基于电磁力分析模型的平面耦合器设计方法

1.本发明属于电学技术领域，更进一步涉及无线能量传输器件技术领域中的一种基于电磁力分析模型的平面电磁耦合器设计方法。本发明适用于微重力环境下的航天器无线能量传输系统中低电磁力无线能量耦合器。


背景技术：

2.目前，基于互感耦合法的线圈模型设计，已广泛被应用于平面耦合器的无线能量传输系统的设计中。通过互感耦合法，分析平面耦合器的部件参数对平面耦合器线圈自感、互感和耦合系数的影响，以及平面耦合器阻抗值对接入电路的电流、电压和功率的影响。在此基础上，进行平面耦合器最优部件参数设计和阻抗值匹配，得到无线能量传输效率最佳的平面耦合器设计参数，进而保证无线能量传输系统的工作性能。但是，在平面耦合器处于高频大功率的工作情况下，使用直接数值求解的互感耦合法进行线圈模型的设计，存在分布参数计算不准确，平面耦合器电磁环境安全标准、周围环境中电子设备受电磁干扰情况和平面耦合器结构本身的稳定性较难评估等问题。相比之下，使用电磁场仿真分析的互感耦合法进行线圈模型的设计，拥有更准确的平面耦合器高频分布参数的计算机制，更容易进行平面耦合器电磁环境的模拟计算。该设计方案能够较为直观的揭示出平面耦合器结构中磁屏蔽材料与磁芯材料在电磁场中的工作机理，测算出大功率无线能量传输情况下平面耦合器部件参数对电磁力的影响。该设计方法比仅仅考虑传输效率的平面耦合器设计更适合应用于航天器中大功率的无线能量传输。目前，该设计方法在平面耦合器的分析设计上还存在问题：一方面，现有的无线能量传输技术主要针对地面的应用场景，平面耦合器中电磁力的研究主要针对大功率情况下电动汽车领域中的牛(n)级电磁力，还需要进一步研究微重力环境下的航天器领域应用中毫牛(mn)级及更小电磁力的平面耦合器。另一方面，平面耦合器在航天器微重力环境下产生的电磁力，会使得收发线圈逐渐偏移中心位置，从而导致装置的功能失效问题。
3.xian zhang；xuejing ni等人在其发表的论文“research on the influence of structural parameters on electromagnetic force of wireless power transfer”(ieee2nd international electrical and energy conference(cieec)，2018)中提出了一种考虑电磁力的平面耦合器设计方法。该方法引入了待设计的平面耦合器部件参数，建立了一个待设计的平面耦合器电磁力的数值计算模型，通过优化磁导率、线圈匝数和线圈匝间距这些参数来减少平面耦合器产生的电磁力。但是，该方法仍然存在的不足之处是，该设计方案是通过调整平面耦合器线圈的部件参数以改善平面耦合器间产生的电磁力，由互感耦合法分析得线圈匝数与互感值成正比，由平面耦合器匹配电路拓扑分析得互感值与输出功率成正比，因此，当平面耦合器的目标传输功率限制在特定数值范围时，该设计方案无法保证系统的传输功率。
4.xian zhang；fengxian wang等人在其发表的论文“structure electromagnetic force analysis of wpt system under fault conditions”(ieee access，2020)提出了
一种基于snopt算法的平面耦合线圈设计方法，减弱了平面耦合器间牛(n)级的脉冲力对平面耦合器工作性能的影响。该方法引入了待设计的平面耦合器线圈的匝间距作为设计参数，建立了待设计的平面耦合器的电磁场数学模型，利用snopt算法对待设计的平面耦合器线圈的匝间距进行了优化。当接收端处于开路状态下，优化后的平面耦合器产生的电磁力较优化前的平面耦合器产生的电磁力明显减弱。