一种无线充电线圈电磁与传热的仿真方法与流程

本发明涉及无线充电线圈仿真，更具体地，涉及一种无线充电线圈电磁与传热的仿真方法。

背景技术：

1、无线充电是指不通过传统的电线连接，而是利用电磁场或其他方式来传输能量，以实现对设备电池充电的技术。电磁感应式无线充电是其中一种常见的无线充电方式，其工作原理是在无线充电器内部有一个发射线圈，当发射线圈流过交流电时，发射线圈周围产生一个交变磁场，当需要充电的设备(如手机、电动牙刷等)靠近无线充电器时，设备内部的接收线圈与无线充电器的发射线圈相互接近并且形成磁场耦合，使得设备中的接收线圈中感应出电流来为设备充电。

2、由于电磁感应过程中往往伴随着大量的电能损耗，损耗的电能转化成热能造成线圈发热。严重的发热容易造成设备不可逆的损害，故在生产产品之前需要先制作线圈样品并对其进行实验测试，确保无线充电器在工作时的温度在安全范围内。但是需要该方法需要经历多次加工和测试，当实验测试结果未达到标准时，需要重新调整线圈各个参数，并再次加工和测试，整个设计周期较长，成本较高，给无线充电器的设计制造带来了诸多不便。

3、此外，现有技术还有通过仿真技术对无线充电线圈的电磁分布和传热进行仿真计算，例如现有技术公开的一种磁耦合谐振式无线能量传输线圈仿真分析方法，其通过maxwell软件建立线圈2d和3d模型，对模型进行求解仿真，并输出仿真结果以供分析。

4、现有技术通过建模和仿真计算的方式对无线充电线圈的电磁分布和温度分布进行仿真计算，根据无线充电线圈的磁场分布预先了解线圈在工作时的磁场分布特性，确保磁场强度和方向满足无线充电的需求。同时根据线圈在不同工作条件下的温度分布来设计出有效的散热方案。

5、然而，现有技术对磁场分布和温度的仿真计算是单向的，只考虑了磁场对温度的影响。实际上无线充电线圈的温度在变化的同时，其电阻大小和电导率等材料属性都会发生变化，这些变化将进一步引起无线充电线圈的磁场变化，而磁场变化时又会影响线圈温度。也就是说，线圈的温度和磁场强度之间是相互影响的，现有技术没有考虑温度与磁场强度相互影响，导致最终的仿真结果与实际有较大偏差，不够准确。

技术实现思路

1、针对上述现有技术未考虑温度对线圈材料属性的影响，导致最终的仿真结果不够准确的问题，本发明提供了一种无线充电线圈电磁与传热的仿真方法，将磁场与温度的相互影响纳入仿真计算，可使仿真结果更加真实准确。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

3、一种无线充电线圈电磁与传热的仿真方法，包括以下步骤：

4、步骤一：确定发射线圈和接收线圈的材料、大小尺寸以及所述发射线圈与所述接收线圈的垂直距离，也就是发射线圈与接收线圈在轴向上的最短距离。

5、步骤二：根据所述步骤一获取的大小尺寸以及所述发射线圈和所述接收线圈的垂直距离，对所述发射线圈和所述接收线圈进行三维建模。

6、步骤三：根据所述发射线圈和所述接收线圈的材料，确定所述发射线圈和接收线圈的热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率与温度的关系式。

7、步骤四：先将所述步骤二中建立的三维模型导入现有技术的仿真软件，再将所述步骤一获取的大小尺寸和垂直距离存入所述仿真软件；然后将所述步骤三中的计算公式存入所述仿真软件，也就是将所述发射线圈和接收线圈的热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率与温度的关系式存入所述仿真软件。

8、步骤五：在所述仿真软件中，对所述发射线圈的三维模型施加电流激励，该电流的大小为发射线圈实际工作时通入的电流大小；同时对所述接收线圈的三维模型施加电压激励，由于接收线圈在初始状态下的电压为0，因此这里施加的电压为0v。

