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原文传递一种基于LCL谐振拓扑的IPT系统平面线圈优化设计方法

专利名称：	一种基于LCL谐振拓扑的IPT系统平面线圈优化设计方法
摘要：	本发明公开了一种基于LCL谐振拓扑的IPT系统平面线圈优化设计方法，IPT系统中：原边为系统供电电源和轨道电缆，原边供电电源采用全桥LCL谐振拓扑结构；副边为一个或多个运行在系统供电轨道上的RGV小车，副边RGV小车电能拾取采用LC并联谐振感应取电线圈；线圈优化方法包括以下步骤：步骤1、确定系统输出功率；步骤2、计算输出效率；步骤3、确定感应取电线圈的几何尺寸；步骤4、计算感应取电线圈的自感和互感；步骤5、系统优化；步骤6、建立感应取电线圈有限元仿真模型；步骤7，结合感应取电线圈极值点的优化参数计算，以及导磁条优化设计的仿真结果，得出感应取电线圈的最优布置方式。本发明提出了基于效率最优化的多参量感应取电线圈优化设计方法，能有效提高能量传输效率。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖北;42
申请人：	湖北理工学院
发明人：	胡国珍;马学军
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910221555.1
公开号：	CN110001423A
代理机构：	湖北武汉永嘉专利代理有限公司
代理人：	刘琰
分类号：	B60L53/12(2019.01);B;B60;B60L;B60L53
申请人地址：	435003 湖北省黄石市桂林北路16号湖北理工学院
主权项：	1.一种基于LCL谐振拓扑的IPT系统平面线圈优化设计方法，其特征在于，IPT系统中：原边为系统供电电源和轨道电缆，原边供电电源采用全桥LCL谐振拓扑结构；副边为一个或多个运行在系统供电轨道上的RGV小车，副边RGV小车电能拾取采用LC并联谐振感应取电线圈；系统供电轨道与RGV小车之间通过感应取电线圈实现非接触方式获取电能；该方法包括以下步骤：步骤1、确定系统输出功率：根据RGV小车的带载要求，确定系统输出功率Pout；步骤2、计算输出效率：根据系统输出功率Pout计算系统输出效率η；步骤3、确定感应取电线圈的几何尺寸：根据应用场合，确定取感应电线圈的几何尺寸，包括长度L、线圈导线直径D、轨道间距d1以及线圈宽度d2；步骤4、计算感应取电线圈的自感和互感：根据感应取电线圈的几何尺寸计算感应取电线圈的自感和互感；步骤5、系统优化：对系统输出效率的计算公式进行求导，得到极值点的计算公式，极值点的计算公式与互感系数M、轨道内阻Rp、感应取电线圈内阻Rs以及系统开关频率ω相关；步骤6、建立感应取电线圈有限元仿真模型：在感应取电线圈中设置导磁条，以提高感应取电线圈的自感量；通过有限元分析软件建立感应取电线圈有限元仿真模型，通过对导磁条的安放顺序及其形状进行分析，得到导磁条优化设计的仿真结果；步骤7，结合感应取电线圈极值点的优化参数计算，以及导磁条优化设计的仿真结果，得出感应取电线圈的最优布置方式。 2.根据权利要求1所述的基于LCL谐振拓扑的IPT系统平面线圈优化设计方法，其特征在于，IPT系统中原边采用的全桥LCL谐振拓扑结构包括：逆变侧电感Lf1、轨道侧电感Lf2、轨道内阻Rp、原边谐振电容Cf、原边轨道等效电感Lp、轨道补偿电容Cp；其连接关系为：全桥逆变电路输出高频交流电压给LCL谐振网络，逆变侧电感Lf1与轨道侧电感Lf2串联，中间接入谐振电容Cf，通过LCL谐振网络产生高频交流电流输出到原边轨道电缆，轨道补偿电容Cp与轨道等效电感Lp串联，对轨道电感进行谐振补偿； IPT系统中副边采用的LC并联谐振感应取电结构包括：副边感应取电线圈电感Ls、副边谐振电容Cs、感应取电线圈内阻Rs、等效负载阻抗Zout；其连接关系为：副边感应取电线圈电感Ls与副边谐振电容Cs并联，形成并联谐振网络，通过线圈感应原边电能输出为负载提供能量。 3.根据权利要求1所述的基于LCL谐振拓扑的IPT系统平面线圈优化设计方法，其特征在于，该方法中输出功率的计算公式为：其中，M为线圈互感，Uin为输入电压，Zout为等效负载阻抗，Lf1为逆变侧电感，Ls为副边感应取电线圈电感，ω为系统开关频率。 4.根据权利要求3所述的基于LCL谐振拓扑的IPT系统平面线圈优化设计方法，其特征在于，该方法中输出效率的计算公式为：其中，Ls为副边感应取电线圈电感，Rp为轨道内阻，M为线圈互感，Zout为等效负载阻抗。 5.根据权利要求1所述的基于LCL谐振拓扑的IPT系统平面线圈优化设计方法，其特征在于，该方法中感应取电线圈自感的计算方法为：矩形线圈中任意一点(x，y)的磁感应强度表达式为：式中的y轴为沿轨道方向，x轴为垂直于轨道方向；电流在矩形线圈长边L的一边流动时，在矩形区域内的磁通φ11L为：同理，电流在矩形线圈宽度为d2的一边流动，在矩形区域内的磁通φ12d2为：故矩形线圈总磁通为：线圈匝与匝之间等间距为r，第j匝长度为L-2(j-1)r，宽度为d2-2(j-1)r，每匝流过的电流i相同，因此第j匝线圈自感值Ljj根据通过第j匝的磁通计算，而线圈匝与匝之间的互感值Ljk则是通过第k匝的磁通计算，其中Lkj＝Ljk，第j匝和第k匝之间的互感为：式中： j＝k时，Ljj为线圈自感，多匝线圈电感量的总和为每匝自感和匝间互感的总和，因此N匝矩形线圈自感表示为： 6.根据权利要求5所述的基于LCL谐振拓扑的IPT系统平面线圈优化设计方法，其特征在于，该方法中感应取电线圈互感的计算方法为： N匝线圈上的磁链Ψ21为轨道A和轨道B产生磁通之和，线圈与轨道间距为h；轨道穿过第j匝线圈面积的磁通为：轨道对N匝线圈上产生的磁链为：轨道与N匝线圈之间的互感M为：其中μ0＝4π×10-7H/m，表示真空磁导率，式中对数项始终为正，因此要使得互感M有实际意义，其表达式中需满足以下关系式： d2-2(j-1)(r+D)＞0 7.根据权利要求4所述的基于LCL谐振拓扑的IPT系统平面线圈优化设计方法，其特征在于，该方法中对系统输出效率的计算公式进行求导，得到极值点的计算公式为：其中，互感系数为M、轨道内阻为Rp、感应取电线圈内阻为Rs、系统开关频率为ω。
所属类别：	发明专利