通过上述的设计方案虽然得到了待设计平面耦合器部件参数与部件材料对电磁力的影响机理，分析设计出减弱电磁力的平面耦合器，但是，该方法仍然存在的不足之处是，该设计方案是通过分别研究待设计的平面耦合器的磁屏蔽材料电导率和磁导率、线圈匝数和匝间距等设计参数对电磁力的影响，当将平面耦合器电磁力限制在毫牛(mn)级电磁力时，该设计方案模型的计算过程加长，效率低，且对微重力环境下电磁力导致的平面耦合器位置偏移无法保证。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出了一种基于电磁力分析模型的平面电磁耦合器设计方法，旨在解决现有技术基于互感耦合法的线圈模型设计难以评估平面耦合器在微重力环境下所受电磁力的影响，且无法满足微重力环境下限制在毫牛(mn)级及更小电磁力的平面耦合器设计要求，从而导致设计出的平面耦合器工作安全效能较低等问题。
6.实现本发明的技术思路是：本发明首先对平面耦合器进行受力分析，建立了基于初始设计参数的平面耦合器电磁力分析模型，以此解决平面耦合器设计过程中参数考虑不全导致的电磁力过大的问题；本发明基于电磁力分析模型，利用同一传输功率下平面耦合器不同匝数和工作角频率的比值关系，计算出基于初始设计参数调整后的匝数及其对应的工作频率，调整基于初始设计参数的平面耦合器匝数与工作频率，计算当前参数对应的电磁力并判断是否满性能参数设计指标，该方法规避了分别遍历匝数和工作频率进行低电磁力的平面耦合器设计，提高了平面耦合器设计效率；本发明基于电磁力分析模型，在平面耦合器匝数与工作频率已完成设计的基础上，通过调整线圈与磁芯间距以降低水平方向上穿过磁芯的磁力线并计算线圈与磁芯间距对应的电磁力与传输功率，获得满足性能参数设计指标的设计值，以解决现有技术筛选磁芯磁导率方式时间成本大、精度低的问题。
7.本发明的具体步骤如下：
8.步骤1，根据平面耦合器应用场景，确定对称结构的平面耦合器传输性能设计指标和平面耦合器的初始设计参数；
9.步骤2，建立平面耦合器电磁力关于平面耦合器初始设计参数模型如下：
[0010][0011]
其中，f表示平面耦合器电磁力初始设计参数模型，ρ表示磁芯对平面耦合器磁通量的修正因子(电磁仿真取得的拟合值)，1≤ρ≤2，μ0表示平面耦合器结构中磁芯的真空磁导率，μ0＝4π
×
10-7
，π表示圆周率，x表示平面耦合器初始设计参数中原边线圈与副边线圈匝数，i1表示平面耦合器原边线圈的输入电流，i2表示平面耦合器副边线圈的产生的电流，r表示平面耦合器原边线圈与副边线圈的半径，θ表示平面耦合器副边磁场方向与电流方向的夹角，d0表示平面耦合器原边线圈与副边线圈之间的距离，d(j)表示平面耦合器初始设
计参数中的磁芯相对线圈距离为l时平面耦合器磁芯所受电磁力；
[0012]
步骤3，计算平面耦合器的初始设计参数互感值；
[0013]
步骤4，求解平面耦合器初始设计参数中的线圈匝数；
[0014]
步骤5，调整线圈初始匝数及其对应工作频率：
[0015]
步骤5.1，在平面耦合器初始设计参数中的匝数范围[1,x1]内，选取一个未选过的线圈匝数，利用下式，调整线平面耦合器原边线圈与副边线圈的初始匝数：
[0016][0017]
其中，fi表示第i次调整后线圈匝数对应的工作频率，τ1表示磁芯引入的非线性变量，τ1∈[0,1]，xi表示第i次调整后的线圈匝数；
[0018]
步骤5.2，计算线圈匝数调整后对应的传输功率；
[0019]
步骤5.3，判断当前调整后的线圈匝数对应参数是否满足下述的限制条件，若是全部满足，则执行步骤6，否则，执行步骤5.1；
[0020][0021]
其中，表示第i次调整后的线圈匝数xi与工作角频率对应的电磁力模型，f
max
表示平面耦合器电磁力设计指标允许的最大电磁力，p
out1
表示第i次调整后线圈匝数对应的传输功率，p
out0
表示平面耦合器初始设计参数中的传输功率，p
out
表示平面耦合器传输功率设计指标允许的最小传输功率；
[0022]
步骤6，调整平面耦合器磁芯与线圈间距：
[0023]
步骤6.1，计算平面耦合器工作角频率为时，平面耦合器传输功率设计指标中允许最小传输功率对应的互感值；
