无线充电系统发射和接收线圈优化

发射线圈和接收线圈是无线充电系统中的关键组成部分,二者的尺寸以及两线圈间的距离影响着系统的传输功率及效率,但对于两个线圈尺寸的最优匹配问题还未有系统的设计方法。针对此,以圆形发射和接收线圈为例,推导两线圈间的互感公式,用Mathcad绘制两线圈间互感随两线圈的径径比、接收线圈与传输距离间径距比变化的曲线,不同径距比下互感随发射线圈宽度变化的曲线,以及互感随发射线圈内外径变化的曲线。根据以上曲线得出两线圈的最优匹配尺寸,并以此进行了3组线圈匹配优化实验,分别绘制出输出电压和系统效率随传输距离的变化曲线。相关实验验证了所提优化方法的可行性。     

巡检机器人无线充电线圈偏移容忍力改善研究

为了解决巡检机器人无线充电时两耦合线圈偏移导致耦合系数下降速度过快的问题,提出一种发射和接收线圈半径匹配的优化设计方法。首先建立感应耦合式电能传输系统等效模型,得到传输效率与线圈互感和内阻的关系,并利用有限元仿真软件得到圆形和方形线圈间耦合系数在不同偏移失调情况下的变化曲线。然后推导出圆形线圈间耦合系数与半径比和距径比的关系,根据该关系和限定条件得到优化后圆形和方形线圈尺寸。最后绕制线圈进行实验验证,对比发射线圈优化前后对耦合系数和传输效率的影响。实验结果表明:优化后线圈可以明显减缓耦合系数的下降,提高系统传输效率,验证了所提设计方法的正确性。     

动态无线电能传输系统多接收线圈正反串联结构的互感计算与优化

在磁耦合谐振式动态无线电能传输系统中,发射线圈与接收线圈之间的相对水平偏移距离将达到发射线圈边长的一半,此时线圈间互感波动非常剧烈,导致系统无法正常工作.为此该文提出了一种多接收线圈正反串联结构来减小互感波动率.首先,提出了一种矩形线圈互感计算方法,运用提出的互感计算方法,分析了该线圈结构的互感特性;其次,给出了一种互感优化方法,运用提出的优化方法,得到了满足设计要求的各线圈参数;最后,根据得到的线圈参数,研制了一套基于多接收线圈正反串联结构的无线电能传输系统,通过仿真和实验验证了所提结构与方法的正确性.结果显示,运用提出的结构,其线圈间的偏移距离在发射线圈边长一半范围内变化时,线圈间最大互感波动率仅为3.81％.     

一种无线电能传输系统的盘式谐振器优化设计

无线电能传输系统在给定工作频率下,发射和接收线圈间的互感、等效内阻以及负载阻抗是影响系统传输效率的主要因素。针对线圈设计过程中各参数之间的特性和相互约束关系,提出一种在给定工作频率、传输距离下的盘式谐振器的优化与设计方法。该方法综合考虑谐振频率、线圈半径、匝数等因素,以传输效率为优化目标,解决了特定条件下的具体谐振器设计问题。实验结果与解析、仿真结果具有较好的一致性,验证了该方法的正确性和有效性。     

基于超材料的高效率多源无线充电系统的研究

对于多发射源无线充电系统来说,发射线圈与接收线圈间的错位会导致互感急剧下降,使得传输效率降低.为提升多源无线充电系统的效率,首先,分析多发射线圈间相对位置与传输功率的关系,找出取得最大功率输出的条件;然后,设计出一种新型宽边耦合正方形螺旋结构的电磁超材料,增强收/发线圈间消逝波强度,在不改变传输系统本身的情况下有效提升传输效率;最后,搭建双源磁谐振式无线电能传输系统实物平台进行验证.实验结果表明:相比于单源系统,双源系统传输效率提高约15％;当收/发端线圈夹角为40°时,双源系统传输效率达到最高,为41.4％;添加超材料可使系统传输效率有效提高约20％,添加三块超材料可提高约36％.     

