PDF《任意空间位置线圈的互感计算方法》

第20 卷第6期2016 年6月电机与控制学报Electric Machines and Control Vol.

20 No.

6 Jun.

2016 任意空间位置线圈的互感计算方法 谢岳, 潘伟玲 ( 中国计量大学 机电工程学院, 浙江 杭州 310018) 摘要: 磁耦合谐振式无线电能传输技术通过空间分离线圈之间的电磁耦合实现电能的无线传递, 耦合线圈尺寸的不同和相对位置的变化会引起线圈间的互感变化, 继而影响无线电能传输系统的 特性.以常见的矩形截面空心线圈为分析对象, 对任意空间位置线圈间互感的计算方法进行研究, 通过纽曼公式和细分求和法推导了互感的理论计算公式, 为静态和动态无线电能传输系统的设计 提供支持.在耦合线圈具有不同轴向距离、 径向偏距及旋转角度等空间位置情况下, 公式编程计算 和实验测量结果都具有一致性, 证明了计算方法的正确性. 关键词: 无线电能传输;

线圈互感;

任意空间相对位置;

矩形截面;

细分求和;

计算方法 DOI: 10.

15938 /j. emc. 2016. 06.

008 中图分类号: TM 153, TM

551 文献标志码: A 文章编号: 1007- 449X( 2016) 06- 0063-

05 收稿日期:

2015 -

03 -

25 基金项目: 国家自然科学基金( 51275499) 作者简介: 谢岳( 1964―) , 男, 博士, 教授, 研究方向为电力电子技术、 检测技术与自动化装置;

潘伟玲( 1991―) , 女, 硕士, 研究方向为检测技术与自动化装置. 通讯作者: 谢岳Mutual inductance calculation method of arbitrary space positioned coils XIE Yue, PAN Wei- ling ( Department of Electrical and Mechanical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China) Abstract: The magnetic coupling resonant wireless power transfer technology realizes the power transfer wirelessly by means of electromagnetic coupling between space- separated coils. The different sizes and relative position change of coupling coils may cause the mutual inductance magnitude variation, which can thereby influence the performance of wireless power transfer system. Taking the common rectangular cross section air- core coils as the analysis object, the calculation method of mutual inductance between arbitrary space positioned coils was researched and the relevant theoretical formula was derived based on Neumann equation and method of subdivision and superposition. The calculation formula can give the support to the design of both static and dynamic wireless power transfer systems. The correctness of the proposed calcu- lation method was proved by the consistency of the experimental results and the formula programming cal- culation results under the condition of different space positions such as different axial distances, radial dis- tances and rotation angles between the coupling coils. Keywords: wireless power transfer;

mutual inductance of coils;

arbitrary relative space position;

rectan- gular cross section;

method of subdivision and superposition;

calculation method

0 引言磁耦合谐振式无线电能传输系统利用空间分离 线圈之间的电磁耦合实现电能的传递, 与传统的接 触式电能传输方式相比, 这种非接触方式在空间位 置应用上具有更为灵活方便的特点.线圈间互感的 大小和变化直接影响无线电能传输系统的传输功率 及传输效率等特性 [1 -

4 ] , 研究任意空间位置线圈间 的互感随线圈相对位置变动而变化的规律, 对发射 端初级线圈及接收端次级线圈的设计以及动态和静 态无线电能传输有效范围的确定等具有重要的意 义.线圈间的互感可以采用手册查表方式或有限元 法等纯数值算法来计算, 但这些方法首先需要确定 模型参数, 因此难以分析空间位置变化时互感的变 化规律, 并且会耗费大量的人力及计算机资源 [5 ] . 目前国内外关于不同条件下空心线圈间互感的解析 公式主要是在磁矢势基础上推导得到或者直接利用 纽曼公式进行分析, 文献[