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          EEPW首頁(yè) > 業(yè)界動(dòng)態(tài) > 基于恒定互感的MCR-WPT系統(tǒng)高偏移容忍度磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化*

          基于恒定互感的MCR-WPT系統(tǒng)高偏移容忍度磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化*

          作者:李上游,易吉良,趙家琪(湖南工業(yè)大學(xué)軌道交通學(xué)院,湖南株洲412007) 時(shí)間:2022-04-14 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:在磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中,針對(duì)線圈間水平方向偏移時(shí)互感驟降而導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種具有高偏移容忍度的對(duì)稱(chēng)反向串聯(lián)線圈(symmetrical reverse series coil,SRSC)磁耦合機(jī)構(gòu)。SRSC結(jié)構(gòu)的接收線圈采用兩個(gè)同心圓形線圈反向串聯(lián)連接,在沒(méi)有額外增加任何諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和輔助控制裝置的情況下,能夠大幅度提高系統(tǒng)在任意水平方向上的偏移容忍度。

          摘要:本文首先提出一種空心圓形線圈在偏移工況下的方法,然后分析SRSC的結(jié)構(gòu)特性和互感特性,并提出一種基于優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論計(jì)算分析的正確性,SRSC結(jié)構(gòu)能夠有效解決無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)線圈的互感劇烈波動(dòng)問(wèn)題,使系統(tǒng)在發(fā)射線圈外徑50%偏移范圍內(nèi)仍能保持高效運(yùn)行,提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202204/433054.htm

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

          (magnetically coupled resonant wireless power transfer,MCR-WPT) 技術(shù)因?yàn)槠湓陔姶艌?chǎng)近場(chǎng)區(qū)具有較高傳輸效率和較大傳輸功率的特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注,未來(lái)在交通運(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)備和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。近年來(lái),在全球氣候問(wèn)題和能源安全問(wèn)題的雙重壓力下,全球主要經(jīng)濟(jì)體紛紛制定了脫碳目標(biāo),發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)成為碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)下汽車(chē)與交通產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)戰(zhàn)略舉措的核心,隨著MCR-WPT 技術(shù)的成熟,電動(dòng)汽車(chē)或?qū)⒊蔀闊o(wú)線充電設(shè)備最具潛力的市場(chǎng)[2]。線圈間定義為與發(fā)射線圈和接收線圈平行平面方向的偏移,在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中發(fā)射線圈與接收線圈之間不可避免地會(huì)發(fā)生,導(dǎo)致線圈間互感產(chǎn)生強(qiáng)烈波動(dòng),嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。因此,提高線圈在水平方向的偏移容忍度對(duì)推動(dòng)MCR-WPT 技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義。

          目前,為了減小線圈間互感的波動(dòng),保證MCRWPT系統(tǒng)能在水平方向偏移工況下穩(wěn)定、高效運(yùn)行,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從三個(gè)方面開(kāi)展研究:(1) 線圈本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);(2) 線圈補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);(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)者首次提出了雙極性矩形平面線圈(DD 線圈)[3],DD線圈在水平y(tǒng) 軸方向上具有較高的偏移容忍度,在x 軸方向上偏移時(shí)互感變化較大。在此基礎(chǔ)上奧克蘭大學(xué)學(xué)者又提出了一種由單極(Q) 線圈和雙極(DD) 線圈重疊形成的DDQ 線圈[4],其有效地提升了DD 線圈在水平x 軸方向的偏移容限。西南交通大學(xué)學(xué)者提出了一種單極線圈和雙極線圈交替放置的新型[5],以進(jìn)一步改善線圈間沿x 軸方向運(yùn)動(dòng)的偏移容限,其中間段互感波動(dòng)率在0.02 范圍以?xún)?nèi),但沒(méi)有考慮邊緣部分對(duì)互感的影響。為了同時(shí)保持中間段和邊緣段的互感恒定,湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)者提出了一種適用于無(wú)線充電系統(tǒng)的單發(fā)射線圈和四個(gè)級(jí)聯(lián)接收線圈的結(jié)構(gòu)[6],該結(jié)構(gòu)在發(fā)射線圈半徑范圍內(nèi)沿水平x 軸或y 軸方向偏移時(shí),其互感幾乎保持10 μH 不變,互感波動(dòng)率為0.084。河北工業(yè)大學(xué)學(xué)者提出一種補(bǔ)償線圈與發(fā)射線圈相互重疊的磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[7],優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在x 軸、y 軸和xy(45 度對(duì)角線)方向都具有較高的偏移容忍度。在線圈補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,使用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有SPS(對(duì)稱(chēng)并聯(lián))型、LCL(電感電容電感)型、LCC(電感電容電容)型、T 型、LC(電感電容)型、π 型無(wú)源阻抗網(wǎng)絡(luò)和DC-DC(直流- 直流)型有源阻抗網(wǎng)絡(luò)等。在系統(tǒng)控制策略方面,通常運(yùn)用PWM 控制方式和移相控制方式。然而通過(guò)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(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,容易受到調(diào)節(jié)范圍的限制,不適用于互感波動(dòng)較大的系統(tǒng),并且增加了系統(tǒng)的控制難度和復(fù)雜度,使系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性下降。

