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(jì)算方法，然后分析SRSC基于恒定互感的磁耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提出了磁耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性和互感特性。對(duì)理論計(jì)算分析的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，SRSC結(jié)構(gòu)能有效解決無線電能傳輸系統(tǒng)線圈水平偏移的劇烈互感波動(dòng)問題，使系統(tǒng)在發(fā)射線圈外徑50%偏移范圍內(nèi)保持高效運(yùn)行，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

芯片采購網(wǎng)專注于整合國內(nèi)外授權(quán)IC代理商現(xiàn)貨資源，芯片庫存實(shí)時(shí)查詢，行業(yè)價(jià)格合理，采購方便IC芯片，國內(nèi)專業(yè)芯片采購平臺(tái)。

*基金項(xiàng)目：湖南自然科學(xué)省市聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(2019年資助號(hào))JJ60055）

磁耦合諧振無線電能傳輸（magnetically coupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT） 該技術(shù)因其在電磁場(chǎng)近場(chǎng)傳輸效率高、傳輸功率大而受到廣泛關(guān)注，未來在運(yùn)輸、工業(yè)機(jī)器人、消費(fèi)電子、植入式醫(yī)療設(shè)備、水下探測(cè)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)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(jīng)濟(jì)體制定了脫碳目標(biāo)，發(fā)展電動(dòng)汽車已成為汽車和交通產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)戰(zhàn)略措施的核心。MCR-WPT 隨著技術(shù)的成熟，電動(dòng)汽車可能成為無線充電設(shè)備最具潛力的市場(chǎng)[2]。線圈之間的水平偏移被定義為與發(fā)射線圈和接收線圈平行平面的偏移。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射線圈與接收線圈之間不可避免地會(huì)發(fā)生水平偏移，導(dǎo)致線圈之間的強(qiáng)波動(dòng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。線圈之間的水平偏移被定義為與發(fā)射線圈和接收線圈平行平面的偏移。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射線圈與接收線圈之間不可避免地會(huì)發(fā)生水平偏移，導(dǎo)致線圈之間的強(qiáng)波動(dòng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，提高線圈在水平方向上的偏移容忍度來促進(jìn)MCR-WPT 技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。

目前，為了減少線圈間互感的波動(dòng)，保證MCRWPT國內(nèi)外學(xué)者主要從三個(gè)方面進(jìn)行研究：(1) 線圈本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(2) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)線圈補(bǔ)償；(3) 系統(tǒng)控制策略。在線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，新西蘭奧克蘭大學(xué)學(xué)者首次提出了雙極矩形平面線圈（DD [3]，DD線圈在水平y(tǒng) 軸方向偏移容忍度高，軸方向偏移容忍度高x 當(dāng)軸向向上偏移時(shí)，變化很大。在此基礎(chǔ)上，奧克蘭大學(xué)學(xué)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(jìn)DD 線圈在水平x 軸向偏移容量。西南交通大學(xué)學(xué)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(jī)構(gòu)[5]進(jìn)一步改善線圈間沿x 軸向運(yùn)動(dòng)的偏移容量為0.02 但不考慮邊緣部分對(duì)互感的影響。湖南理工大學(xué)學(xué)者提出了一種適用于無線充電系統(tǒng)的單發(fā)射線圈和四級(jí)聯(lián)接收線圈的結(jié)構(gòu)[6]，該結(jié)構(gòu)在發(fā)射線圈半徑內(nèi)沿水平x 軸或y 當(dāng)軸向偏移時(shí)，其互感幾乎保持在10 μH 不變，互感波動(dòng)率為0.084。河北工業(yè)大學(xué)學(xué)者提出了一種磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[7]，補(bǔ)償線圈與發(fā)射線圈重疊，優(yōu)化結(jié)構(gòu)x 軸、y 軸和xy（45 度對(duì)角線)方向偏移容忍度高。在線圈補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)SPS(對(duì)稱并聯(lián))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(wǎng)絡(luò)和DC-DC（直流- 直流)型有源阻抗網(wǎng)絡(luò)等。通常用于系統(tǒng)控制策略PWM 控制模式和移相控制模式。然而，通過線圈補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制策略來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，容易受到調(diào)整范圍的限制，不適用于交感波動(dòng)較大的系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的控制難度和復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。}