9、步骤六：所述仿真软件计算所述发射线圈和接收线圈的热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率；然后根据上述参数值大小计算所述发射线圈和所述接收线圈的电流密度。可以理解的是，在第一次计算热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率时，以室温作为发射线圈和接收线圈的初始温度进行计算。

10、步骤七：所述仿真软件根据所述发射线圈和所述接收线圈的电流密度分别计算出所述发射线圈和所述接收线圈的电磁热，然后将电磁热换算并作为当前温度来重新计算所述发射线圈和接收线圈的热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率，并且重新计算所述发射线圈和所述接收线圈的电流密度；对所述步骤六和所述步骤七中的计算进行多次迭代计算，以最后一次计算得到的电流密度和电磁热作为最终的数据结果。需要说明的是，可以通过在仿真软件设定迭代结束条件，迭代计算何时结束由迭代结束条件决定，当计算得到的温度结果或迭代计算的次数满足迭代结束条件时，再结束迭代计算；也可以手动结束迭代计算。其中，迭代计算的时间步长也可以在仿真软件中设定，从而间隔一段时间进行一次迭代计算。

11、以接收线圈为例，接收线圈的初始温度是a1℃，先根据初始温度a1℃计算得到热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率后，计算接收线圈的电流密度b1；然后根据电流密度b1计算得到电磁热a2；再将a2换算并作为接收线圈的当前温度，重新计算接收线圈的热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率，并且根据重新计算得到的参数大小重新计算线圈的电流密度b2，然后根据电流密度b2计算得到电磁热a3。以此进行迭代计算，每次计算得到的温度值均比上一次大，在迭代计算的过程中，接收线圈的温度值逐渐趋于某个定值，经过多次迭代计算后，以最后一次计算得到的电磁热作为接收线圈的表面温度，从而获得较为准确的温度值。

12、在上述技术方案中，先根据发射线圈和接收线圈的当前温度分别计算两者的热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率，接着根据这些参数计算发射线圈和接收线圈的电流密度，根据电流密度可得到磁场强度；然后根据电流密度计算得到发射线圈和接收线圈新的温度值，再将新的温度值作为发射线圈和接收线圈的当前温度值，进行多次迭代计算。在迭代计算的过程中，发射线圈和接收线圈的某一位置的温度值和磁场强度均趋于定值，迭代计算的次数越多，得到的温度和磁场分布结果更加准确。

13、其中，所述发射线圈和所述接收线圈有单层平面线圈、多层平面线圈、螺旋线圈等，常见的是单层平面线圈，当所述发射线圈和所述接收线圈均为单层平面线圈时，优选地，在所述步骤一中，所述发射线圈和所述接收线圈的大小尺寸包括线圈的线径、匝数、内径、外径和厚度；在所述步骤二中，所述发射线圈和所述接收线圈均为单层平面线圈，所述发射线圈和所述接收线圈的三维模型均为环形板，所述环形板的中心孔直径为线圈的内径，外围边缘直径为线圈的外径，厚度为线圈的轴向高度。通过将结构复杂的发射线圈和接收线圈简化为更容易处理的环形板，可简化建模工作，实现模型的快速建立，并且简化后续的分析和计算，从而提高计算和分析效率。

14、常见的发射线圈和接收线圈的材料是铜，优选地，在所述步骤三中，以铜为例，所述发射线圈和所述接收线圈的热膨胀系数的计算公式均为：

15、k＝1.4725e-5+8.1374e-9·t－4.5841e-12·t2

16、恒压热容的计算公式为：

17、cp＝342.76+0.1338348·t+5.53525e-5·t2－1.9712e-7·t3+1.1407e-10·t4

18、表面发射率的计算公式为：

19、ε＝0.0027+2.72e-5·t

20、材料密度的计算公式为：

21、ρ＝9062.242－0.3913·t－809476e-5·t2

22、电导率的计算公式为：

23、σ＝σ0(1+αδt)