[0024]
步骤6.2，在平面耦合器初始设计参数中的线圈与磁芯间距范围内，选取一个未选过的线圈与磁芯间距；
[0025]
步骤6.3，判断调整后的线圈与磁芯距离是否满足下式的限制条件，若是全部满足，则执行步骤7，否则，执行步骤6.2。
[0026][0027]
其中，f(jm)表示平面耦合器第m次调整后磁芯与线圈间距jm对应的电磁力模型，m
out2
(jm)表示第m次调整后磁芯与线圈间距对应的互感值，m
min
表示平面耦合器最小传输功率对应的互感值；
[0028]
步骤7，完成平面耦合器的设计。
[0029]
本发明与现有技术相比较，具有以下优点：
[0030]
第一，本发明建立了平面耦合器电磁力关于平面耦合器性能参数的模型，其中包含了平面耦合器匝数、输入电流、传输距离和磁芯与线圈间距的结构参数，在对平面耦合器设计时克服了现有技术只考虑传输功率或传输效率导致平面耦合器间电磁力过大造成平面耦合器结构损坏和位置偏移的问题，使得本发明提高了平面耦合器在微重力环境下应用的稳定性。
[0031]
第二，本发明通过相同传输功率下的不同平面耦合器匝数比与工作角频率比的等式关系，调整平面耦合器的匝数与工作频率，在降低平面耦合器电磁力的同时，保证了输出功率不变，并利用平面耦合器磁芯与线圈间距的可调整性对平面耦合器进行结构调整，克服了现有技术基于互感耦合模型的电磁场仿真分析法通过优化平面耦合器磁导率、线圈匝数和线圈匝间距实现平面耦合器设计时的平面耦合器电磁力输出功率波动大、电磁力设计精度低，使得本发明中有效降低电磁力，同时缓解线圈之间碰撞对磁芯的破坏。
附图说明
[0032]
图1是本发明的流程图；
[0033]
图2是本发明电磁力的分析图；
[0034]
图3是本发明谐振电路的拓扑图；
[0035]
图4是本发明调整磁芯与线圈间距的电磁力结果图；
[0036]
图5是本发明线圈与磁芯间距调整前后的平面耦合器原边相对于副边位置垂直偏移结果对比图；
[0037]
图6是本发明线圈与磁芯间距调整前后的平面耦合器原边相对于副边位置水平偏移结果对比图。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的描述。
[0039]
参照图1，对本发明实施例的实现步骤做进一步的描述。
[0040]
步骤1，确定对称结构的平面耦合器传输性能设计指标。
[0041]
本发明的实施例中，根据平面耦合器应用场景为微重力环境下的航天器中，确定对称结构的平面耦合器传输性能设计指标，如表1所示。
[0042]
表1平面耦合器传输性能设计指标表
[0043]
平面耦合器传输性能设计指标数值传输功率p
out
500w～10kw电磁力f10μh～20mn工作频段f30khz-500khz
[0044]
考虑到实际平面耦合器尺寸大小，设置平面耦合器的初始设计参数，如表2。
[0045]
表2平面耦合器初始设计参数表
[0046]
设计参数数值平面耦合器尺寸外径r200mm原边线圈(或副边线圈)与磁芯间距j0≤j≤30mm原边与副边线圈匝间距s1mm原边与副边线圈线径w1mm原边与副边间距d030mm原边线圈输入电流i110a传输功率p
out0
1kw
[0047]
步骤2，平面耦合器由原、副边平面磁芯和原、副边线圈组成，且原边与副边平行安
装，如图2所示。其中，dfx表示平面耦合器副边线圈a点所受径向电磁力，dfz表示平面耦合器副边线圈a点所受轴向电磁力，f表示平面耦合器副边线圈a点所受电磁力合力，θ表示平面耦合器电磁力合力与径向方向的夹角，i1表示平面耦合器原边线圈的输入电流，i2表示平面耦合器副边线圈的产生的电流，r表示平面耦合器原边线圈与副边线圈的半径，d0表示平面耦合器原边线圈与副边线圈之间的距离，j表示原边与副边线圈与磁芯间距。
[0048]
根据毕奥萨法尔定理，原边线圈在副边线圈a点产生的磁感应强度如下：
[0049][0050]