綜上所述，線圈在任何級(jí)別(包括x 軸方向和y 軸向)偏移時(shí)的互感波動(dòng)問題尚未解決。本文旨在改進(jìn)磁耦合機(jī)構(gòu)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)MCRWPT本文提出了系統(tǒng)在任何水平方向上的偏移容量SRSC 結(jié)構(gòu)可以改善，沒有額外的諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和控制電路MCR-WPT 系統(tǒng)在發(fā)射線圈半徑范圍內(nèi)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(shí)提出一種互感計(jì)算方法SRSC 分析結(jié)構(gòu)組成原理和互感特性，提出基于恒定互感的磁耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法SRQualcomm代理SC 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得各線圈的最佳參數(shù)，最終通過模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)算分析的正確性。

1 空氣中圓形線圈的互感計(jì)算

本節(jié)提出了一種計(jì)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(dǎo)出區(qū)域1中發(fā)射線圈電流產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式，然后結(jié)合參數(shù)矢量法得到接收線圈的感應(yīng)電壓計(jì)算公式，最后得到線圈之間的互感計(jì)算公式。

1.1 計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度

坐標(biāo)原點(diǎn)O 發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電流的圓柱坐標(biāo)系，對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)，在線性、均勻、各向同性介質(zhì)中建立以下麥克斯韋方程[8]：

因?yàn)樵谶@種環(huán)境下，電磁場(chǎng)只存在于圓形平面線圈中，而磁場(chǎng)垂直于電場(chǎng)。所以在圖1中 以下電場(chǎng)強(qiáng)度可在所示柱坐標(biāo)系中獲得E 磁場(chǎng)強(qiáng)度H的初始條件[9]：

電磁場(chǎng)的邊界條件如下，其中( i =1 ，2) 與圖1 區(qū)域相關(guān)：

結(jié)合傅里葉- 貝塞爾的積分變換和逆變^[10]：

得到區(qū)域1 電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式為：

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

1.2 感應(yīng)電壓計(jì)算

接收線圈中感應(yīng)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?yàn)殡妶?chǎng)E 的方向，即C1 中P 的tan 方向就是dl 的方向。

本節(jié)提出了計(jì)算參數(shù)向量法C1 上任意點(diǎn)的cosγ。首先，圖2 描述了坐標(biāo)原點(diǎn)O 直角坐標(biāo)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(jì)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(diǎn)O1為C1的已知條件，C參數(shù)方程如下：

且C_{參數(shù)方程如下：}

其中

第二，可以得到C1和C2在P 點(diǎn)的切線向量為：

由此可得cosγ一般表達(dá)式為：

在圖2 表示沿δ 軸水平偏移的接收線圈和1區(qū)δ 軸周圍的δ 角偏轉(zhuǎn)（ 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(jiǎn)化方程可以通過(13)獲得:

1.3 線圈之間的互感計(jì)算

互阻定義為感應(yīng)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(dá)式:

對(duì)于平面螺旋線圈，線圈的每一個(gè)匝幾乎都可以看作是一個(gè)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(jì)算：

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

2 SRSC分析結(jié)構(gòu)組成原理和互感特性

本節(jié)提出了一個(gè)SRSC 在水平方向偏移條件下，結(jié)構(gòu)可以保持恒定的互感，首先介紹SRSC 然后進(jìn)一步解釋結(jié)構(gòu)的組成和特征SRSC 結(jié)構(gòu)的互感變化規(guī)律和恒定互感特征。

2.1 SRSC結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的等效電路與傳統(tǒng)的兩線圈互感模型一致，因此當(dāng)傳統(tǒng)的兩線圈結(jié)構(gòu)被采用時(shí)SRSC 更換結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原始輸出特性不會(huì)改變。

=20 μH，互感波動(dòng)限值設(shè)定為0.05。發(fā)射線圈LP內(nèi)徑初始值和上限值分別設(shè)定為160 mm 和220 mm，發(fā)射線圈LP匝數(shù)的初始值和上限值分別設(shè)定為16 匝和22 匝。接收線圈LS1內(nèi)徑的初始值和上限值分別設(shè)定為240mm和280mm，接收線圈LS1匝數(shù)的初始值和上限值分別設(shè)定為13 匝和20 匝。接收線圈LS內(nèi)徑初始值和上限值分別設(shè)定為60 mm 和140 mm，接收線圈LS2匝數(shù)的初始值和上限值分別設(shè)定為25 匝和34 匝。發(fā)射線圈和接收線圈內(nèi)徑變化的步長為20 mm，匝數(shù)變化的步長為1 匝。

