一种基于磁共振耦合技术的电能无线变向传输方法技术

本发明专利技术涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于磁共振耦合技术的电能无线变向传输方法，包括构建发射线圈、接收线圈和优化线圈电路的谐振电路，优化线圈包括：同向优化线圈和转向优化线圈；通过设置同向优化线圈、转向优化线圈、发射线圈的参数，利用磁耦合公式计算发射线圈、接收线圈和同向优化线圈、转向优化线圈之间的互感值，结合基尔霍夫定律得到负载功率、接收线圈电流和接收线圈磁链的大小，并计算出最大传输效率值。本发明专利技术在空间狭隘，能量传输路径错综复杂的特种环境，以同轴同向为基础的无线电能传输方式及其优化措施不能满足电能传输要求，通过可实现电能无线变向传输的系统，进行电能传输，使磁共振耦合技术的应用更加广泛。术的应用更加广泛。术的应用更加广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁共振耦合技术的电能无线变向传输方法


[0001]本专利技术涉及无线电能传输
，尤其涉及一种基于磁共振耦合技术的电能无线变向传输方法。

技术介绍

[0002]无线电能传输技术具有安全性、灵活性和通用性的优势，可以有效避免电接触的不稳定性、电气设备移动的局限性等问题。随着人们对电子设备便携性、高效性等品质追求的提高和对工业生产用电安全性的重视，无线充电设备快速发展，并已广泛应用于生活与生产中。由无线充电传输方式基本原理的不同，分为三种典型的无线充电技术，分别是：基于电磁感应的短距离传输技术，基于磁共振耦合的中距离传输技术，基于微波的长距离传输技术。
[0003]其中磁共振耦合技术利用接收线圈与发射线圈频率一致时引起的电磁共振，发生强电磁耦合，进而实现电能高效无线传输，具有传输距离远、效率高、功率大的优点，可有效解决针对于电动车、机器人的传统供电方式的缺陷，但发射线圈与接收线圈同轴同向这一先决条件使磁共振耦合技术的应用在空间上具有一定的局限性。
[0004]现有的磁共振耦合技术的应用，无论是在小功率的便携式设备上，还是在大功率的电动车或工业应用中，为了保证电能的高效传输，都通过严格固定电源与负载位置，保持线圈同轴同向放置，不存在轴向角度差，来实现线圈间互感最大，电能传输效率最高。而线圈的相对位置发生改变，就会导致互感减小，进而改变线圈之间的耦合强度、电路的等效阻抗、系统的谐振状态等关键参数。在各种传输条件下，尤其是空间狭隘，能量传输路径错综复杂的特种环境，在以同轴同向为基础的无线电能传输方式及其优化措施不能满足电能传输要求，为了适应客观环境而直接改变线圈相对位置又会极大影响系统的传输能力，甚至不能实现传输功能，而对于无线变向传输技术研究可以突破这一短板对磁共振耦合技术应用的限制。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：在空间狭隘，能量传输路径错综复杂的特种环境，以同轴同向为基础的无线电能传输方式及其优化措施不能满足电能传输要求，通过可实现电能无线变向传输的系统，进行电能传输，使磁共振耦合技术的应用更加广泛。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：一种基于磁共振耦合技术的电能无线变向传输方法包括以下步骤：
[0007]构建发射线圈、接收线圈和优化线圈电路的谐振电路，优化线圈包括：同向优化线圈和转向优化线圈；
[0008]通过设置发射线圈、同向优化线圈、转向优化线圈、发射线圈的参数，利用磁耦合公式计算发射线圈、接收线圈和同向优化线圈、转向优化线圈之间的互感值，结合基尔霍夫定律得到负载功率、接收线圈电流和接收线圈磁链的大小，并计算出传输效率值。
[0009]进一步的，接收线圈的参数包括：接收线圈的半径、接收线圈与发射线圈相切点间的距离、接收线圈的旋转角度，其中，接收线圈旋转时，对应外半径与发射线圈内半径相切。
[0010]进一步的，同向优化线圈的参数包括：同向优化线圈与发射线圈的圆点间距离，其中，同向优化线圈与发射线圈同轴且半径相等，并与发射线圈平行。
[0011]进一步的，转向优化线圈的参数包括：转向优化线圈与发射线圈的相切点间距离，转向线圈的旋转角度，其中，转向优化线圈与发射线圈同轴且半径相等。
[0012]进一步的，同向优化线圈与转向优化线圈的互感公式为：
[0013][0014]接收线圈与同向优化线圈的互感公式为：
[0015][0016]接收线圈与转向优化线圈的互感公式为：
[0017][0018]其中，μ0为真空磁导率，N
R
为接收线圈匝数，N
i1
为同向优化线圈匝数，N
j1
为同向优化线圈匝数，r
S
为发射线圈半径，r
R