其中，μ0表示平面耦合器结构中磁芯的真空磁导率，μ0＝4π
×
10-7
，π表示圆周率，x表示平面耦合器初始设计参数中原边线圈与副边线圈等效匝数，考虑磁力线分布的边缘效应，b具有纵轴偏向，简化磁芯对副边线圈磁场的影响，分析副边线圈受a点受到的电磁力如下：
[0051][0052]
考虑磁芯受电磁力，建立平面耦合器电磁力关于平面耦合器初始设计参数模型如下：
[0053][0054]
其中，f表示平面耦合器电磁力初始设计参数模型，ρ表示磁芯对平面耦合器磁通量的修正因子(电磁仿真取得的拟合值)，1≤ρ≤2，d(j)表示平面耦合器初始设计参数中的磁芯相对线圈距离为j时平面耦合器磁芯所受电磁力。
[0055]
本发明实施例中ρ＝1.45，i1＝10a，r＝100mm，d0＝30mm，线圈与磁芯间散热取j＝2mm，带入上式中，得到本发明实施例平面耦合器电磁力关于平面耦合器初始设计参数模型如下：
[0056][0057]
步骤3，指定平面耦合器拓扑电路为ss形匹配拓扑结构，拓扑结构如图3所示。其中，u1表示平面耦合器原边输入电压，rs表示平面耦合器原边输入电阻值，i1表示平面耦合器原边线圈的输入电流，i2表示平面耦合器副边线圈的产生的电流，c1、c2分别表示平面耦合器谐振网络原边与副边谐振电容，r1、r2分别表示平面耦合器原边与副边线圈等效电阻值，l1、l2分别表示平面耦合器原边与副边线圈自感值,m表示平面耦合器互感值,r
l
表示平面耦合器副边线圈输出端的负载值，计算平面耦合器的初始设计参数互感值如下：
[0058][0059]
其中，m1表示平面耦合器的初始设计参数中的互感值，r2表示平面耦合器副边线圈的电阻值，表示平面耦合器初始设计参数中的工作角频率，表示平面耦合器初始设计参数中的工作角频率，f1表示平面耦合器初始设计参数中的工作频率，p
out0
表示平面耦合器初始设计参数中的传输功率，i1表示平面耦合器原边输入电流。
[0060]
本发明实施例中，r2可忽略不计，r
l
＝50ω，取f1＝30khz，＝30khz，i1＝10a，p
out0
＝1kw，代入上式计算得m1＝118μh；
[0061]
步骤4，利用下式，求解紧耦合时平面耦合器初始设计参数中的线圈匝数：
[0062][0063]
其中，l1表示平面耦合器原边线圈与副边线圈的初始设计参数中的自感值，l1单位为μh，l1＝m1，r表示平面耦合器原边线圈与副边线圈外径值，di表示平面耦合器原边线圈与副边线圈内径值，x1表示求解得到的平面耦合器原边线圈与副边线圈的初始匝数，w表示平面耦合器原边线圈与副边线圈线径值，s表示平面耦合线圈原边线圈与副边线圈匝间距值；r、di、w和s单位均为inch。
[0064]
本发明实施例中，带入上式中求解得到本发明实施例n1＝26，得出平面耦合器初始设计参数中的匝数初步取值，由于平面耦合器实际工作状态为松耦合，实际工作中l1＞m1，利用软件调整匝数得出n1＝30时，m1＝118μh；
[0065]
步骤5，调整线圈初始匝数及其对应工作频率。
[0066]
步骤5.1，在平面耦合器初始设计参数中的匝数范围[1,30]内，选取一个未选过的线圈匝数。
[0067]
利用下式，调整线平面耦合器原边线圈与副边线圈的初始匝数：
[0068][0069]
其中，fi表示第i次调整后线圈匝数对应的工作频率，τ1表示磁芯引入的非线性变量，τ1∈[0,1]，xi表示第i次调整后的线圈匝数。
[0070]
在本发明实施例中，i＝2，选取一个未选过的线圈匝数x2＝7，取τ1＝0.9，带入上式中得到本发明实施例f2＝500khz；
[0071]
步骤5.2，利用下式，计算线圈匝数调整后对应的传输功率：
[0072][0073]
其中，p
out1
表示第i次调整后线圈匝数对应的传输功率，表示第i次调整后线圈匝数对应的工作角频率，mi表示第i次调整后线圈匝数对应的互感值。
[0074]
本发明实施例中，由平面耦合器线圈内阻值ri远小于50ω则可忽略，带入上式中计算本发明实施例输出功率
