【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线电能传输，具体涉及一种提升不对称磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法。
技术介绍
1、相较于传统的有线传输方式，无线电能传输技术具有安全便捷、无机械磨损、应用灵活等优势。无线电能传输技术分为三种：感应式耦合、辐射式和磁耦合谐振式。相较于其他两种技术，磁耦合谐振式具有工作频率较低、传输功率较大、效率高、传输距离适中等优点。
2、传统无线电能传输系统的基本传输结构主要为双线圈、四线圈，其不足是传输距离较短和远距离传输效率低，磁耦合谐振式一般传输距离为cm-m级，远距离传输效率一般为30-40％。为了克服这一问题，有学者提出利用中继线圈。如图1所示，在相同的参数下，含中继线圈系统的磁场强度大于双线圈系统。根据磁能表达式得到磁能云图2，含中继线圈系统磁能大于双线圈系统，则接收线圈所接收到的能量更大，随之提高了系统的能量传输效率。
3、目前，提高无线电能传输系统效率最常见的办法有：1.追踪系统最大效率通过改变系统等效负载阻抗；2.提高系统效率通过追踪系统最佳工作频率；3.通过改变线圈或者线圈排布等方式提高系统效率。
4、随着磁耦合谐振式无线输电技术的广泛运用，为了保证较高的传输效率，实验使用的发射线圈和接收线圈结构通常是相同的，但在实际应用中，由于空间限制因素，如煤矿井下，很难实现完全对称的线圈结构。因此有必要对不对称情况下的系统性能进行优化。
5、采用不对称的线圈结构是一种属于“改变线圈或者线圈排布”方面的方法。国内外学者针对传统无线电能传输系统主要从线圈参数、线圈位置
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术中由发射-接收线圈组成的两线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统存在传输距离短、远距离传输效率低的不足，本专利技术的目的是提供一种提升不对称磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，在此基础上加入中继线圈以提高系统传输距离和传输效率，为了提高实际场所利用率，本专利技术将结合不对称结构、中继线圈这两个特征，目的是提出一种不对称磁耦合谐振式无线电能传输系统设计方法以提升系统效率。
2、为了实现上述目的，本专利技术的具体步骤如下:
3、一种提升不对称磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，包括以下步骤：
4、步骤1：由发射-接收线圈组成的两线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统，根据线圈不同结构，得到大发射端对小接收端的不对称线圈结构，基于电路理论，根据含中继线圈的无线电能传输系统等效电路图，得到线圈之间的反射系数及反射阻抗：
5、
6、式中，τ1、τ2及ztm、zmr分别为中继线圈至发射线圈、接收线圈至中继线圈的反射系数及反射阻抗，τ3为接收线圈至发射线圈的反射系数，rt，rm，rr分别为发射线圈、中继线圈、接收线圈的寄生电阻；mtm为发射线圈和中继线圈之间的互感、mmr为中继线圈和接收线圈之间的互感、mtr为发射线圈和接收线圈之间的互感；r为实际负载电阻；
7、步骤2：确立含中继线圈的无线电能传输系统kvl表达式：
8、
9、式中：
10、
11、步骤3：确立电流表达式：
12、
13、式中，s的表达式如下：
14、
15、步骤4：确立含中继线圈的无线电能传输系统效率表达式：
16、
17、步骤5：将各项代入到系统效率表达式中，得到含反射系数的效率表达式:
18、式中
19、步骤6：利用有限元仿真软件建立不对称含中继线圈的磁耦合无线电能传输系统仿真模型；
20、步骤7：基于3d仿真模型，采用传统的圆形平面螺旋型线圈，确立系统的不对称规格；
21、步骤8；确立中继线圈外径，利用仿真软件参数化扫描线圈内径，进行线圈之间的耦合系数仿真，根据内半径变化线圈耦合系数仿真结果来确定线圈中继线圈内径；
22、步骤9：根据步骤8确定中继线圈内径，利用软件参数化扫描线圈外径，进行线圈之间的耦合系数仿真，根据外半径变化线圈耦合系数仿真结果来确定线圈中继线圈外径；
23、步骤10：根据步骤8、9确定线圈大小，利用软件参数化扫描线圈匝数和传输距离与系统性能的关系，确定中继线圈与发射线圈的传输距离和中继线圈匝数；
24、步骤11：由步骤8、9、10得到系统线圈有关参数。上述仿真步骤所用模型为平面螺旋型圆形线圈，而平面螺旋型线圈常见的有方形平面螺旋线圈和圆形平面螺旋线圈；提出一种矩形平面线圈，即每一圈的大致形状是矩形，而每一匝线圈拐角度相同；
25、步骤12：针对线圈周围磁场暴露问题，对接收线圈和发射线圈进行改进，分别在其上或下部位添加铁氧体；加入铁氧体后，线圈周围磁场向上及向中间靠拢，磁场强度增强；而随着铁氧体大小、铁氧体与线圈之间距离的变化，线圈的参数也会发生变化；
26、步骤13：参数化扫描铁氧体与线圈之间的距离，根据铁氧体距线圈的距离与互感的关系，来确定铁氧体与线圈之间的距离；
27、步骤14：参数化扫描铁氧体半径，根据铁氧体半径与互感的关系，来确定铁氧体半径；
28、步骤15：一般铁氧体厚度不应太厚，会增大了系统的体积和重量。
29、所述的线圈结构为漏斗状，发射线圈的尺寸比为中继线圈、接收线圈的0.5-2倍。
30、所述的线圈结构为矩形线圈，每一圈的形状是矩形，每一匝线圈拐角度相同，拐角范围可在5-40mm，并且矩形线圈结合了圆形线圈磁场云图分布均匀、正方形线圈磁场较高的特点。
31、本专利技术的有益效果为：
32、本专利技术主要从线圈规格、线圈的内外半径、传输距离、线圈匝数、铁氧体等方面提升系统效率，为无线电能传输系统线圈初始设计和优化提供了一种有效的方法。
33、对具有不对称结构含中继线圈的磁耦合谐振式无线电能传输系统而言。得出：(1)不对称规格线圈的效率在30-65khz的频率范围内比对称规格高；(2)线圈内外半径的增大，会使线圈相互间的耦合系数增大；(3)当线圈尺寸增大时，发射线圈与接收线圈以及中继线圈相互间的耦合系数会增大，但系统的传输效率主要由发射线圈与中继线圈相互间的耦合系数决定线圈；(4)添加铁氧体，会要进一步提升系统效率。
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1.一种提升不对称磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种提升不对称磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，其特征在于，所述的线圈结构为漏斗状，发射线圈的尺寸比为中继线圈、接收线圈的0.5-2倍。
3.根据权利要求1所述的一种提升不对称磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，其特征在于，所述的线圈结构为矩形线圈，每一圈的形状是矩形，每一匝线圈拐角度相同，拐角范围可在5-40mm，并且矩形线圈结合了圆形线圈磁场云图分布均匀、正方形线圈磁场较高的特点。
【技术特征摘要】
1.一种提升不对称磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种提升不对称磁耦合谐振式无线电能传输系统效率的方法，其特征在于，所述的线圈结构为漏斗状，发射线圈的尺寸比为中继线圈、接收线圈的0.5-2倍。<...
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