为接收线圈半径，r
i1
为同向优化线圈半径，r
j1
为转向优化线圈半径，α与β为发射线圈和接收线圈极坐标下的微分角度，d
α
与d
β
为发射线圈和接收线圈圆周的微分，为接收线圈平面与水平平面的角度，θ1为转向优化线圈平面相对于水平平面的角度，h
i1j1
为同向优化线圈和转向优化线圈的距离，h
Ri1
为同向优化线圈和接收线圈的距离，h
Rj1
为转向优化线圈和接收线圈的距离，∮
O
为环路积分。
[0019]进一步的，基尔霍夫定律的方程组为：
[0020][0021]其中，为发射线圈的电流，发射线圈总阻抗为为发射线圈的电流，发射线圈总阻抗为为同向优化线圈的电流，同向优化线圈总阻抗为优化线圈的电流，同向优化线圈总阻抗为为转向优化线圈的电流，转向优化线圈总阻抗为转向优化线圈总阻抗为为接收线圈的电流；转向优化线圈总阻抗为ω为系统工作角频率，M
Ri1
为同向优化线圈与接收线圈互感，M
Rj1
为转向优化线圈与接收线圈互感，M
SR
为发射线圈与接收线圈互感，M
i1j1
为同向优化线圈与转向优化线圈互感。
[0022]进一步的，负载功率包括：增加同向优化线圈或增加转向优化线圈、同时增加同向优化线圈和转向优化线圈时的负载功率，其中，增加同向优化线圈或增加转向优化线圈的计算公式为：
[0023][0024]本专利技术的有益效果：
[0025]1、磁共振耦合双线圈系统在45
°
的变向角度下，增加同向优化线圈的传输效率达到40.25％，可有效提升系统的传输能力；同时增加同向优化线圈和转向优化线圈，转向优化线圈L
j1
相对于xy平面的角度为19
°
时，系统的优化效果最佳；
[0026]2、本专利技术实现了电能的无线变向传输，拓展了磁耦合谐振式无线充电系统的应用场景。
附图说明
[0027]图1是本专利技术的MCR
‑
WPT系统等效电路图；
[0028]图2是本专利技术的接收线圈旋转示意图；
[0029]图3是本专利技术的接收线圈半径为发射线圈半径0.5倍的接收线圈旋转示意图；
[0030]图4是本专利技术的添加同向优化线圈和转向优化线圈后的WPT系统效果图；
[0031]图5是本专利技术的接收线圈与发射线圈同轴放置时的磁场强度图；
[0032]图6是本专利技术的接收线圈与发射线圈内侧相切时的磁场强度图；
[0033]图7是本专利技术的发射线圈与接收线圈不同距离时接收线圈磁链大小曲线图；
[0034]图8是本专利技术的发射线圈与接收线圈不同距离时接收线圈电流大小图；
[0035]图9是本专利技术的接收线圈不同旋转角度下接收线圈磁链大小曲线图；
[0036]图10是本专利技术的接收线圈不同旋转角度下接收线圈电流大小图；
[0037]图11是本专利技术的增加同向优化线圈后接收线圈磁链大小曲线图；
[0038]图12是本专利技术的增加同向优化线圈后接收线圈电流大小图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁共振耦合技术的电能无线变向传输方法，其特征在于，包括以下步骤：构建发射线圈、接收线圈和优化线圈电路的谐振电路，优化线圈包括：同向优化线圈和转向优化线圈；通过设置发射线圈、同向优化线圈、转向优化线圈、发射线圈的参数，利用磁耦合公式计算发射线圈、接收线圈和同向优化线圈、转向优化线圈之间的互感值，结合基尔霍夫定律计算得到负载功率、接收线圈电流和接收线圈磁链的大小和传输效率值。2.根据权利要求1所述的基于磁共振耦合技术的电能无线变向传输方法，其特征在于，接收线圈的参数包括：接收线圈的半径、接收线圈与发射线圈相切点间的距离、接收线圈的旋转角度；其中，接收线圈旋转时，对应外半径与发射线圈内半径相切。3.根据权利要求1所述的基于磁共振耦合技术的电能无线变向传输方法，其特征在于，同向优化线圈的参数包括：同向优化线圈与发射线圈的相切点间距离，其中，同向优化线圈与发射线圈同轴且半径相等，并与发射线圈平行。4.根据权利要求1所述的基于磁共振耦合技术的电能无线变向传输方法，其特征在于，转向优化线圈的参数包括：转向优化线圈与发射线圈的圆点间距离，转向线圈的旋转角度；其中，转向优化线圈与发射线圈同轴且半径相等。5.根据权利要求1所述的基于磁共振耦合技术的电能无线变向传输方法，其特征在于，同向优化线圈与转向优化线圈的互感公式为：接收线圈与同向优化线圈的互感公式为：接收线圈与转向优化线圈的互感公式为：其中，μ0为真空磁导率，N
R
为接收线圈匝数，N
i1
为同向优化线圈匝数，N
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昭淇，强浩，陈则璋，牛辉，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：