[0075]
步骤5.3，判断当前调整后的线圈匝数对应参数是否满足下述的限制条件，若是全部满足，则执行步骤6，否则，执行步骤5.1：
[0076]
[0077]
其中，表示第i次调整后的线圈匝数xi与工作角频率对应的电磁力模型，f
max
表示平面耦合器电磁力设计指标允许的最大电磁力，p
out1
表示第i次调整后线圈匝数对应的传输功率，p
out0
表示平面耦合器初始设计参数中的传输功率；
[0078]
本发明实施例中，第2次调整后的线圈匝数对应的传输功率p
out0
＝1kw，p
out0
＝1kw，且计算出满足上式中本发明实施例所述条件。如表3所示，调整平面耦合器线圈匝数与工作频率前后的电磁力对比，调整后的平面耦合器降低了电磁力且传输功率能力不变。
[0079]
表3平面耦合器匝数与工作频率调整前后的性能参数对比表
[0080]
匝数/匝频率/khz电磁力/mn互感值/μh最大输出功率/w3030450118100075001571000
[0081]
步骤6，调整平面耦合器磁芯与线圈间距。
[0082]
步骤6.1，利用下式，计算平面耦合器工作角频率为时，平面耦合器传输功率设计指标中允许最小传输功率对应的互感值如下：
[0083][0084]
其中，m
min
表示平面耦合器最小传输功率对应的互感值，r2表示平面耦合器副边线圈电阻值。
[0085]
本发明实施例中，i＝2，r
l
＝50ω，p
out
＝500w，i1＝10a，带入上式中得出本发明实施例
[0086]
步骤6.2，通过当前平面耦合器匝数和工作频率设置值，在线圈与磁芯间距范围内调整磁芯与线圈间距，将得到的数据进行对数拟合，对平面耦合器电磁力模型进行修正，得到针对当前平面耦合器结构的电磁力关于磁芯与线圈间距的模型f(j)如下：
[0087]
f(j)＝16.4-3.4ln(j)
[0088]
步骤6.3，在平面耦合器初始设计参数中的线圈与磁芯间距范围内，选取一个未选过的线圈与磁芯间距。
[0089]
步骤6.4，判断调整后的线圈与磁芯间距是否满足下式的限制条件，若是全部满足，则执行步骤7，否则，执行步骤6.2。
[0090][0091]
其中，f(jm)表示平面耦合器第m次调整后磁芯与线圈间距jm对应的电磁力模型，m
out2
(jm)表示第m次调整后磁芯与线圈间距对应的互感值。
[0092]
本发明实施例中，根据实际的磁芯与平面耦合器线圈的调整结果，如图4所示。图4中的横坐标表示磁芯与线圈间距，单位为mm，纵坐标表示平面耦合器所受电磁力，确定平面耦合器匝数x2＝7，磁芯与线圈间距j＝15mm，互感值m2＝16μh，f＝2.5mn，满足上式本发明实施例所示条件。
[0093]
步骤6.5，判断已完成设计的平面耦合器位置偏移性是否满足电磁力限制条件，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤5。
[0094]
本发明实施例中，调整前平面耦合器取x＝7、j＝2mm、f＝500khz，调整后平面耦合器取x＝7、j＝15mm、f＝500khz，如图5、图6所示。图5中的横坐标表示平面耦合器副边线圈垂直偏移，单位为mm，纵坐标表示平面耦合器电磁力，单位为毫牛(mn)。图5中以圆圈标示的曲线代表线圈与磁芯间距调整前的曲线；以正方形标示的曲线代表采用现有技术调整磁芯与线圈间距的曲线。图6中的横坐标表示平面耦合器副边线圈水平偏移，单位为mm，纵坐标表示平面耦合器电磁力，单位为毫牛(mn)。图6中以圆圈标示的曲线代表线圈与磁芯间距调整前的曲线；以正方形标示的曲线代表采用现有技术调整磁芯与线圈间距的曲线。调整平面耦合器水平偏移与垂直偏移，观察线圈与磁芯间距调整前后，平面耦合器电磁力随着位置偏移变化，得出电磁力线圈与磁芯间距调整后的平面耦合器位置偏移更稳定，且满足电磁力限制条件。
[0095]
步骤7，完成平面耦合器的设计。