          綜上所述,線圈在任意水平方向(包括x 軸方向和y 軸方向)偏移時(shí)的互感波動(dòng)問(wèn)題仍未得到解決。本文旨在于從磁耦合機(jī)構(gòu)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面來(lái)提高M(jìn)CRWPT系統(tǒng)在任意水平方向上的偏移容限,文中提出一種SRSC 結(jié)構(gòu)在沒(méi)有附加任何額外諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和控制電路的情況下,能夠提高M(jìn)CR-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。首先提出一種空心圓形線圈在空間任意位置偏移情況下的方法,然后對(duì)SRSC 結(jié)構(gòu)組成原理與互感特性進(jìn)行分析,并提出一種基于的磁耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,對(duì)SRSC 結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)得到各線圈的最優(yōu)參數(shù),最后通過(guò)仿真和實(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

          本節(jié)提出了一種新的方法來(lái)計(jì)算空氣中圓形線圈間的互感。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)矢量法得出接收線圈的感應(yīng)電壓計(jì)算公式,最后得到線圈間互感計(jì)算公式。

          1.1 電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

          具有坐標(biāo)原點(diǎn)O 的圓柱坐標(biāo)系如圖1 所示,發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電流1649906676140448.png,對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng),在一個(gè)線性、均勻和各向同性介質(zhì)中有以下麥克斯韋方程成立[8]

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          圖1 空氣介質(zhì)中同軸位置的兩個(gè)圓形絲狀線圈示意圖

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          因?yàn)榇谁h(huán)境中為時(shí)變電磁場(chǎng),電場(chǎng)只在圓形平面線圈中存在,磁場(chǎng)則與電場(chǎng)互相垂直。所以在圖1 所示的柱坐標(biāo)系中,可以得到以下電場(chǎng)強(qiáng)度E 與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的初始條件[9]

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          電磁場(chǎng)的邊界條件如下,其中下標(biāo)( i =1 ,2) 與圖1 中的區(qū)域相關(guān):

          1649907219711971.png

          結(jié)合傅里葉- 貝塞爾積分變換及其逆變換[10]

          1649907270648972.png

          得到區(qū)域1 電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式為:

          1649908403117940.png

          其中ω 是電流的角頻率,μ0 是自由空間的磁導(dǎo)率,J1 是第一類(lèi)的貝塞爾函數(shù),RP 是圖1 中的細(xì)絲半徑,z為兩圓形平面細(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)電壓的解析式如下:

          1649908462273097.png

          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。在C2 中P 的切向是電場(chǎng)E 的方向,即C1 中P 的tan 方向就是dl 的方向。

          在本小節(jié)中,提出了參數(shù)向量法來(lái)計(jì)算C1 上任意點(diǎn)的cosγ。首先,圖2 描述了具有坐標(biāo)原點(diǎn)O 的直角坐標(biāo)系。一旦確定接收線圈的位置,就可以找到C1 的法向量n:

          1649916796529578.png

          通過(guò)(7)可以計(jì)算出n 的正交向量u 和垂直于u和n 的向量v:

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          考慮到C1的中心點(diǎn)O1為C1的已知條件,C1的參數(shù)方程表示如下:

          1649916902813230.png

          且C2的參數(shù)方程表示如下:

          1649916972549700.png

          其中

          1649917020279990.png

          其次,可以得到C1和C2在P 點(diǎn)處的切線向量為:

          1649917103321443.png

          由此可得cosγ的一般表達(dá)式為:

          1649917166791011.png


          在圖2 中表示出了沿δ 軸水平偏移的接收線圈和1區(qū)δ 軸周?chē)摩?角偏轉(zhuǎn)( 0° ≤ δ ≤ 180° )的常見(jiàn)情況,通常情況下可以找到C1的法向量n:

          1649917237691280.png

          由(13)可以得到一般情況下的簡(jiǎn)化方程:

          1649917291534168.png

          1.3 線圈間的互感計(jì)算

          互阻抗定義為感應(yīng)電壓V 與電流Iφ 的比值,由(6)和(15)可得:

          1649917352603088.png

          將(5)代入(16),得到兩匝之間互感的最終表達(dá)式:

          1649917391979763.png

          對(duì)于平面螺旋線圈,線圈的每一匝可以近似地看作是一個(gè)圓形線圈,因此線圈間的互感可以通過(guò)匝間的相互電感之和計(jì)算得出:

          1649917432735516.png

          其中N1 和N2 分別是發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù),由此可以計(jì)算出各接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感。

          2   SRSC結(jié)構(gòu)組成原理與互感特性分析

          本節(jié)提出一種SRSC 結(jié)構(gòu)能夠在水平方向偏移工況下保持恒定的互感,首先介紹SRSC 結(jié)構(gòu)的組成和特點(diǎn),然后進(jìn)一步解釋SRSC 結(jié)構(gòu)的互感變化規(guī)律和特性。

          2.1 SRSC結(jié)構(gòu)組成原理分析

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          SRSC 結(jié)構(gòu)如圖3 和圖4 所示,其中LP 為發(fā)射線圈,LS1和LS2為接收線圈,r1-inner為接收線圈LS1的內(nèi)徑,r1-outer為接收線圈LS1的外徑,r2-inner為接收線圈LS2的內(nèi)徑,r2-outer為接收線圈LS2 的外徑。與傳統(tǒng)的兩線圈結(jié)構(gòu)相比,SRSC結(jié)構(gòu)具有以下三個(gè)特點(diǎn):(1) 接收線圈LS1 的內(nèi)徑大于接收線圈LS2 的外徑,兩個(gè)接收線圈以同一個(gè)圓心共處于一個(gè)平面,并采用反向串聯(lián)的連接方式,使得兩個(gè)方向相反的磁通在通過(guò)線圈時(shí)相互抵消;(2)接收線圈LS1 的尺寸要大于發(fā)射線圈LP 的尺寸,發(fā)射線圈LP 的尺寸要大于接收線圈LS2 的尺寸,使得發(fā)射線圈與兩個(gè)接收線圈之間的互感在發(fā)生水平方向偏移時(shí)的變化量幾乎一致,發(fā)射線圈與接收線圈的互感波動(dòng)保持相對(duì)平緩。(3) 由于發(fā)射線圈和接收線圈都是圓形線圈,整個(gè)磁耦合機(jī)構(gòu)為高度對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),所以SRSC 結(jié)構(gòu)具有任意水平方向的?;谝陨先齻€(gè)特點(diǎn),當(dāng)SRSC 結(jié)構(gòu)水平方向偏移距離在發(fā)射線圈外徑50% 范圍內(nèi)時(shí),線圈間的互感幾乎可以保持恒定。

          2.2 SRSC結(jié)構(gòu)電路模型和互感特性分析

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          圖5 SRSC結(jié)構(gòu) (a)電路模型圖 (b)互感模型圖

          SRSC結(jié)構(gòu)電路模型如圖5(a) 所示,其中UAB(UCD)和I1(I2)分別是SRSC 的輸入(輸出)電壓和輸入(輸出)電流,發(fā)射線圈LP在一次側(cè),二次側(cè)接收線圈由LS1與LS2反向串聯(lián)連接而成,接收線圈電流I2從LS1的同名端流入,然后從LS2的同名端流出,使得接收線圈LS1與LS2中的電流方向剛好相反。MPS1、MPS2 和MS1S2分別是發(fā)射線圈LP與接收線圈LS1之間的互感,發(fā)射線圈LP與接收線圈LS2之間的互感以及接收線圈LS1與接收線圈LS2之間的互感。

          如圖5(b) 所示,根據(jù)基爾霍夫電壓定律,SRSC 互感模型可以表示為:

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

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          SRSC 結(jié)構(gòu)的等效電路如圖6 所示,這和傳統(tǒng)的兩線圈互感模型是一致的,所以當(dāng)傳統(tǒng)的兩線圈結(jié)構(gòu)被SRSC 結(jié)構(gòu)替換時(shí),不會(huì)改變系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原有的輸出特性。

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          當(dāng)線圈發(fā)生水平方向偏移時(shí), 互感MPS1 和互感MPS2 都會(huì)隨著偏移距離的變化而變化。如果互感MPS1 和互感MPS2 的變化速率在一定的水平方向偏移范圍內(nèi)是相同的,那么互感MPS1 和互感MPS2 之間的差異,即等效互感MPS=MPS1-MPS2 可以保持恒定。

