国产精品久久精品牛牛影视-国产精品久久精品视-国产精品久久九九-国产精品久久久-国产精品久久久99

摘要：本文首先提出了偏移條件下空心圓形線圈的互感計算方法，然后分析SRSC基于恒定互感的磁耦合機構優化設計方法，提出了磁耦合機構的結構特性和互感特性。對理論計算分析的正確性進行了驗證，SRSC結構能有效解決無線電能傳輸系統線圈水平偏移的劇烈互感波動問題，使系統在發射線圈外徑50%偏移范圍內保持高效運行，提高系統穩定性。

芯片采購網專注于整合國內外授權IC代理商現貨資源，芯片庫存實時查詢，行業價格合理，采購方便IC芯片，國內專業芯片采購平臺。

*基金項目：湖南自然科學省市聯合基金資助項目(2019年資助號)JJ60055）

磁耦合諧振無線電能傳輸（magnetically coupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT） 該技術因其在電磁場近場傳輸效率高、傳輸功率大而受到廣泛關注，未來在運輸、工業機器人、消費電子、植入式醫療設備、水下探測設備、物聯網等領域有著廣闊的應用前景。近年來，在全球氣候問題和能源安全問題的雙重壓力下，世界主要經濟體制定了脫碳目標，發展電動汽車已成為汽車和交通產業轉型升級戰略措施的核心。MCR-WPT 隨著技術的成熟，電動汽車可能成為無線充電設備最具潛力的市場[2]。線圈之間的水平偏移被定義為與發射線圈和接收線圈平行平面的偏移。在實際應用中，發射線圈與接收線圈之間不可避免地會發生水平偏移，導致線圈之間的強波動，嚴重影響系統的運行穩定性。線圈之間的水平偏移被定義為與發射線圈和接收線圈平行平面的偏移。在實際應用中，發射線圈與接收線圈之間不可避免地會發生水平偏移，導致線圈之間的強波動，嚴重影響系統的運行穩定性。因此，提高線圈在水平方向上的偏移容忍度來促進MCR-WPT 技術的應用和發展具有重要意義。

目前，為了減少線圈間互感的波動，保證MCRWPT國內外學者主要從三個方面進行研究：(1) 線圈本體結構優化設計(2) 網絡結構設計線圈補償；(3) 系統控制策略。在線圈結構優化設計方面，新西蘭奧克蘭大學學者首次提出了雙極矩形平面線圈（DD [3]，DD線圈在水平y 軸方向偏移容忍度高，軸方向偏移容忍度高x 當軸向向上偏移時，變化很大。在此基礎上，奧克蘭大學學者提出了另一種單極(Q) 線圈和雙極(DD) 線圈重疊形成DDQ 線圈^{[4]其有效改進DD 線圈在水平x 軸向偏移容量。西南交通大學學者提出了一種交替放置單極線圈和雙極線圈的新型磁耦合機構[5]進一步改善線圈間沿x 軸向運動的偏移容量為0.02 但不考慮邊緣部分對互感的影響。湖南理工大學學者提出了一種適用于無線充電系統的單發射線圈和四級聯接收線圈的結構[6]，該結構在發射線圈半徑內沿水平x 軸或y 當軸向偏移時，其互感幾乎保持在10 μH 不變，互感波動率為0.084。河北工業大學學者提出了一種磁耦合機構設計[7]，補償線圈與發射線圈重疊，優化結構x 軸、y 軸和xy（45 度對角線)方向偏移容忍度高。在線圈補償網絡結構設計中，使用補償網絡SPS(對稱并聯)型，LCL(電感電容電感)型，LCC(電感電容)型，T 型、LC(電感電容)型，π 型無源阻抗網絡和DC-DC（直流- 直流)型有源阻抗網絡等。通常用于系統控制策略PWM 控制模式和移相控制模式。然而，通過線圈補償網絡結構設計和系統控制策略來提高系統的穩定性，容易受到調整范圍的限制，不適用于交感波動較大的系統，增加了系統的控制難度和復雜性，降低了系統的可靠性和穩定性。}

綜上所述，線圈在任何級別(包括x 軸方向和y 軸向)偏移時的互感波動問題尚未解決。本文旨在改進磁耦合機構本體的優化設計MCRWPT本文提出了系統在任何水平方向上的偏移容量SRSC 結構可以改善，沒有額外的諧振補償網絡和控制電路MCR-WPT 系統在發射線圈半徑范圍內任意水平方向的偏移容忍度。首先，在空間任意位置偏移空心圓形線圈時提出一種互感計算方法SRSC 分析結構組成原理和互感特性，提出基于恒定互感的磁耦合機構優化設計方法SRQualcomm代理SC 優化結構設計獲得各線圈的最佳參數，最終通過模擬和實驗驗證了理論計算分析的正確性。