24、其中，t为所述发射线圈或所述接收线圈的温度；σ0为所述发射线圈或所述接收线圈在当前温度下的电导率；α为所述发射线圈或所述接收线圈在当前温度下的温度系数；δt表示所述发射线圈或所述接收线圈的温度变化值。

25、优选地，在所述步骤六中，所述发射线圈的电流密度的计算公式为：

26、

27、其中，n为线圈匝数；icoil为线圈电流大小；a为线圈三维模型表面积；

28、所述接收线圈的电流密度的计算公式为：

29、

30、其中，n为线圈匝数；vcoil为线圈的初始电压；vind为线圈的感应电压；a为线圈三维模型表面积，rcoil为线圈电阻。

31、优选地，在所述步骤六中，所述发射线圈的电磁热计算公式为：

32、

33、其中qrh为热功；re为阻抗；j为电流密度；e为电场强度，其可以根据电流密度与材料的电导率计算得到；

34、所述接收线圈的电磁热计算公式为

35、

36、其中qml为感应热功，i为虚数；ω为所述接收线圈感应出的电流的角频率；b为磁感应强度；h为磁场强度。

37、需要说明的是，上述计算公式中所有涉及的参数值，现有技术的仿真软件可根据发射线圈或接收线圈的材料属性、当前温度和当前磁场强度计算得到。

38、优选地，在所述步骤四中，还在所述仿真软件设定温度变化范围；在所述步骤七中，迭代结束条件为当所述发射线圈和所述接收线圈前后两次计算的温度变化值均在所述温度变化范围内时，再结束迭代计算。由于发射线圈和接收线圈在经过多次迭代计算后，前后两次计算的温度变化值会趋于零，因此没有必要进行太多次的迭代计算。设计者可以根据发射线圈和接收线圈所需的温度精度来设定温度变化范围，避免无效迭代计算，提高仿真效率。

39、优选地，在所述步骤四中，所述温度变化范围为0～0.5℃。当温度变化范围为0～0.5℃时说明发射线圈和接收线圈的温度值已经接近定值，并且此时计算得到的温度已经有较高的精确度。

40、优选地，在所述步骤六中，计算所述发射线圈和所述接收线圈的热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率之前，先在所述仿真软件中对所述发射线圈和所述接收线圈分别设置对流换热系数。设置对流换热系数可模拟实际物理环境中，发射线圈和接收线圈表面与其周围流体(如空气或液体)之间的热交换过程，从而更准确地预测和计算发射线圈和接收线圈表面的温度分布。

41、优选地，在所述步骤六中，计算所述发射线圈和所述接收线圈的热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率之前，先在所述仿真软件中对所述发射线圈和所述接收线圈均设置传热模块。引入传热模块可以预测发射线圈和接收线圈在不同工作条件下的表面温度，从而帮助设计者评估不同散热方案(如散热材料、散热结构设计等)的散热效果，确保发射线圈和接收线圈的安全性。

42、优选地，在所述步骤四中，还将所述步骤三中的关系式均赋予到所述发射线圈和所述接收线圈的材料属性中；在所述步骤六中，所述仿真软件根据所述发射线圈和所述接收线圈的材料，选择与材料相对应的关系式进行计算。由于发射线圈和接收线圈的材料可以均为铜、铝、金属合金、磁性材料和碳基材料等，不同材料的热膨胀系数、恒压热容、表面发射率、材料密度和电导率的计算公式不同。因此将这些参数的计算公式赋予到材料属性中，当对不同材料的发射线圈和接收线圈进行模拟仿真时，可以立即调用与材料相对应的计算公式进行计算，从而提高仿真效率。

43、本发明的有益效果：本发明将磁场强度与温度的相互影响纳入仿真计算，通过多次迭代计算，可获得更加真实准确的仿真结果，从而使设计人员能够更准确地评估无线充电系统的性能和安全性，并且更好地优化系统的结构和工作参数，提高系统的充电效率和安全性。