本发明专利技术涉及一种混合电磁耦合无线电能传输耦合结构优化设计方法，包括步骤一；由设计要求得到线圈尺寸,步骤二，由设计要求和线圈参数得到铜环尺寸，步骤三，仿真验证临界耦合和谐振频率，判断是否满足设计要求，步骤四，修正铜环尺寸，使系统满足步骤三中的要求。本发明专利技术基于电耦合与磁耦合相互抵消特性抑制频率分裂原理的混合耦合无线电能传输耦合结构，在发射端与接收端的距离较近的一段传输距离范围内可以抑制频率分裂的强度，实现较高的传输效率。效率。效率。
【技术实现步骤摘要】
一种混合电磁耦合无线电能传输耦合结构优化设计方法
[0001]本专利技术涉及一种基于电耦合与磁耦合相互抵消特性抑制频率分裂原理的混合耦合无线电能传输耦合结构，可应用于移动电子设备充电、工业大型设备充电等方向，属于无线电能传输领域。
技术介绍
[0002]近年来，基于磁耦合谐振的无线电能传输系统在植入式生物医疗设备、移动电子设备的供电领域引起了广泛关注。但是人们也发现在利用磁耦合谐振系统传输电能的时候，想要实现最大效率传输只能让发射机和接收机处于特定的距离上才能实现。当发射机和接收机距离过近时，磁耦合强度过强，负载电压随间距减小而下降。此时，负载电压的峰值所在的频率偏离谐振频率，在谐振频率处反而为负载电压的谷值，即出现频率分裂现象。利用电耦合和磁耦合相互抵消的特性，可以减弱甚至消除频率分裂。当发射机和接收机接近时，磁耦合和电耦合强度都增加，但整体耦合由磁耦合和电耦合叠加，由于电耦合和磁耦合的相互抵消作用，整体耦合强度可以保持不变，从而抑制频率分裂，实现稳定的输出效率。
[0003]现有的利用混合耦合方式进行电能传输的设计方法可以避免使用复杂的频率跟踪控制系统，让系统实现在较近距离下避免强烈的频率分裂。在发射机和接收机的距离在一定范围内变化的应用下，如何选择紧凑的线圈和铜环尺寸组合，使得在此距离变化范围内的频率分裂被抑制，同时使传输效率达到最高，目前并没有有效的设计方法。线圈尺寸过大容易造成磁耦合冗余，从而导致频率分裂过强，降低此距离变化范围内整体的传输效率。铜环尺寸过大容易造成电耦合冗余，使得过多的磁耦合被抵消，从而导致抑制频率分裂的程度过强，也会降低此距离变化范围内整体的传输效率。因此，针对指定的谐振频率和距离范围，需要提供一种把线圈和铜环同时考虑的设计方法，实现尺寸和效率的最优。
技术实现思路
[0004]本专利技术在于解决传统混合耦合无线电能传输结构中电耦合和磁耦合存在冗余，由此带来的整体面积过大和效率未达到最优的问题，从而提供一种在指定距离范围和工作频率下实现最高传输效率、尺寸紧凑的混合耦合无线电能传输耦合结构设计方法。
[0005]本专利技术为一种基于电耦合与磁耦合相互抵消特性抑制频率分裂原理的混合耦合无线电能传输耦合结构，包括发射端的发射线圈和发射铜环，接受端的接收线圈和接受铜环。
[0006]本专利技术的发射端与接收端整体结构如图1所示，其中r为线圈内半径，s为线圈每匝之间的距离，w
r
为线圈导线半径，r
out
为铜环内半径，h为同一侧上下铜环之间的距离，w为铜环宽度，发射线圈和接收线圈参数相同，发射铜环和接收铜环参数相同。发射端和接收端排列方式如图2所示，D为发射端与接收端之间的距离。
[0007]本专利技术的接收端和发射端的谐振频率相同，线圈和铜环可以由实际应用场景进行
参数上的调整，如线圈的线径、线距、铜环的厚度。
[0008]由于系统传输效率在临界耦合时达到最大，系统在达到临界耦合时发射端和接收端的距离称为临界耦合距离点，系统间距大于或者小于这个距离点系统传输效率逐渐下降，因此将给定距离范围中间位置设置为系统达到临界耦合的距离点，可以使整个距离范围内获得最高的传输效率。
[0009]本专利技术提供了一种紧凑的混合耦合无线电能传输耦合结构设计方法，避免电耦合和磁耦合的冗余，提高传输效率。通过一种把线圈和铜环同时考虑的设计方法，实现在指定距离范围和工作频率下达到最高传输效率的目标。具体设计步骤如下：
[0010]1.由设计要求得到线圈尺寸。
[0011](1)基于磁耦合无线电能传输效率计算公式|S
21
|2，结合已知的谐振频率、接收端与发射端之间的距离范围、负载电阻和线圈欧姆损耗，使|S
21
|2表达式中未知量只剩线圈电感和互感。线圈的电感和互感在距离、导线半径和线圈每匝之间的距离确定时只与线圈的内半径和匝数有关，由此得到|S
21
|2与线圈内半径和匝数的关系。
[0012](2)提取|S
21
|2最高点对应的线圈匝数和线圈内径，得到几组不同规格的线圈，对于每一个线圈匝数n，|S
21
|2最高点只有一个且有唯一线圈内半径r与之对应。线圈的选择一般是选择匝数多内径小的，这样得到的结构的尺寸是最小的。
[0013]2.由设计要求和线圈参数得到铜环尺寸。
