一种基于电感解耦的三线圈耦合机构多参数优化方法技术

本发明专利技术属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于电感解耦的三线圈耦合机构多参数优化方法，包括两大环节，即磁场仿真环节和数值计算及择优环节。磁场仿真环节需要分别搭建磁场仿真模型，依次扫描线圈尺寸参数，得到不同线圈尺寸下的相关参数，该环节不考虑线圈匝数的影响，线圈匝数均为1。数值计算及择优环节根据磁场仿真环节得到的相关参数计算得到不同尺寸、不同匝数时三线圈耦合机构最重要的三个参数，然后根据目标函数和约束条件进行择优，最终得到全局最优的三线圈耦合机构。本发明专利技术优化参数全面，优化结果全局最优；对各方向偏移均不敏感，抗偏移性能突出，线圈传输效率高；优化效率高，优化时间短。优化时间短。优化时间短。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电感解耦的三线圈耦合机构多参数优化方法


[0001]本专利技术属于无线电能传输
，具体涉及一种基于电感解耦的三线圈耦合机构多参数优化方法。

技术介绍

[0002]耦合机构的耦合系数变化范围对感应式无线电能传输系统的效率和稳定性有重要影响。目前提升感应式无线电能传输系统抗偏移性能主要有四种方法。第一种是使用闭环控制策略，通过调节系统工作频率、逆变器移相角、整流桥移相角、后级DC/DC变换器占空比等维持系统输出电压或电流的稳定，但是当偏移很大时，系统性能会显著恶化。第二种是采用对耦合不敏感的补偿参数设计方法，该方法会引入大量的无功功率，导致额外的损耗，且会增大系统元件的伏安等级。第三种方法是使用混合型补偿拓扑，利用两个补偿拓扑的互补输出特性，减小系统输出电压或电流随耦合系数的波动，但是该方法需要的元件多，而且需要专门的过压或过流保护电路，系统更加复杂。第四种方法是设计对偏移不敏感的耦合机构，例如DD型、DDQ型、双极型(Bipolar)、三极型(Tripolar)等，这些耦合机构对水平方向的偏移确实不敏感，但是对竖直方向的偏移仍然很敏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电感解耦的三线圈耦合机构多参数优化方法，其特征在于，包括磁场仿真环节和数值计算及择优环节；所述磁场仿真环节包括以下步骤：步骤1：确定三线圈耦合机构磁芯尺寸、传输距离、X、Y和Z轴方向的最大偏移距离、线圈尺寸变化范围、线圈尺寸扫描步长、线圈匝数变化范围、最大耦合下降系数σ
max
、正对情况下三线圈耦合机构的最小互感M
a_min
；所述三线圈耦合机构包括线圈1、线圈2、线圈3，所述线圈2和线圈1绕向相反，两者共轴排布，串联连接，共同构成原边耦合机构；所述线圈3位于副边耦合机构；线圈1内半径和外半径的取值范围分别为[r
i1min
,r
i1max
]和[r
o1min
,r
o1max
]，线圈2内半径和外半径的取值范围分别为[r
i2min
,r
i2max
]和[r
o2min
,r
o2max
]，线圈3内半径和外半径的取值范围分别为[r
i3min
,r
i3max
]和[r
o3min
,r
o3max
]；其中，线圈3外半径保持不变，始终取最大值r
o3max
；线圈1、2、3内半径的扫描点数分别为a1、a2、a3，线圈1、2、3内半径的扫描步长分别为Δr
i1
、Δr
i2
、Δr
i3
；线圈1、2外半径的扫描点数分别为b1、b2，线圈1、2外半径的扫描步长分别为Δr
o1
、Δr
o2
；线圈1、2、3的匝数n1、n2、n3的取值范围分别为[1,c1]、[1,c2]、[1,c3]，c1、c2、c3均为正整数；步骤2：建立副边自感磁场仿真模型，即三线圈耦合机构移除线圈1和线圈2，原边磁芯半径等于r
i1max
，副边磁芯半径等于r
i3max
，线圈3内半径初值等于r
i3min
，外半径等于r
o3max
，分别在正对和最大偏移情况下以Δr
i3
的步长扫描线圈3内半径，得到正对和最大偏移情况下线圈匝数为1时线圈3自感矩阵L
st_c3_a
和L
st_c3_m
，这两个矩阵均包含a3个元素，每个元素对应不同的线圈3内半径；步骤3：建立原边自感磁场仿真模型，即三线圈耦合机构移除线圈3，原边磁芯半径等于r
i1max
，副边磁芯半径等于r
i3max