          3   SRSC結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

          為了獲得的磁耦合機(jī)構(gòu),根據(jù)第1 節(jié)所提出的圓形線圈互感計(jì)算方法,在本節(jié)中提出一種基于恒定互感的磁耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。由(17)與(18)可知,線圈間的互感受到圓形線圈的半徑,匝數(shù)以及相對(duì)位置等參數(shù)的影響,因此可以通過(guò)優(yōu)化線圈的半徑和匝數(shù)來(lái)使得互感保持相對(duì)恒定。

          在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中,水平方向的偏移具有任意性,為了提高系統(tǒng)各個(gè)方位的水平方向偏移容限,磁耦合機(jī)構(gòu)的線圈結(jié)構(gòu)應(yīng)該高度對(duì)稱(chēng)。對(duì)此,在MCRWPT系統(tǒng)中使用圓形線圈的組合形式,可以使磁耦合機(jī)構(gòu)獲得更好的抗水平方向偏移性能。SRSC 結(jié)構(gòu)發(fā)射線圈和接收線圈的形狀全部都采用圓形結(jié)構(gòu),高度的對(duì)稱(chēng)性讓SRSC 結(jié)構(gòu)在任意水平方向都具有相同的偏移容限。另外考慮到多場(chǎng)景應(yīng)用,故沒(méi)有加入鐵氧體磁芯的設(shè)計(jì)。結(jié)合空心圓形線圈的互感計(jì)算方法,利用Matlab和ANSYS Maxwell 軟件輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)SRSC 結(jié)構(gòu),其有限元仿真模型如圖7 所示。

          當(dāng)線圈其它參數(shù)固定,線圈間發(fā)生水平方向偏移時(shí)互感容易出現(xiàn)波動(dòng)。由于SRSC 結(jié)構(gòu)在任意水平方向都具有相同的偏移容限,所以選擇其中任一方向來(lái)研究?jī)?yōu)化后互感與偏移距離的關(guān)系都不會(huì)影響本文的最終結(jié)論。為了表示方便,對(duì)線圈沿水平y(tǒng) 軸方向偏移的互感特性進(jìn)行研究,定義其互感波動(dòng)率為:

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          圖7 SRSC結(jié)構(gòu)有限元仿真模型圖

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          SRSC 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖如圖8 所示,具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟如下。

          (1)參數(shù)設(shè)置:首先,為了能量能夠高效傳輸,參考SAE J2954[11]無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn),確定系統(tǒng)工作頻率為f0=85 kHz。同時(shí)為了減小高頻電流流過(guò)時(shí)的集膚效應(yīng),所有線圈都采用直徑r0為2.5 mm,0.1mm×350股規(guī)格的利茲線來(lái)繞制,發(fā)射線圈與接收線圈間垂直方向傳輸距離h0為15cm,線圈采取緊密繞制的方式,每一匝之間的間距g0為0。

          (2)約束條件設(shè)置:互感限定值設(shè)定為1649918273984992.png=20 μH,互感波動(dòng)率限定值1649918301212450.png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)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)徑初始值和上限值分別設(shè)定為240mm和280mm,接收線圈LS1匝數(shù)初始值和上限值分別設(shè)定為13 匝和20 匝。接收線圈LS2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)初始值和上限值分別設(shè)定為25 匝和34 匝。發(fā)射線圈與接收線圈內(nèi)徑變化的步長(zhǎng)均為20 mm,匝數(shù)變化的步長(zhǎng)均為1 匝。

          (3)互感計(jì)算:通過(guò)(17)和(18)式在Matlab中計(jì)算線圈間不同水平方向偏移距離下的互感值,將同時(shí)滿(mǎn)足互感值約束條件1649918395402719.png和互感波動(dòng)率約束條件1649918368203928.png的線圈參數(shù)保存,然后繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算直到線圈參數(shù)達(dá)到上限值。

          (4)輸出最優(yōu)的線圈參數(shù):最后根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果,在保存的線圈參數(shù)里面選取互感值最大、互感波動(dòng)率最小的結(jié)果所對(duì)應(yīng)的線圈參數(shù)并輸出。

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

          表1 線圈尺寸參數(shù)

