基于交流内阻改进计算方法的WPT系统耦合线圈优化设计

发布时间：2020-07-24 00:17

【摘要】：无线电能传输(wireless power transfer,WPT)技术发展至今,应用范围广泛。如手机无线充电、电动牙刷无线充电、心脏起搏器无线充电、电动汽车无线充电等。WPT技术的广泛应用与它的安全性、便捷性密不可分,但其能量传输效率与传统的有线充电相比是一个劣势。耦合线圈作为WPT系统的的核心组成部分,很大程度上决定了系统的能量传输效率。所以,耦合线圈的设计是WPT系统设计中的重要工作。本文以常见的series-series型补偿拓扑为例,根据负载电阻及工作频率的设计约束类型,将WPT系统的设计约束分成了四类,分别是:1)负载电阻与工作频率均提前给定;2)负载电阻可自由匹配,但工作频率提前给定,如6.78MHz、85kHz等等;3)负载电阻提前给定,但工作频率可在一定范围内选择;4)负载电阻可自由匹配,且工作频率可在一定范围内选择。本文分析了四种设计约束下线圈间能量传输效率与设计参数之间(线圈的匝数、匝间距、外匝半径等效负载和工作频率)的关系,对于负载或频率可自由选择的情形,推导出了最佳负载和最佳频率与线圈参数之间的数学表达式,降低了设计参数的搜索维度。在优化目标函数确定后,本文采用粒子群优化算法(PSO)进行设计参数寻优,并将寻优算法编写成MATLAB程序,形成了一个自动化设计程序,只需要设计者输入设计要求及约束,就能输出最佳的设计参数组合,使得线圈间能量传输效率在所有约束下达到最高。本文的一个主要创新点是改进了耦合利兹线圈的交流电阻的解析计算方法,其中包括了传导电阻随频率变化的近似估计以及邻近效应电阻的改进计算。与经验公式相比,改进的解析计算方法更加准确;与有限元仿真(FEM)方法相比,解析计算耗时更短,且计算公式可以作为MATLAB程序的一部分,而FEM软件需要人工参与建模,不能实现自动化设计过程。经过实验验证,改进的交流电阻计算方法可以准确计算密绕或者疏绕的线圈在很大频率范围内的交流电阻。最后,给出了第三类约束下的三组设计实例,并利用本文提出的设计方法进行设计和实验验证。实验结果表明,线圈间的能量传输效率的理论值与测量值之差在1.3%以内,验证了设计方法的准确性。此外作为对比,还利用一种传统设计方法对设计实例进行了求解,结果表明本文提出的设计方法比传统设计方法得到的系统传输效率高1.0%到2.0%,证明了基于PSO的设计方法的优越性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM724
【图文】：

非均匀线,线圈,品质因数

这上述情况下还要追求更高的传输效率，使得耦合线圈的十分有意义的工作。研究现状线圈本身考虑，线圈间的能量传输效率和线圈的品质因数品质因数的乘积（kQ）成正相关[3]。特别的，当接收端的值时，线圈间能量传输效率可以表示成只含 kQ 的表达式高，所以有很多研究是通过提升 Q 或 kQ 来提升效率的式是0Q =ω L /R，其中 ω 为流过线圈的电流角频率， L 为圈在频率ω 下的内阻。所以降低线圈导线内阻是一种有效种常规 REBCO 导线合成了一种复合导线，有效地降低了圈的品质因数提高至原来的 2 倍；还有采用非均匀线径图 1-1所示，该方法主要应用于纯铜线绕制的线圈，通过和匝间距 g，调整线圈的自感和内阻，从而调整线圈的品圈可以使线圈的品质因数提高至传统等线径线圈的 1.2 倍

铜薄膜,退火处理,线圈

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文微镜下的结构图像，可以发现有很多空穴间隙存在，这些间隙会降低性；图 b)为 350℃退火处理后的显微图像，可以发现缺陷几乎消失，铜线的导电能力，减小电阻，提高品质因数。图 1-3为实验线圈在退以及 250℃和 350℃退火处理后的高频内阻曲线，可以发现经过退火圈在很大的频率范围内电阻保持稳定，且低于退火处理前的线圈内阻法都可以有效地提高线圈的品质因数，但一方面对实验室设备要求高度大，一方面不适用于无线电能传输中应用广泛的利兹线圈。

曲线,退火处理,测试线圈,铜薄膜

50℃和 350℃退火处理后的高频内阻曲线，可以发现大的频率范围内电阻保持稳定，且低于退火处理前的以有效地提高线圈的品质因数，但一方面对实验室设一方面不适用于无线电能传输中应用广泛的利兹线圈。图 1-2 铜薄膜在显微镜下的结构(a) 退火处理前，(b) 300℃退火处理后[6]

【相似文献】