基于最优发射半径的锥形线圈WPT系统优化

在无线电能传输系统中盘式发射线圈存在一个使传输功率最大的最优半径值,并且传输距离的改变也会造成发射线圈最优半径值的变化.针对这一问题,提出了量化发射线圈最优半径与传输距离关系的方法,继而指导发射线圈的优化设计.首先从系统空间磁场的分析上,证明了最优发射半径的存在性,然后探究并拟合出最优发射半径与传输距离之间的表达式,设计了每匝线圈半径均为最优值的锥形螺旋发射线圈.最后经有限元仿真验证,优化的锥形线圈系统较传统的柱形线圈系统互感提升了140.16％,周围环境的漏磁更少,证明了优化的锥形螺旋线圈的优越性.     

适应需求侧管理的高效中距离磁共振式电动汽车无线充电线圈优化设计

提出一种适应需求侧管理的高效中距离磁共振式电动汽车无线充电线圈优化设计方法。在分析磁共振式无线充电系统工作原理的基础上,首先对充电耦合线圈结构进行优化设计,选取多股漆包线并联而成的导线绕制方形耦合线圈,并通过增加线圈层数提升系统传输效率;其次通过实验对比验证,优化选取系统工作频率,最优工作频率为55kHz时,系统传输效率可达85%以上;最后分析线圈相对位置与传输效率之间的关系曲线,优化设计后的系统线圈相对位置为18cm时,最高传输效率为85%。实验结果表明经过优化设计耦合线圈系统传输效率明显得到提升。     

三线圈磁谐振式无线输电系统传输效率的优化

磁谐振式无线电能传输系统的传输效率是评价整个系统的重要指标。针对单中继的三线圈磁谐振无线电能传输系统,运用等效电路理论和二端口网络理论推导系统在磁谐振状态下的传输效率公式,并对效率公式进行优化。当中继线圈与接收线圈之间的距离已固定时,在不改变系统各元件参数情况下,通过调节发射线圈与中继线圈间的距离,使其和中继线圈与接收线圈之间的距离满足一定关系,系统的传输效率可得到显著提高。最后,开发了一套三线圈输电系统,实验验证了理论的正确性。     

基于磁共振的无线能量传输系统接收模块参数研究

基于磁共振的无线能量传输技术应用环境复杂多变,很难保证收、发线圈的参数和结构保持一致。本文针对发射模块参数不变的情况,研究了接收模块线圈半径、线径、线圈匝数和线圈长度变化对电感、电阻、品质因数、互感、耦合系数和传输效率的影响。理论计算与Pspice仿真均表明,线圈半径的变化对系统传输效率的影响最大,系统传输效率随着线圈半径的增大而增大,但当接收模块的线圈半径小于发射模块线圈半径的50%时,系统的传输效率迅速降低;增大线圈长度对系统的传输效率影响相对较大,增大线圈长度使系统传输效率先减小后增大;导线半径和线圈匝数的变化对传输效率的影响最小,系统传输效率随着它们的增大而略微增大。     

非对称磁耦合谐振无线电能传输系统效率优化

针对线圈偏置对磁耦合谐振式无线电能传输系统传输效率的影响问题,首先,应用电路理论建立了无线电能传输系统的等效电路模型,并通过求解电路方程得到了系统传输效率的表达式;其次,根据线圈互感与空间位置的关系分析了线圈偏置对线圈互感的直接影响以及对传输效率的间接影响;得出了系统线圈偏置分为无方向性偏置与有方向性偏置两种;最后,设计了一套效率优化流程以补偿因线圈偏置而降低的传输效率。通过仿真实验验证了理论分析的正确性,为移动式无线充电系统的设计与优化提供了参考和借鉴。     

互操作电动汽车无线充电系统设计方法

电动汽车无线充电的互操作性是指同一发射端可以匹配不同离地间隙、不同充电功率等级的电动汽车接收端进行安全高效的无线充电。国家标准对电动汽车无线充电的互操作性给出了解释和示范,但如何在不同间隙级别、不同功率等级和不同偏移位置下均实现最优的功率传输效率,是互操作设计的一个难题。针对双边LCC电动汽车无线充电系统,以电动汽车无线充电系统标准GB/T38755.1为参考,提出一个满足工程应用需求的互操作无线充电系统优化设计方法。在满足电感量要求下,优化发射线圈表面磁场辐射的均匀度,以效率为目标优化不同间隙与不同功率等级的接收线圈及其补偿参数。制作了一个满足互操作性的11 kW发射线圈与9个不同充电气隙和功率等级的接收线圈,对设计方法进行了实验验证。     

