一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线电传输技术领域，特别涉及一种三线圈结构中距离无线电能传输 系统的中继线圈设计方法
【背景技术】
[0002] 近些年来，随着无线电能传输技术研究的不断升温及其相关应用领域的不断拓 宽，越来越多的科学家对此项技术给予了足够的肯定。相比之下，传统的电缆输电系统呈现 出越来越多的弊端，在深海、煤矿、化工等特殊领域，火花、输电线路的铺设及维修困难等一 系列安全性、建设性问题已经使得这些行业迫切需要无线电能传输技术的青睐。自从特斯 拉开辟了无线输电领域之后，国内外诸多学者纷纷投身其中，但收效甚微。自2007年MIT 在电磁共振原理上进行突破，成功在2m以外点亮了一只60w的灯泡，这才为中远距离以及 高效率无线电能传输技术的发展提供了一个新的思路。
[0003] 无线电能传输系统的设计需遵循两个原则：1)效率最大化原则；2)功率最大化原 贝1J。最大效率原则通常是无线电能传输的首选，而最大功率原则则是通过阻抗匹配来达到 当输入功率无限制时的功率最大化传输，但它有一个弊端，就是系统效率不会超过50%。通 常情况下，两线圈结构的无线电能传输系统在短距离应用时会遵循最大效率原则而同时系 统也会达到能量的足量传输，但当传输距离增加时，系统的传输效率与传输功率均会急剧 下降。同时，四线圈结构的无线电能传输系统虽然可被用来增加系统的传输距离，但这种结 构是以牺牲系统效率为代价的。相比较上述两种结构的无线电能传输系统，包含单中继线 圈的三线圈结构式无线电能传输系统可以在不牺牲系统传输性能的情况下提升传输距离。 虽然目前中继线圈已被用来提升系统的传输距离，但缺乏一套详细、具体、有针对性、实用 性强的设计方法。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三线圈结构中距离 无线电能传输系统的中继线圈设计方法，该方法详细、具体、有针对性、实用性强，解决了现 有技术中的不足。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设计方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1)、定义中距离无线电能传输系统的传输距离1. 0m < d < 3m，1~3米为中 距离无线电能传输系统的一般传输距离范围，也可适当扩大，一般限定在5米范围内，否则 三线圈结构对于传输效率与功率的提升将不一定能同时满足约束条件中的①和②。
[0008] 定义中距离无线电能传输系统中的发射线圈、中继线圈和接收线圈为半径相同的 空间螺旋线圈，发射线圈与接收线圈的匝数相同；若非空间螺旋线圈、发射与接收线圈匝数 不同，则最优化中继线圈参数的计算将变得繁琐，没有规律可循，为了简化设计方法，寻求 特殊的实际规律，列出较为特殊的情况，这样可得出具体优化设计方法，对实际应用的指导 性强。
[0009] 步骤2)、调谐无线电能传输系统的发射线圈、中继线圈与接收线圈至谐振状态，采 用阻抗变换法计算得出三线圈结构的中距离无线电能传输系统负载功率和整体效率；
[0010] 负载功率表达式：
[0012] 整体效率表达式：
[0014] 其中，Us为电源，rs为电源内阻，Γι、m分别为发射线圈、中继线圈与接收线圈 的内阻，&为负载阻值，Γ i为接收线圈至中继线圈的两级映射阻抗，Γ 2为中继线圈至发射 线圈的两级映射阻抗，功率分配系数κ = Γι7^;根据偏导计算规则，求得最大功率输出 条件为：Γ 2= r 1+rs，最大效率条件为：Max { Γ i Γ 2};
[0015] 步骤3)、确定中距离无线电能传输系统的约束条件为：
[0017] 其中，负载的功耗需求为，系统传输效率需求为Id为发射线圈与接收线圈的传 输距离、为中继线圈与发射线圈的传输距离、d&为中继线圈与接收线圈的传输距离， 为中继线圈匝数，ζ为与中继线圈的匝数及中继线圈所处的位置有关的比例系数；
[0018] 步骤4)、建立功效一体的优化目标函数：
[0019] f(dlr，Nr) = Ρ; · η' ；
[0020] 求取目标函数同时满足约束条件①和②的最大值:Max {f d,队)}，并对函数做优 化求解，得出中继线圈的最优化参数。
[0021] 对目标函数求偏导：
t得当传输距离1. 0m〈d〈3. 0m且队取 有限匝数时，
[0024] 上述优化参数即表示当中继线圈处于发射线圈与接收线圈中间时无线电能传输 系统的接收功率与系统效率整体指标达到最优。
[0025] 进一步的，中继线圈放在中间时，可使得条件①和②同时满足，此时为同时满足① 和②的最优化参数。
[0026] 进一步的，当电源电压不足以达到接收功率的要求或者受到电磁干扰、传输介质 以及电磁偏移等外界因素影响而使得此时的最优化参数还不能同时满足条件①和②，则可 通过增加队的值进一步提升最优化参数，直到最优化参数同时满足条件①和②为止。
[0027] 有益效果：本发明提供的一种三线圈结构中距离无线电能传输系统的中继线圈设 计方法为一套详细、具体、有针对性、实用性强的三线圈式无线电能传输系统中继线圈设计 方法，本发明从无线电能传输系统的功效整体性能入手，在增加传输距离的前提下给出一 套中继线圈的详细优化设计方法，解决在设计三线圈式无线电能传输系统的关键难题，为 无线电能传输系统在中远距离下的应用提供更为明确的指导。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的结构电路拓扑图
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0030] 如图1所示为一种三线圈结构中距离无线电能传输系