1 空氣中圓形線圈的互感計算

本節提出了一種計算空氣中圓線圈之間互感的新方法。首先，從麥克斯韋方程和邊界條件導出區域1中發射線圈電流產生的電場強度計算公式，然后結合參數矢量法得到接收線圈的感應電壓計算公式，最后得到線圈之間的互感計算公式。

1.1 計算電場強度

坐標原點O 發射線圈驅動電流的圓柱坐標系，對于準靜態電磁場，在線性、均勻、各向同性介質中建立以下麥克斯韋方程[8]：

因為在這種環境下，電磁場只存在于圓形平面線圈中，而磁場垂直于電場。所以在圖1中 以下電場強度可在所示柱坐標系中獲得E 磁場強度H的初始條件[9]：

電磁場的邊界條件如下，其中( i =1 ，2) 與圖1 區域相關：

結合傅里葉- 貝塞爾的積分變換和逆變^[10]：

得到區域1 電場強度表達式為：

其中ω 是電流的角頻率，μ0 是自由空間的磁導率，J1 貝塞爾函數是第一類，RP 是圖1 中細絲半徑，z兩圓平面細絲之間的距離。

1.2 感應電壓計算

接收線圈中感應電壓的分析如下：

其中γ 是C1 的E 和線元素dl 之間的角度，θ 是x軸和O1P 之間的角度C2 中P 切向為電場E 的方向，即C1 中P 的tan 方向就是dl 的方向。

本節提出了計算參數向量法C1 上任意點的cosγ。首先，圖2 描述了坐標原點O 直角坐標系。接收線圈的位置一旦確定，就可以找到C1 的法向量n：

可通過(7)計算n 的正交向量u 垂直于u和n 的向量v：

考慮到C1的中心點O1為C1的已知條件，C參數方程如下：

且C_{參數方程如下：}

其中

第二，可以得到C1和C2在P 點的切線向量為：

由此可得cosγ一般表達式為：

在圖2 表示沿δ 軸水平偏移的接收線圈和1區δ 軸周圍的δ 角偏轉（ 0° ≤ δ ≤ 180° ）一般情況下可以找到常見情況C1的法向量n：

一般情況下，簡化方程可以通過(13)獲得:

1.3 線圈之間的互感計算

互阻定義為感應電壓V 與電流Iφ (6)和(15)可以獲得比值:

將(5)代入(16)，獲得兩匝互感的最終表達式:

對于平面螺旋線圈，線圈的每一個匝幾乎都可以看作是一個圓形線圈，因此線圈之間的互感可以通過匝間的互感之和來計算：

其中N1 和N2 分別是發射線圈和接收線圈的匝數，從而計算出接收線圈和發射線圈之間的互感。

2 SRSC分析結構組成原理和互感特性

本節提出了一個SRSC 在水平方向偏移條件下，結構可以保持恒定的互感，首先介紹SRSC 然后進一步解釋結構的組成和特征SRSC 結構的互感變化規律和恒定互感特征。

2.1 SRSC結構組成原理分析

將（LS1 LS2-2MS1S2）和（MPS1-MPS2）分別用LS 和MPS 替代，可以得到：

SRSC 結構的等效電路與傳統的兩線圈互感模型一致，因此當傳統的兩線圈結構被采用時SRSC 更換結構時，系統補償網絡結構的原始輸出特性不會改變。

=20 μH，互感波動限值設定為0.05。發射線圈LP內徑初始值和上限值分別設定為160 mm 和220 mm，發射線圈LP匝數的初始值和上限值分別設定為16 匝和22 匝。接收線圈LS1內徑的初始值和上限值分別設定為240mm和280mm，接收線圈LS1匝數的初始值和上限值分別設定為13 匝和20 匝。接收線圈LS內徑初始值和上限值分別設定為60 mm 和140 mm，接收線圈LS2匝數的初始值和上限值分別設定為25 匝和34 匝。發射線圈和接收線圈內徑變化的步長為20 mm，匝數變化的步長為1 匝。

(3)互感計算:通過(17)和(18)Matlab計算線圈間不同水平方向偏移距離下的互感值，同時滿足互感值約束條件互感波動率約束條件保存線圈參數，然后繼續優化計算，直到線圈參數達到上限。

（4）輸出最佳線圈參數：最后，根據優化設計的結果，選擇相應的線圈參數，并輸出保存的線圈參數中最大的相互波動率。

優化設計SRSC 結構線圈尺寸參數表1 所示。

表1 線圈尺寸參數

4 實驗驗證與分析

本文提出的驗證SRSC 根據圖5，磁耦合機構的抗偏移性能(a) 所示的SRSC 結構電路模型圖及圖7 所示的SRSC 結構有限元仿真模型圖，構建MCRWPT系統樣機。發射線圈LP、接收線圈LS1和接收線圈LS2 直徑約2.5 mm 按照利茲線Matlab 理論計算與Ansys Maxwell 模擬尺寸繞成空心線圈，分別發射線圈和接收線圈，MCR-WPT系統實驗電路參數如表2 所示。

