含铁氧体磁芯的磁集成型器件融合建模及一体优化方法技术

本发明专利技术涉及含铁氧体磁芯的磁集成型器件融合建模及一体优化方法，该方法包括以下步骤：构建基于部分元等效电路法的铁氧体磁芯模型；基于退磁系数对铁氧体磁芯模型进行修正；构建考虑线圈与磁芯交叉耦合作用的磁集成器件融合模型；选用线圈平面磁场均匀度为优化目标，线圈的匝间距和磁芯尺寸为优化变量，采用所构建的磁集成器件融合模型与遗传算法对线圈和铁氧体磁芯的结构进行单目标多变量的一体优化

【技术实现步骤摘要】
含铁氧体磁芯的磁集成型器件融合建模及一体优化方法


[0001]本专利技术涉及无线电能传输
，尤其是涉及一种包含线圈与磁芯的磁集成器件的建模及一体优化方法
。

技术介绍

[0002]无线充电技术以无接触火花
、
占地面积小
、
环境适应能力强等优点，在电动汽车
、
航空航天
、
生物医疗等领域具有广泛的应用前景
。
作为无线电能传输系统的核心组成部分，磁耦合机构直接决定系统的传输性能，影响多个系统特性，如输出功率
、
传输效率
、
成本
、
侧移容忍度以及电磁辐射等
。
然而，在长距离传输应用中，漏磁是目前最大的技术问题
。
国内外专家学者为了减小
WPT
漏磁
、
增强耦合做了大量的研究与尝试，除新型线圈结构设计之外，基于变压器原理，常通过加装磁芯来提高耦合机构的耦合性能
。
磁芯的配置，约束了磁路的通道，减小了空气中的漏磁场，从而增强耦合，提高了无线电能传输
(Wireless power transfer,WPT)
系统的传输效率
。
[0003]目前在磁芯建模部分，目前的还是依赖于
Maxwell
的电磁仿真建模，或者采用
2D
建模，将磁路分区计算，等效成电路模型，对磁耦合机构进行描述
。
没有明确的函数关系描述磁芯的结构特征以及材料属性对系统与
WPT
的传输性能参数之间的关系
。
文献“X.Ni,R.Long,L.Zhang,et al.Optimization of magnetic core structure based on DD coils for electric vehicle wireless charging[C]//2020 16th International Conference on Control,Automation,Robotics and Vision(ICARCV),Shenzhen,China,2020.”通过磁路分析和有限元仿真相结合的方法对
DD
线圈的磁芯结构进行优化
。
文献“K.W.Chen,J.Pan,Y.Yang,et al.Optimization of ferrites structure by using a new core
‑
less design algorithm for electric vehicle wireless power transfer[J].Energies,2021,14(9):2590.”中对耦合区域进行划分，建立了圆形线圈
、
方形线圈以及
DD
形线圈磁路模型，从磁芯损耗
、
能量传输效率和磁芯体积三个方面对磁芯结构优化，在降低磁芯损耗的同时，保证了系统耦合系数
。
文献“S.Ludvik,P.Mojca and B.V.Optimization,design,and modeling of ferrite core geometry for inductive wireless power transfer[J].International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics,2015,49(1):145
‑
155.”研究了圆形线圈上方环形布置的
Mn
‑
Zn
铁氧体条的长
、
宽
、
高以及铁氧体条数对耦合系数和磁屏蔽效果的影响
。
除有限元仿真外，文献“钱思尧
.
基于内罚函数法的无线供电系统磁芯布局优化设计
[D].
南京
:
南京邮电大学
,2020.”基于内罚函数法对无线供电线圈的磁芯布局进行优化，研究了磁芯数量
、
尺寸和配置方式对线圈互感的影响
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种磁集成器件的建模及一体优化方法
。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]根据本专利技术的第一方面，提供一种含铁氧体磁芯的磁集成型器件融合建模及一体优化方法，所述磁集成器件由线圈及铁氧体磁芯构成，包括以下步骤：
[0007]步骤1：构建基于部分元等效电路法的铁氧体磁芯模型，并提取磁芯等效参数；
[0008]步骤2：针对磁芯的非闭合磁路引入退磁系数对铁氧体磁芯模型进行修正；
