一种用于旋转式无线电能传输系统的线圈优化方法及系统

本发明属于无线电能传输，尤其涉及一种用于旋转式无线电能传输系统的线圈优化方法及系统。

背景技术：

1、目前，传统电能传输常采用导线直接连接进行能量传输，存在多种安全隐患问题。如线缆易发生缠绕、断裂。而使用导电滑环的方法供电可靠性较差，需要频繁更换滑环。无线电能传输技术借助高频磁场进行能量传输，更适用于恶劣的工作环境，具有更高的灵活性与可靠性。其中，相对旋转的部件在生活和工业产品上并不少见，近到汽车轮胎，远到飞机发动机的翼型叶片。为了对这些旋转部件供能或对其运动状态进行参数监控，往往需要使用旋转式的无线电能传输系统。

2、旋转式无线电能传输系统属于动态无线电能传输技术的一种，与较为常见的电动汽车领域的动态无线电能传输系统不同，旋转式无线电能传输系统发射线圈与接收线圈之间不仅沿某方向相对运动，且产生角度偏移。由于线圈处于不断旋转的工作状态，因此需要对线圈尺寸等参数进行优化设计。由于线圈处于不断旋转的工作状态，为了确保能量传输的稳定性和效率，需要采取一些特殊的设计措施。

3、针对线圈尺寸的优化，需要考虑旋转部件的大小和形状。根据旋转部件的特点，可以选择合适的线圈形状，如圆形、方形等，以尽量契合旋转部件的运动轨迹。对于线圈的参数优化，需要考虑到传输距离、功率损耗和传输效率等因素。在旋转式无线电能传输系统中，相对运动和角度偏移会对能量传输产生影响。通过调整线圈的匝数、线径等参数，可以实现对传输效率和功率损耗的优化。

4、对于无线电能传输系统的线圈尺寸与各参数设计，传统方式是通过经验进行选取，这会使得系统效率偏低，各方面性能难以得到保证。较新的解决方式是建立耦合线圈的有限元模型，使用商用有限元软件进行多个可变参数的优化设计。这种方式在参数较少的时候较为实用，但计算量会随着参数增加而大大增加。另一种更加先进的方式是考虑耦合线圈几何参数与电路参数之间的联系，建立多参数、多性能目标函数的非线性规划数学模型，对系统进行全局优化。该方法较为快捷，但也存在一些问题。例如对于各种形状的线圈，其自感与互感的数学表达式难以确立，尤其是当线圈之间产生非轴向的位移与偏转时互感表达式几乎不能建立。旋转式无线电能传输系统属于发射线圈与接收线圈之间不仅沿某方向相对运动，且产生角度偏移的一种动态无线电能传输系统，因此需要一种更加快捷且具有普遍性的优化方法。

5、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

6、现有的无线电能传输技术对于各种形状的线圈，其自感与互感的数学表达式难以确立，没有一种快捷且普遍的旋转式无线电能传输系统线圈优化方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于旋转式无线电能传输系统的线圈优化方法及系统。

2、本发明是这样实现的，一种用于旋转式无线电能传输系统的线圈优化方法，该旋转式无线电能传输系统的线圈优化方法的核心创新点在于其结合了有限元模型、响应面方法和进化算法，通过这三种方法的高度整合和协同工作，在满足接收侧功率需求的前提下，优化了发射侧线圈和接收侧线圈的设计。这种优化方法可以在约束条件和可变参数范围内进行抽样选点和有限元计算，然后使用响应面法对计算结果进行分析，得到目标函数对于各参数的敏感度和响应面结果，最后再运用进化算法找到最优的解决方案。这种方法可以提高旋转式无线电能传输系统的性能和效率，同时也可以降低其设计和优化过程的复杂度。

3、进一步，所述用于旋转式无线电能传输系统的线圈优化方法包括以下步骤：

4、s101：建立发射侧线圈与接收侧线圈对准情况下的有限元模型；

5、s102：在旋转部件旋转半径确定情况下，根据接收侧功率需求选定该旋转式无线电能传输系统最小耦合系数；

6、s103：根据该最小耦合系数建立处于有效耦合范围边界的发射侧线圈与接收侧线圈有限元模型；

7、s104：选择可变参数并确定其约束条件；

8、s105：在参数可变范围内抽样选点，进行有限元计算，使用响应面法对计算结果进行分析得到目标函数对于各参数的敏感度与响应面结果；

9、s106：将进化算法用于由响应面拟合出的函数关系中，得到优化后的帕累托解集；

10、s107：根据实际情况选取所需的帕累托解作为最终优化后的方案。

11、进一步，s101中，有限元模型为利用计算机辅助进行几何图形建模并对其进行网格剖分，离散化后进行多物理场分析所使用的模型。

12、进一步，s103中，有效耦合范围的选择方法为：线圈对准时旋转角度为0°，其两侧最小耦合系数所对应的旋转部件旋转角度之间为该对线圈的有效耦合范围。

13、所述响应面法为一种综合试验设计和数学建模的优化方法，其将输入的可变参数作为输入变量，即因素，将需要重点关注的变量作为输出变量，即响应，通过实验或仿真得到的实验数据对因素与响应之间的关系进行数学拟合，同时由敏感性分析确定主要影响因素，最后利用建立的模型通过数学优化的方式确定最优的因素组合，从而得到最佳的响应，即得到最优解。