，线圈1内半径初值等于r
i1min
，外半径初值等于r
o1min
，线圈2内半径初值等于r
i2min
，外半径初值等于r
o2min
，分别在正对和最大偏移情况下以Δr
i1
的步长扫描线圈1内半径、以Δr
o1
的步长扫描线圈1外半径、以Δr
i2
的步长扫描线圈2内半径、以Δr
o2
的步长扫描线圈2外半径，得到正对和最大偏移情况下线圈匝数为1时线圈1自感矩阵L
st_c1_a
和L
st_c1_m
、正对和最大偏移情况下线圈匝数为1时线圈2自感矩阵L
st_c2_a
和L
st_c2_m
、正对和最大偏移情况下线圈1和线圈2的耦合系数矩阵k
12_a
和k
12_m
，矩阵L
st_c1_a
、L
st_c1_m
、L
st_c2_a
、L
st_c2_m
、k
12_a
、k
12_m
均包含(a1×
b1×
a2×
b2)个元素，每个元素对应不同的线圈1内、外半径和线圈2内、外半径；步骤4：建立互感磁场仿真模型1，即三线圈耦合机构移除线圈2，原边磁芯半径等于r
i1max
，副边磁芯半径等于r
i3max
，线圈1内半径初值等于r
i1min
，外半径初值等于r
o1min
，线圈3内半径初值等于r
i3min
，外半径等于r
o3max
，分别在正对和最大偏移情况下以Δr
i1
的步长扫描线圈1内半径、以Δr
o1
的步长扫描线圈1外半径、以Δr
i3
的步长扫描线圈3内半径，得到正对和最大偏移情况下线圈1和线圈3匝数均为1时两者间的互感矩阵M
st_13_a
和M
st_13_m
，这两个矩阵均包含(a1×
b1×
a3)个元素，每个元素对应不同的线圈1内、外半径、线圈3内半径；步骤5：建立互感磁场仿真模型2，即三线圈耦合机构移除线圈1，原边磁芯半径等于r
i1max
，副边磁芯半径等于r
i3max
，线圈2内半径初值等于r
i2min
，外半径初值等于r
o2min
，线圈3内半径初值等于r
i3min
，外半径等于r
o3max
，分别在正对和最大偏移情况下以Δr
i2
的步长扫描线
圈2内半径、以Δr
o2
的步长扫描线圈2外半径、以Δr
i3
的步长扫描线圈3内半径，得到正对和最大偏移情况下线圈2和线圈3匝数均为1时两者间的互感矩阵M
st_23_a
和M
st_23_m
，这两个矩阵均包含(a2×
b2×
a3)个元素，每个元素对应不同的线圈2内、外半径、线圈3内半径；所述数值计算及择优环节包括以下步骤：步骤1：初始化，三线圈耦合机构最优解向量Y
opt
包含12个元素，其中前3个是三线圈耦合机构最重要的三个性能参数，即正对情况下的互感M
a
、正对情况下的耦合系数k
a
、耦合下降系数σ，初始化时令其为0；中间6个是三线圈耦合机构线圈尺寸，即线圈1、2、3的内半径和外半径(r
i1
、r
o1
、r
i2
、r
o2
、r
i3
、r
o3
)，除r
o3
设置为其最大值外，其余参数初始化时将其分别设置为各自变化范围内的最小值；最后3个是三线圈耦合机构线圈匝数，初始化时将其均设置为1；即Y
opt
＝[M
a
,k
a
,σ,r
i1
,r
o1
,r
i2
,r
o2
,r
i3
,r
o3
,n1,n2,n3]＝[0,0,0,r
i1min
,r
o1min
,r
i2min
,r
o2min
,r
i3min
,r
o3max
,1,1,1]；步骤2：判断r
o1
是否大于r
o2
；若r
o1
小于或等于r
o2
，说明线圈2和线圈1发生交叠，则跳至步骤10；若r
o1
大于r
o2
，执行步骤3；步骤3：从磁场仿真环节得到的参数矩阵中读取对应当前线圈尺寸的参数，包括L
st_c1_a
、L
st_c1_m
、L
st_c2_a
、L
st_c2_m
、k
12_a
、k
12_m
、L
st_c3_a
、L
st_c3_m
、M
st_13_a
、M
st_13_m
、M
st_23_a
、M
st_23_m
；步骤4：判断M
st...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚文兰，吴晓锐，肖静，韩帅，周柯，陈绍南，吴宁，卓浩泽，高立克，陈卫东，莫宇鸿，姚友素，郭敏，郭小璇，姚知洋，
申请(专利权)人：广西电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：