表4 y軸向偏移的互感計算、模擬和測量值

圖10 中對比運用Matlab 理論計算、Ansys Maxwell從圖中可以看出，隨偏移距離變化的互感實驗測量結果與模擬結果和理論計算結果基本相同，互感計算式(17)和(18)的正確性通過模擬和實驗驗證SRSC 結構優化設計方法的可行性。線圈正對時的互感值為23.72 μH，沿y 軸 前180 mm互感的變化相對平緩，在150mm 最大值24.37 μH，變化明顯加快，偏移距離達到270 mm互感降到20.86 μH。沿y 軸- 當方向偏移時，距離超過180 mm 當互感變化加快時，距離150 mm 距離270 mm 互感降到20.74 μH，這也說明了SRSC 結構的高度對稱性。在分別向y 軸 和y 軸- 當方向偏移到相同的距離時，兩個對稱位置之間會有一點差異，因為平面圓形螺旋線圈的結構只能接近圓形，不能完全等同于圓形結構。在分別向y 軸 和y 軸- 當方向偏移到相同的距離時，兩個對稱位置之間會有一點差異，因為平面圓形螺旋線圈的結構只能接近圓形，而不能完全等同于圓形結構。但總的來說，沿線y 軸向偏移距離240 mm 范圍內的互感基本恒定。

5 結論

本文設計了一種在任何水平方向高偏移容忍度SRSC 磁耦合機構提出了空心圓線圈在互感的磁耦合機構優化設計方法。本文提出的SRSC 優化設計后，結構不需要增加額外的補償網絡和輔助控制裝置，可以使MCR-WPT 240 mm 穩定高效地運行范圍內(相當于發射線圈外徑的51.6%)，降低了系統的復雜性和控制難度。該結構不僅適用于移動電子產品和智能家居的靜態無線電能傳輸系統，也適用于電動汽車和工業機器人的動態無線電能傳輸系統。本文僅研究了水平方向偏移對線圈間互感的影響。基于提出的互感計算方法和磁耦合機構的優化設計方法，將在未來展開MCR-WPT 系統研究改進了全方向偏移容量。

參考文獻：

[1] 薛明、楊慶新、章鵬程等.無線電能傳輸技術應用研究現狀及關鍵問題[J].2021年36(08)電工技術學報:1547-1568.

[2] 吳理豪，張波.電動汽車靜態無線充電技術研究總結(上)[J].2020年35(06)電工技術學報:1153-1165.

[3] Covic G A, Boys J T.Modern Trends in Inductive Power Transfer for Transportation Applications[J]. IEEE

Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2013,1(1): 28-41.

[4] Budhia M, Boys J T, Covic G A, et al.Development of a Single-Sided Flux Magnetic Coupler for Electric Vehicle IPT Charging Systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(1): 318-328.

[5] Li Y, Hu J, Lin T, et al.A New Coil Structure and Its Optimization Design With Constant Output Voltage and Constant Output Current for Electric Vehicle Dynamic Wireless Charging[J].IEEE Transactions on Industrial Infor matics,2019,15(9):5244-5256.

[6] Li Z, Yi J.Modeling and Design of a Transmission Coil and Four Cascaded Receiving Coils Wireless Charging Structure With Lateral Misalignments[J].IEEE Access,2020,8:75976-75985.

[7] Zhang P, Saeedifard M, Onar O C, et al.A Field Enhancement Integration Design Featuring Misalignment T o l e r a n c e f o r Wi r e l e s s E V C h a r g i n g U s i n g L C L Topology[J].IEEE Transactions on Power Electroni cs,2021,36(4):3852-3867.

[8] 麥克斯韋.電磁通論[M].2010:518-532北京大學出版社.

[9] Hurley W G, Duffy M C.Calculation of Self- and Mutual Impedances in Planar Sandwich Inductors[J].IEEE Transactions on Magnetics,1997,33(3):2282-2290.

[10] Kushwaha B K, Rituraj G, Kumar P.3-D Analytical Model for Computation of Mutual Inductance for Different Misalignments With Shielding in Wireless Power Transfer System[J].IEEE Transactions on Transportation Electrificati on,2017,3(2):332-342.

[11] SAE.SAE Wireless Power Transfer for Light- Duty Plug-In and Electric Vehicles and Alignment Methodology[S].SAE Standard J2954,May,2016.

(本文來源《IC2022年4月，代理雜志