14、进一步，s106中，所述进化算法为使用响应面法得到拟合数学模型后使用的数学优化算法，具有天然并行性，鲁棒性强，同时不需要额外信息，只有目标函数和相应的适应度影响搜索方向；

15、所述帕累托解集为帕累托最优解所构成的解集，帕累托最优解指在变量空间中找不到其他解在所有目标函数上均优于该解的解。

16、本发明的另一目的在于提供一种实施所述用于旋转式无线电能传输系统的线圈优化方法的用于旋转式无线电能传输系统的线圈优化系统，所述用于旋转式无线电能传输系统的线圈优化系统包括：

17、模型初建模模块，与耦合系数输入模块连接，用于建立发射侧线圈与接收侧线圈对准情况下的有限元模型；

18、耦合系数输入模块，模型初建模模块与和模型再建模模块连接，用于选定不同的功率需求的最小耦合系数；

19、模型再建模模块，与耦合系数输入模块和参数选择模块连接，用于根据接收到的最小耦合系数建立处于有效耦合范围边界的发射侧线圈与接收侧线圈有限元模型；

20、参数选择模块，与模型再建模模块和抽样计算模块连接，用于选择可变参数并确定其约束条件；

21、抽样计算模块，与参数选择模块和结果对比模块连接，用于在参数可变范围内抽样选点，进行有限元计算，使用响应面法对计算结果进行分析得到目标函数对于各参数的敏感度与响应面结果；

22、结果对比模块，与抽样计算模块和结果输出模块连接，用于由响应面拟合出的函数关系中引入进化算法，得到优化后的帕累托解集，并根据实际情况选取所需的帕累托解；

23、结果输出模块，与结果对比模块连接，用于输出帕累托解，作为最终优化后的方案。

24、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

25、第一、本发明解决了现有的无线电能传输系统线圈优化中的这一问题：若采用直接建立数学模型的方式，则对于各种形状的线圈，其自感与互感的数学表达式难以确立；若采用完全使用有限元的方式，则计算时长过长。本发明提供了一种快捷且普遍的旋转式无线电能传输系统线圈优化方法。

26、第二，本发明与传统依靠经验进行尺寸与参数选取的方法相比，本线圈优化方法所得到的线圈优化方案具有更好的无线电能传输性能；

27、本发明与目前应用最广泛的完全使用有限元进行计算并优化的方式相比，在可变参数较多的情况下，完全使用有限元计算的方式需要使用大量组线圈有限元方案进行计算，而有限元计算耗时要远长于使用算法进行函数寻优。本线圈优化方法仅需对少量线圈方案进行有限元计算，所得结果使用响应面法拟合得到变量与响应值之间的关系，再通过进化算法进行寻优，其计算效率远高于纯有限元方法；

28、本发明与建立无线电能传输系统非线性规划数学模型并进而优化的方法相比，本方法适用范围更广并可更好用于旋转式无线电能传输系统。对于这种直接建立数学模型寻优的方法而言，线圈之间产生非轴向的位移与偏转时互感表达式难以建立，且不同线圈形状时系统数学模型也不同，数学模型无法建立，算法寻优也就无从谈起。因此使用数学模型寻优的线圈优化方法仅适用于极少数情况。本发明所提出的方法中先使用响应面法由实际的试验数据点回归拟合全局范围内参数与结果的函数关系，之后再通过进化算法进行寻优，因此更加具有普遍性。

29、第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明提高了无线电能传输系统中线圈的优化速度，尤其是旋转式无线电能传输系统或者线圈形状较为复杂的情况下。由于使用了进化算法，因此可以得到多组帕累托解，可根据需要选择所需的方案。提高了无线电能传输系统中耦合线圈优化设计的效率。节省了时间与人力成本。

30、第四，这种旋转式无线电能传输系统的线圈优化方法带来的显著的技术进步包括：

31、1.提高能量传输效率：通过优化线圈的设计和配置，可以提高系统的能量传输效率，使得更多的电能可以无线传输到接收侧。

32、2.提高系统的稳定性：优化后的线圈设计可以在旋转部件旋转半径确定的情况下，更稳定地满足接收侧的功率需求，从而提高系统的稳定性。

33、3.减少设计和优化过程的复杂度：通过使用有限元模型、响应面方法和进化算法，可以快速且准确地找到最优的线圈设计方案，大大减少了设计和优化过程的复杂度。

34、4.扩大应用范围：优化后的线圈设计使得该无线电能传输系统可以在更广泛的应用场景中使用，例如在飞机、无人机、电动汽车、工业设备等领域。

35、5.降低能源消耗和运行成本：优化后的线圈设计可以提高能量传输效率，从而降低能源消耗和运行成本，有利于推动该技术的商业应用。

36、这种线圈优化方法的应用可以显著提高旋转式无线电能传输系统的性能和效率，扩大其应用范围，降低能源消耗和运行成本，为无线电能传输技术的发展带来重大的技术进步。