          1649918446241798.png

          4   實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

          為了驗(yàn)證本文所提出的SRSC 磁耦合機(jī)構(gòu)的抗偏移性能,根據(jù)圖5(a) 所示的SRSC 結(jié)構(gòu)電路模型圖和圖7 所示的SRSC 結(jié)構(gòu)有限元仿真模型圖,搭建了MCRWPT系統(tǒng)樣機(jī)。發(fā)射線圈LP、接收線圈LS1和接收線圈LS2 均使用直徑約為2.5 mm 利茲線,按照Matlab 理論計(jì)算與Ansys Maxwell 仿真尺寸繞制成空心線圈,發(fā)射線圈和接收線圈分別如圖9 和圖10 所示,MCR-WPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如表2 所示。

          image.png

          圖9 發(fā)射線圈

          image.png

          圖10 接收線圈

          表2 實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)

          image.png

          首先根據(jù)(17)和(18),運(yùn)用Matlab 軟件,計(jì)算出了SRSC 結(jié)構(gòu)在y 軸方向偏移工況下的互感理論值(Mc)。然后如圖7 所示,運(yùn)用Ansys Maxwell 軟件,建立了SRSC 結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型,對(duì)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)后得到SRSC 結(jié)構(gòu)在y 軸方向偏移工況下的互感仿真值(Ms)。最后如圖11 和圖12 所示,通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量得到了SRSC 結(jié)構(gòu)在y 軸方向偏移工況下的互感實(shí)測(cè)值(Me)。將互感仿真值與互感計(jì)算值之間的誤差定義為εs,互感測(cè)量值與互感計(jì)算值之間的誤差定義為εe,兩者的表達(dá)式如下:

          1649918672566669.png

          image.png

          圖11 互感測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)

          image.png

          圖12 無(wú)線電能傳輸試驗(yàn)平臺(tái)

          通過(guò)連續(xù)改變SRSC 結(jié)構(gòu)接收線圈在水平y(tǒng) 軸方向的偏移距離,得到的互感計(jì)算、仿真和測(cè)量值如表3 和表4 所示。

          表3 y軸+方向偏移的互感計(jì)算、仿真和測(cè)量值

          1649918956733910.png

          表4 y軸-方向偏移的互感計(jì)算、仿真和測(cè)量值

          1649919017321587.png

          1649919054340561.png

          圖10 中對(duì)比運(yùn)用Matlab 理論計(jì)算、Ansys Maxwell有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的線圈間互感隨偏移距離的變化關(guān)系,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)果與仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本一致,通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了互感計(jì)算式(17)和(18)的正確性和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)互感值為23.72 μH,沿y 軸+ 方向偏移時(shí),前180 mm互感的變化相對(duì)平緩,在150mm 處互感達(dá)到最大值24.37 μH,之后變化明顯加快,偏移距離達(dá)到270 mm時(shí),互感降至20.86 μH。沿y 軸- 方向偏移時(shí),在距離超過(guò)180 mm 時(shí),也會(huì)出現(xiàn)互感變化加快的現(xiàn)象,同樣在距離150 mm 處互感達(dá)到峰值,在距離270 mm 處,互感降至20.74 μH,這也說(shuō)明了SRSC 結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱(chēng)性。在分別向y 軸+ 和y 軸- 方向偏移相同距離時(shí),兩個(gè)對(duì)稱(chēng)位置的互感會(huì)有少許差異,這是因?yàn)槠矫鎴A形螺旋線圈的結(jié)構(gòu)只能近似于圓形,并不能完全等價(jià)于圓形結(jié)構(gòu)。但從整體上來(lái)說(shuō),沿y 軸方向偏移距離240 mm 范圍內(nèi)互感基本恒定。

          5   結(jié)論

          本文設(shè)計(jì)了一種在任意水平方向具有的SRSC 磁耦合機(jī)構(gòu),并提出了一種空心圓形線圈在空間任意位置偏移情況下的互感計(jì)算方法,結(jié)合此方法給出了一種基于恒定互感的磁耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文所提出的SRSC 結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,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 系統(tǒng)在任意水平方向偏移240 mm 范圍內(nèi)(相當(dāng)于發(fā)射線圈外徑的51.6%)穩(wěn)定、高效運(yùn)行,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和控制難度。此結(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(wú)線電能傳輸系統(tǒng),同樣也適用于電動(dòng)汽車(chē)和工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。本文只研究了水平方向偏移對(duì)于線圈間互感的影響,基于所提出的互感計(jì)算方法和磁耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,后續(xù)將展開(kāi)對(duì)MCR-WPT 系統(tǒng)提高全方向偏移容限方面的研究。

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          (本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期)



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