于，它包括以下步骤：A.根据传输需求，明确各项技术指标要求，各项技术指标包括传输功率效率、工作频率、输入及输出电压范围、传输距离范围和偏移量；B.根据给定的最大传输距离和最大允许的横向偏移量，按照补偿拓扑方式，先得到最小的目标互感值；C.基于线圈有效值计算公式，确定初级和次级线圈电流有效值，确定导线导体部分的截面积和线径，确定匝数比；D.利用互感镜像法计算公式，编程计算并绘制空心线圈的互感匝数关系图；E.根据曲线图分别找出在最小目标互感值、最小目标互感值的一半和最小目标互感值得四分之一时对应的各自匝数值，并分别确定其外半径；F.以最小目标互感值的一半对应的外半径进行建模，在最小互感和四分之一最小互感分别对应的外半径范围内，根据有限元仿真结果，不断增加或减少匝数与半径，修正模型，直到互感的仿真结果接近最小目标互感。2.根据权利要求1所述的一种带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方法，其特征在于，所述步骤A具体为：A1.参考国际电信联盟和电磁环境限值的相关标准，期间选择参考SAE
‑
2954的标准；A2.SAE
‑
2954对无线充电核心频率的规定，基于两线圈模式的无线充电系统，工作频率选择90kHz，明确各项技术指标要求，包括传输功率效率、输入及输出电压范围、传输距离范围和偏移量。3.根据权利要求2所述的一种带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方法，其特征在于，所述步骤B具体为：B1.根据给定的最大传输距离和最大允许的横向偏移量，指定补偿拓扑结构为谐振拓扑结构；B2.由拓扑结构得到的功率表达式，并由该功率表达式得到最小目标互感值表达式；B3.根据最小目标互感表达式，代入进行计算，得到最小目标互感值相应的数值。4.根据权利要求3所述的一种带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方法，其特征在于，所述步骤C具体为：C1.基于线圈电流有效值的推导式，确定初次级线圈电流有效值；C2.由初次级线圈电流有效值确定导线的线径和截面积；C3.由导线线径确认初次级线圈的匝数比。5.根据权利要求4所述的一种带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方法，其特征在于，所述步骤D具体为：D1.空心线圈互感具有解析解，利用互感镜像法计算公式，进行编程计算；D2.根据编程计算结果，绘制相应匝数与互感关系曲线图。6.根据权利要求5所述的一种带磁芯的无线充电平面线圈的尺寸预估方法，其特征在于，所述步骤E具体为：E1.根据曲线图分别找出在最小目...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈健斌，徐宇峰，邹建俊，蒙贵，涂书专，
申请(专利权)人：广东泰坦智能动力有限公司，
类型：发明
国别省市：