【《无线电能传输系统的耦合线圈的设计案例》4800字】

通过仿真可以验证理论上得出的结论，导线的匝间距越大，邻近效应就越小；相反，导线匝间距越小，邻近效应就越大。但是导线匝间距到了一定数值时，对邻近效应影响不再有很大的变化。所以本系统将导线的匝间距设定为0.6mm。1.3空间位置对线圈的耦合系数的影响1.1.1线圈自感的理论计算当导体中通过电流并且产生了磁场，那么该导体所在面积的磁通与通过该导体的电流成正比关系，用公式可以表示为，其中代表的是电感磁链，L表示自感系数。自感系数是线圈的自身属性，只与线圈的形状、大小、材料等因素有关，和回路中的电路大小无关。图3-25平面螺旋线圈结构图理论上可以计算出平面螺旋线圈的自感数值，计算公式为： （3-9）——平面螺旋线圈匝数——线圈的外直径——线圈的内直径——线圈导线直径——线圈匝间距——线圈导线的半径——真空磁导率（一）当线圈外直径为0.8m，线圈匝间距为5mm，线圈导线的直径为1.2mm，用Matlab软件计算不同匝数对线圈自感的影响，并做出相应曲线图。图3-26线圈匝数N与线圈自感L的理论关系从理论计算得出的图线中可以看出，线圈匝数越大，线圈的自感也会越大，综合考虑，选择线圈匝数为20匝。当线圈匝数为20，线圈匝间距为5mm，线圈导线的直径为1.2mm，用Matlab软件计算不同的线圈外半径对线圈自感的影响，并做出相应曲线图。图3-27线圈外半径D0和线圈自感之间L的理论关系从理论计算得出的图线中可以看出，线圈外半径越大，线圈的自感也会越大，综合考虑，选择线圈外半径为0.4m。当线圈外直径为0.8m，线圈匝数为20，线圈导线的直径为1.2mm，用Matlab软件计算不同线圈匝距对线圈自感的影响，并做出相应曲线图。图3-28线圈内直径d与匝间距p之和与线圈自感的理论关系从理论计算得出的图线中可以看出，线圈内直径d与匝间距p之和越大，线圈的自感也会越小，综合考虑，选择线圈匝间距为5mm。1.1.2互感理论分析两线圈的耦合系数决定了两线圈之间能量传输的品质，耦合系数,其中M是两线圈的互感值，为一次侧线圈的自感，为二次侧线圈的自感。如图3-26所示，当有交流电通入线圈，根据法拉第电磁感应定律可知，变化的电流附近会产生变化的磁场，变化的磁场又会在导体上产生变化的电流。因此在附近的线圈上会产生电流。线圈上的某点的磁场强度由决定，线圈的磁通量也由决定。所以上的某点的磁场强度和线圈的磁通量有以下关系：，其中M为两线圈之间的互感系数。图3-29两线圈之间的互感参数图中线圈中的电流在线圈中产生了磁失位，具体如下： （3-10）式中d为两线圈距离，那么穿过线圈的磁链为： （3-11）又因为： （3-12）所以互感的计算公式可以推算出来为： （3-13）由公式可知，线圈的间距d会影响两线圈的互感值，因此当电动汽车停车位置发生改变时，互感系数的变化很大程度上会影响线圈的传输效率，因此研究线圈的水平偏移和垂直偏移在电动汽车的无线充电研究领域是很重要的一部分。1.1.3线圈垂直偏移对耦合系数的影响当两线圈只在垂直间距上发生变化时，它们属于同轴状态。若以线圈的圆心为原点建立空间直角坐标系，两线圈的垂直偏移量为h，线圈的半径为r。图3-30两同轴线圈建模线圈上的点可以用坐标表示为： （3-14）线圈上的点可以用坐标表示为： （3-15）联立上述式子可得： （3-16）通过空间中两点之间的距离公式可得，线圈上的点和线圈上的点之间的距离为： （3-17）因此两线圈之间的互感可以表示成： （3-18）基于以上线圈垂直偏移对互感影响的理论计算公式，用ANSYSMaxwell软件对线圈的互感进行有限元分析，可以得到线圈自感与互感的理论值。选择Maxwell3D仿真，进行三维建模，绘制出两个线圈的三维模型，主要的具体参数如下：线圈匝数N为20，导线的内径r为2.5mm，线圈内半径为40cm，线圈材料为铜，仿真环境为真空环境。发射线圈与接收线圈的所有参数保持一致。绘制出的双线圈结构三维模型图如图3-31所示。图3-31双线圈结构三维模型图双线圈的参数设置如图3-32所示。图3-32双线圈基本参数建立基本的三维模型之后，设置激励源，本系统设置的激励源为5A的直流电源。本次仿真的目的是通过改变线圈之间的垂直距离，仿真得到不同垂直距离下的线圈自感、互感、耦合系数三个参数，从而分析线圈的、垂直距离不同对系统传输效率和输出功率的影响。两线圈的垂直距离可以从线圈的主视图清楚的看到，如图3-33所示。图3-33线圈垂直偏移的主视图仿真可以看到线圈和附近区域的磁场分布密度云图，如图3-34所示。图3-34线圈磁场密度分布从仿真结果可以看出，当同轴的两线圈距离为5厘米时，耦合系数为0.20，两线圈自感和基本一致，为150.02uH，两线圈的互感值为29.98uH。耦合系数符合实际应用对系统传输效率和输出功率的要求。分别改变两线圈的垂直距离为10cm和15cm，再次仿真，得到的的仿真结果分别如下图所示。图3-35两同轴线圈垂直偏移示意图从仿真结果可以看出，当同轴的两线圈距离为10厘米时，耦合系数为0.18，两线圈自感和基本一致，为150.02uH，两线圈的互感值为27uH。耦合系数符合实际应用对系统传输效率和输出功率的要求。分析两次仿真得到的结果，线圈垂直间距的增加会降低两个线圈之间的互感值，使线圈的耦合系数降低，但是变化率不大。1.1.4线圈水平偏移对耦合系数的影响电动汽车无线充电装置的实际应用中，若汽车停车的位置没有和充电线圈完全对齐的话，发射线圈和接收线圈之间会有水平偏移距离，两线圈的位置示意图如图3-28所示。假定两线圈的垂直间距仍为h，线圈和线圈的半径均为r。图3-36水平偏移两线圈位置示意图那么线圈上的点用坐标可以表示为： （3-19）线圈上的点的坐标可以表示为： （3-20）联立以上表达式可以得出： （3-21）根据空间中两点之间的距离公式，线圈上的点和线圈上的点的距离可以表示为： （3-22）将上述表达式带入诺依曼公式可得两线圈之间的互感表达式： （3-23）基于上面的理论分析，改变线圈的水平距离，用ANSYSMaxwell软件进行对线圈的各个参数进行仿真。线圈水平距离的改变建模如图所示。有三维图可以看到，两线圈并不是共轴的，而是有一定的水平偏移。图3-37双线圈结构水平偏移三维模型图现在将垂直偏移量设定为5c