一种ICPT系统松耦合线圈尺寸匹配的设计方法

传统ICPT系统中,松耦合变压器的发射线圈（Tx）尺寸与接收线圈（Rx）尺寸的最优匹配参数的求取,一般通过系统建模来推出Tx和Rx间的互感,并辅以大量实验来获得,既缺少理论依据又浪费人力物力。针对这一问题,提出了一种通过仿真观察Rx中电流密度变化规律来获得Tx和Rx尺寸最优匹配参数的设计方法。首先求取单管逆变ICPT系统之原边并联副边并联（PP）结构下的系统去耦等效电路模型,据此推导出Rx上的电流密度与互感、系统传输功率及效率的关系;据此利用有限元仿真软件对Rx线圈电流密度随Tx线圈内外半径变化的规律进行了仿真,对Rx线圈电流密度及磁耦合线圈互感值随Tx线圈内外径半径变化的规律进行了仿真,并对Rx电流密度与互感变化对应的规律进行了对比。综合仿真结果确定了松耦合线圈最优尺寸下,Tx与Rx外径比值,该参数与企业通过实验总结出的经验值相吻合。     

无线电能传输抗偏移线圈的设计方法

无线电能传输技术具有灵活性高、安全、美观等优点,因而受到广泛关注和研究。传统线圈由于磁场分布不均匀,导致接收端在发生偏移时,互感系数发生变化,进而影响系统稳定性。针对上述问题,提出一种利用穷举推导抗偏移线圈参数的方法。该方法首先根据所需发射和接收线圈尺寸、线圈气隙,穷举出不同匝数和匝距的发射线圈。然后利用互感公式计算线圈发生偏移过程中的互感数值,并判断线圈发生偏移时互感是否稳定,最后通过筛选可以得到所需线圈的绕制参数。利用所提方法推导抗偏移线圈,计算时间较短,设计精度较高。通过实验验证,证明了所提方法的有效性。     

锥形线圈无线电能传输特性优化

锥形线圈具有平面螺旋线圈与柱形螺旋线圈的综合特性,可用于无线电能传输系统中的磁耦合机构。本文首先基于电路理论建立模型,推导出磁耦合机构参数与系统输出参数的关系;然后利用Maxwell软件,从磁感应强度与互感的角度分析与比较传统平面螺旋线圈与圆柱螺旋线圈,提出匝间距不同的两种锥形线圈,两种线圈分别使用铁氧体板及铁氧体条;最后搭建无线电能传输系统实验样机。实验与仿真结果表明,与柱形螺旋线圈相比,锥形线圈结构作为发射线圈时,接收线圈在偏移距离为0～75mm内可获得最高达85.5%的电能传输效率,最高提升4.9%;偏移距离为0～50mm内输出功率也较高,最高达264W,提升15.3%。     

Development of a novel spindle-shaped coil-based wireless power transfer system for frequency splitting elimination

To eliminate frequency splitting in wireless power transfer, a novel spindle-shaped coil-based wireless power transfer system is introduced and designed. Based on the equivalent circuit model, the transmission coefficient and the input impedance are calculated. A comparative analysis is performed between the traditional and the proposed systems. It is found that the frequency splitting is suppressed by utilizing spindle-shaped transmitting and receiving coils in the proposed system because of the larger mutual inductance between the source coil (load coil) and transmitting coil (receiving coil) and the smaller mutual inductance between the transmitting and the receiving coils in comparison with the traditional system. In the overcoupled region, the transmission coefficient of the proposed system almost remains unchanged and keeps at a high value. The input impedance is characterized with high amplitude and small argument, which is beneficial for efficient power transfer. Experimental setup is established to validate the performance of the proposed wireless power transfer system. The results indicate that the proposed system is superior to the traditional one in eliminating the frequency splitting, which is well consistent with the simulation analysis.     