(3)互感計(jì)算:通過(17)和(18)Matlab計(jì)算線圈間不同水平方向偏移距離下的互感值，同時(shí)滿足互感值約束條件互感波動(dòng)率約束條件保存線圈參數(shù)，然后繼續(xù)優(yōu)化計(jì)算，直到線圈參數(shù)達(dá)到上限。

（4）輸出最佳線圈參數(shù)：最后，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，選擇相應(yīng)的線圈參數(shù)，并輸出保存的線圈參數(shù)中最大的相互波動(dòng)率。

優(yōu)化設(shè)計(jì)SRSC 結(jié)構(gòu)線圈尺寸參數(shù)表1 所示。

表1 線圈尺寸參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本文提出的驗(yàn)證SRSC 根據(jù)圖5，磁耦合機(jī)構(gòu)的抗偏移性能(a) 所示的SRSC 結(jié)構(gòu)電路模型圖及圖7 所示的SRSC 結(jié)構(gòu)有限元仿真模型圖，構(gòu)建MCRWPT系統(tǒng)樣機(jī)。發(fā)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(jì)算與Ansys Maxwell 模擬尺寸繞成空心線圈，分別發(fā)射線圈和接收線圈，MCR-WPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如表2 所示。

表4 y軸向偏移的互感計(jì)算、模擬和測(cè)量值

圖10 中對(duì)比運(yùn)用Matlab 理論計(jì)算、Ansys Maxwell從圖中可以看出，隨偏移距離變化的互感實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本相同，互感計(jì)算式(17)和(18)的正確性通過模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證SRSC 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性。線圈正對(duì)時(shí)的互感值為23.72 μH，沿y 軸 前180 mm互感的變化相對(duì)平緩，在150mm 最大值24.37 μH，變化明顯加快，偏移距離達(dá)到270 mm互感降到20.86 μH。沿y 軸- 當(dāng)方向偏移時(shí)，距離超過180 mm 當(dāng)互感變化加快時(shí)，距離150 mm 距離270 mm 互感降到20.74 μH，這也說明了SRSC 結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱性。在分別向y 軸 和y 軸- 當(dāng)方向偏移到相同的距離時(shí)，兩個(gè)對(duì)稱位置之間會(huì)有一點(diǎn)差異，因?yàn)槠矫鎴A形螺旋線圈的結(jié)構(gòu)只能接近圓形，不能完全等同于圓形結(jié)構(gòu)。在分別向y 軸 和y 軸- 當(dāng)方向偏移到相同的距離時(shí)，兩個(gè)對(duì)稱位置之間會(huì)有一點(diǎn)差異，因?yàn)槠矫鎴A形螺旋線圈的結(jié)構(gòu)只能接近圓形，而不能完全等同于圓形結(jié)構(gòu)。但總的來說，沿線y 軸向偏移距離240 mm 范圍內(nèi)的互感基本恒定。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種在任何水平方向高偏移容忍度SRSC 磁耦合機(jī)構(gòu)提出了空心圓線圈在互感的磁耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文提出的SRSC 優(yōu)化設(shè)計(jì)后，結(jié)構(gòu)不需要增加額外的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和輔助控制裝置，可以使MCR-WPT 240 mm 穩(wěn)定高效地運(yùn)行范圍內(nèi)(相當(dāng)于發(fā)射線圈外徑的51.6%)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制難度。該結(jié)構(gòu)不僅適用于移動(dòng)電子產(chǎn)品和智能家居的靜態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)，也適用于電動(dòng)汽車和工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)。本文僅研究了水平方向偏移對(duì)線圈間互感的影響。基于提出的互感計(jì)算方法和磁耦合機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將在未來展開MCR-WPT 系統(tǒng)研究改進(jìn)了全方向偏移容量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛明、楊慶新、章鵬程等.無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題[J].2021年36(08)電工技術(shù)學(xué)報(bào):1547-1568.

[2] 吳理豪，張波.電動(dòng)汽車靜態(tài)無線充電技術(shù)研究總結(jié)(上)[J].2020年35(06)電工技術(shù)學(xué)報(bào):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(xué)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