[0014]结合谐振频率与电感电容的公式得到需要的电容值，由拟合公式得到铜环宽度。拟合公式为
[0015]w＝27.02+0.8771C
‑
0.14r
out
[0016]其中w、C和r
out
分别是铜环宽度、所需的电容值和线圈的外径。
[0017]3.仿真验证临界耦合和谐振频率，判断是否满足设计要求。
[0018]铜环与对应线圈按图1组合得到接收端和发射端，接收端与发射端按图2 排列得到完整系统结构。对系统进行仿真，验证在指定距离D处的谐振频率是否是规定谐振频率，同时是否在该距离该频率处于临界耦合状态。如果实际得到的谐振频率与规定的谐振频率的误差在可接受范围内，且系统处于临界耦合状态则设计完成，如果不满足执行步骤4。
[0019]判断临界耦合的方法：通过仿真得到输入阻抗虚部Im(Z(1,1))等于零的频率点，该点即为系统谐振频率点。同时仿真得到系统S
21
和频率关系图，如果S
21
图像在谐振频率点附近略微出现了两个靠得很近的峰，则达到临界耦合。
[0020]4.修正铜环尺寸，使系统满足步骤3中的要求。
[0021]如果得到的参数未满足要求，则修正铜环尺寸。由于铜环的存在使得线圈在铜环上引起涡流，从而降低线圈的自感，使得铜环和线圈结合之后的结构的谐振频率f1高于规定谐振频率值f0。将2f0‑
f1作为新的目标谐振频率，重新执行步骤 1。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0023]本专利技术基于电耦合与磁耦合相互抵消特性抑制频率分裂原理的混合耦合无线电能传输耦合结构，在发射端与接收端的距离较近的一段传输距离范围内可以抑制频率分裂的强度，实现较高的传输效率。
[0024]本专利技术相对于现有的混合耦合无线电能传输结构设计方法，针对确定的谐振频率和接收端与发射端的距离范围要求，利用磁耦合无线电能传输效率表达式、线圈自感互感
表达式以及铜环宽度、铜环内半径与铜环电容的表达式求解线圈和铜环相关参数，避免磁耦合和电耦合的冗余，得到一个在指定谐振频率和距离范围内达到最高传输效率且占用面积最小的结构。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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他的附图。
[00本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种混合电磁耦合无线电能传输耦合结构，其特征在于：包括发射端的发射线圈和发射铜环，接受端的接收线圈和接受铜环；所述发射端与接收端采用相同的线圈参数，互感公式为：互感公式为：a
i
＝r
out
‑
(n
i
‑
1)(w
r
+s)
‑
w
r
/2γ
i
＝2a
i2
/(2a
i2
+D2)r
out
＝r+ns+(n+1)w
r
其中线圈的导线半径w
r
、线圈每匝之间的距离s，发射端与接受端的间距D为已知量，n为匝数，i取值范围1～n，r
out
是线圈的外半径与铜环内半径相同，μ0是真空磁导率，h为同一侧上下铜环之间的距离，w为铜环宽度，发射线圈和接收线圈参数相同，发射铜环和接收铜环参数相同。2.一种基于权利要求1所述的混合电磁耦合无线电能传输耦合结构的优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：由设计要求得到线圈尺寸基于磁耦合无线电能传输效率计算公式|S
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|2，将其作为优化目标之一，磁耦合无线电能传输效率为|S
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|2，|S
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|的表达为：其中ω0为谐振角频率，ω0＝2πf0，R
L
为负载电阻，是已知的参数，R为线圈的欧姆损耗估算为2Ω，M为线圈互感，与传输距离和线圈相关参数有关；得到|S
21
|与线圈匝数n、线圈内半径r的三维关系图，提取|S
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|最高点...
【专利技术属性】
技术研发人员：程瑜华，周金梅，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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