计及互感参数的串联-并联型无线电能系统传输特性

无线电能传输系统中能量收发线圈的位置变化直接影响系统的传输特性。本文建立串联-并联(SP)型电磁耦合谐振式无线电能传输系统平台,从电磁场角度出发,分析线圈空间位置与传输系统电感参数的关系,并推导计及线圈空间位置的电感参数计算方法以研究系统的传输特性。通过仿真模拟线圈位移、偏转等条件下系统的运行情况,归纳互感参数与系统传输功率/效率的变化规律和内在联系。搭建实验平台,通过对比实验数据和仿真结果,验证了所提方法的正确性,为无线输电的优化设计提供参考。     

两线圈串联电动汽车动态无线充电系统研究

从经济和空间角度考虑,电动汽车EV（electric vehicle）同时装设匹配静态和动态无线充电方式的接收单元是不理想的。为此,参考EV静态无线充电标准,设计了两发射线圈同向串联EV动态无线充电系统,使其接收单元能同时满足动态和静态无线充电需求。首先,分析了收发线圈的水平偏移特性和互感电路模型,并根据分析结果确定了单发射线圈组切换以及两发射线圈串联的方式,根据两发射线圈串联的三维磁通图确定了两个发射子线圈的通电方向为同向通电;然后,对单发射线圈组切换系统以及两发射线圈串联系统进行了有限元仿真,验证了两个发射线圈串联的互补作用以及同向通电方式的优越性;最后,参考EV静态无线充电标准搭建了实验平台,并完成了静态和动态的无线充电实验。     

全方位无线电能传输系统设计

针对泛在监测背景下低成本、复杂度低的全方位无线电能传输系统需求,从线圈设计角度提出了一种使用单电源的全方位无线电能传输系统。该系统发射线圈设计为一条导线制成的六面连通立方体,接收线圈为单个矩形线圈。通过磁场分布和互感特性的仿真分析,选择了最优的全方位线圈结构。实验表明在发射线圈任意角度传输功率和效率均能满足无线电能传输系统要求。最终从传输距离和传输角度两个方面,总结了全方位系统的电能传输规律,为接收线圈的最佳安装范围提供依据。     

ZVS E类逆变器的磁谐振无线输电系统参数分析和设计

E类逆变器用作磁耦合谐振式无线输电MCR-WPT系统的激励源时,其等效负载由线圈参数和系统负载决定,由此导致E类逆变器的优化设计较为困难。为此,研究了两螺线管线圈间的互感算法,分析了互感随线圈间距变化的特性,并探讨了MCR-WPT系统两螺线管线圈的传输效率、输出功率及E类逆变器的等效负载与线圈间距的解析关系,给出E类逆变器实现零电压开关ZVS(zero voltage switch)的参数设计方法,仿真验证了互感算法和系统参数设计方法的精确性。实验结果表明,当线圈间距为26 cm时可实现ZVS,且系统效率达到86.3%,验证了理论和仿真分析的有效性和准确性。     

全方向无线电能传输电磁耦合系统仿真分析

近年来,全方向无线电能传输技术由于具有位置鲁棒性好、安全可靠性高和环境亲和力强等独特优势,受到国内外研究机构和科研院所的广泛关注。高性能的电磁耦合系统作为全方向无线电能传输系统的关键环节,对实现高效的系统能量传输有着至关重要的作用。首先,运用电路理论建立了全方向线圈结构的等效电路模型,得到系统输出电压和输出功率的表达式,并给出了系统激励源的控制方案;其次,对全方向无线电能传输的充电场景进行分析,分析了三维正交圆环形线圈结构方案的弊端,提出了正方体线圈结构方案;最后,建立两种磁耦合线圈结构方案的数学模型,得出互感与接收线圈的位置、充电场景和旋转角度的关系。通过仿真实验验证了理论分析的正确性,为全方向无线电能传输电磁耦合系统的设计提供了参考和借鉴。