[0009]步骤3：构建考虑线圈与磁芯交叉耦合作用的磁集成器件融合模型；
[0010]步骤4：选用线圈平面磁场均匀度为优化目标，线圈的匝间距和磁芯尺寸为优化变量，基于磁集成器件融合模型和遗传算法对线圈和铁氧体磁芯的结构进行单目标多变量的一体优化
。
[0011]进一步的，基于部分元等效电路法的铁氧体磁芯模型的构建步骤为：
[0012]步骤
1.1
：将板状铁氧体磁芯分割为多个势体积单元，其中，
x、y、z
方向的单元数分别为
N
x
、N
y
、N
z
；假定每个单元中的涡流电流密度和磁化强度恒定不变，涡流的法向分量忽略不计，规定电流单元形成于相邻两个势体积单元的中心点之间，将涡电流正交分解为
X
电流单元和
Y
电流单元；
[0013]根据磁芯板的涡流和磁化现象对磁芯进行等效参数提取；
[0014]步骤
1.2
：计算由磁芯涡电流产生的电感与电阻，其中，由涡电流产生的磁矢量电势表示如下：
[0015][0016]其中，
A
c
(r)
表示由涡电流产生的矢量磁位，
μ0表示相对磁导率，
J
c
(r
′
)
表示磁芯涡流，
v
′
表示矢量磁位所存在的势体积单元，其中，
(x,y,z)
及
(x
′
,y
′
,z
′
)
分别为第
i
个和第
j
个电流单元的坐标；
[0017]基于公式
(1)
可得磁芯板涡流间的耦合作用通过电感系数体现，其
x
方向的第
i
个电流单元与第
j
个电流单元的微电感系数通过聂以曼公式计算，如下：
[0018][0019]其中，
L
x_本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种含铁氧体磁芯的磁集成型器件融合建模及一体优化方法，其特征在于，所述磁集成器件由线圈及铁氧体磁芯构成，包括以下步骤：步骤1：构建基于部分元等效电路法的铁氧体磁芯模型；步骤2：针对磁芯的非闭合磁路引入退磁系数对铁氧体磁芯模型进行修正；步骤3：构建考虑线圈与磁芯交叉耦合作用的磁集成器件融合模型；步骤4：选用线圈平面磁场均匀度为优化目标，线圈的匝间距和磁芯尺寸为优化变量，基于磁集成器件融合模型和遗传算法对线圈和铁氧体磁芯的结构进行单目标多变量的一体优化
。2.
根据权利要求1所述的一种含铁氧体磁芯的磁集成型器件融合建模及一体优化方法，其特征在于，基于部分元等效电路法的铁氧体磁芯模型的构建步骤为：步骤
1.1
：将铁氧体磁芯分割为多个势体积单元，其中，
x、y、z
方向的单元数分别为
N
x
、N
y
、N
z
；假定每个单元中的涡流电流密度和磁化强度恒定不变，涡流的法向分量忽略不计，规定电流单元形成于相邻两个势体积单元的中心点之间，将涡电流正交分解为
X
电流单元和
Y
电流单元；根据磁芯板的涡流和磁化现象对磁芯进行等效参数提取；步骤
1.2
：计算由磁芯涡电流产生的电感与电阻，其中，由涡电流产生的磁矢量电势表示如下：其中，
A
c
(r)
表示由涡电流产生的矢量磁位，
μ0表示相对磁导率，
J
c
(r
′
)
表示磁芯涡流，
v
′
表示矢量磁位所存在的势体积单元，其中，
(x,y,z)
及
(x
′
,y
′
,z
′
)
分别为第
i
个和第
j
个电流单元的坐标；基于公式
(1)
可得磁芯板涡流间的耦合作用通过电感系数体现，其
x
方向的第
i
个电流单元与第
j
个电流单元的微电感系数通过聂以曼公式计算，如下：其中，
L
x_ij
表示第
i
个电流单元与第
j
个电流单元的微电感系数；铁氧体磁芯的电阻计算如下：其中，
R
c
表示铁氧体磁芯的电阻，
ρ
表示电阻率，
l
表示铁氧体涡流单元的长度，
S
表示铁氧体涡流单元的横截面积；步骤
1.3
：计算磁芯磁化强度所产生的矢量磁位
A
m
，提取磁芯磁性电感
L
m
，其中，被磁化的铁氧体磁芯由磁化强度
M
来描述，
M
对周围场源产生的磁场的贡献通过磁矢量势
A
m
来表示，
其中，
A
m
(r)
表示由磁化强度产生的矢量磁位，
(x
a
,y
a
,z
a
)
指的是观测点所在势体积单元的坐标，
(x
a
′
,y
a
′
,z
a
′
)
表示势体积单元的坐标，
Lm
为磁芯磁性电感，即根据
A
m
(r)
所提取出的系数矩阵
。3.
根据权利要求1所述的一种含铁氧体磁芯的磁集成型器件融合建模及一体优化方法，其特征在于，基于退磁系数的铁氧体磁芯模型修正步骤为：退磁场与磁介质的形状和磁化强度有关，当磁化强度给定后，只跟磁介质的形状有关，如下：
H
...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏能弘，许肖颖，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：