基于互感稳定性提升的电动汽车无线充电研究

针对采用磁耦合谐振式无线电能传输技术的动态电动汽车无线充电过程中,汽车底部的能量接收线圈在直线行驶和转弯过程中发生的互感跌落、互感波动率增大的问题,提出一种源自BP(Bipolar Pad)线圈结构的改良式接收线圈,从而达到平稳接收互感,增强无线传输过程中稳定性的目的。该改良式线圈通过双线圈分别贴合轨道内外径的方式解决了传统BP线圈因解耦而造成的正对耦合有效面积的减少,并利用Ansys/Maxwell软件进行仿真寻优,得到补偿线圈的合理设计位置及相对大小。实验数据表明,无论在汽车转弯还是直线行驶过程中,新型接收线圈均可以在一定程度上抑制互感波动,增强接收互感数值。互感波动率优化峰值为5.1%,互感接收情况较传统BP线圈最大提升28.7%。

电动汽车无线充电系统中弯道互感优化研究

针对采用感应耦合电能传输技术的电动汽车无线充电过程中,汽车内部的能量拾取线圈在转弯过程中互感下降问题,提出使用内嵌入圆形线圈进行补偿,并通过遗传算法、理论推导和仿真验证,得到了补偿线圈最优化匝数和统一规格参数。通过搭建COMSOL Multiphysics平台、MATLAB/Simulink平台结合的仿真平台和实物实验平台,实验数据证实:在转弯时采用内嵌圆形线圈进行补偿,优化补偿后互感波动保持在±0.4%左右,由于互感波动的平稳,使得电动汽车能量拾取系统电压优化补偿后波动为3.6%。

无线电能传输带凸字环形有界磁屏蔽任意位置圆形线圈互感计算方法

互感是无线电能传输系统中的重要参数之一,精确计算互感可为无线电能传输设计及优化提供理论依据,然而目前带凸字环形有界磁屏蔽任意位置圆形线圈互感计算问题还未解决。该文提出空间边界矢量解析法对互感进行精确求解。此方法通过边界条件求解各区域磁矢势,利用空间矢量坐标变换法,结合诺依曼公式得到任意位置互感计算表达式。通过仿真和实验对所提公式的有效性进行验证,互感计算值和实验值之间误差最大为2.86%。互感计算值、仿真值和实验值吻合良好,验证了所提计算方法的正确性。该文所提模型结构,可为水下供电提供更灵活的布局,且在同等规格下,该模型结构相比传统圆盘形结构节省19.6%的材料,其除高角度偏转外互感可达到圆盘形互感的99%。

磁耦合式井下随钻数据传输系统设计

针对煤矿井下普通钻机作业时,不能实时掌握钻杆运动轨迹造成钻孔作业效率低、钻杆偏离预定轨迹等问题,设计了适用于煤矿井下的磁耦合式随钻数据传输系统,用于实时获取钻杆运动轨迹等信息。系统包括信号的调制和解调模块、中继模块以及互感线圈,采用二进制移频键控(2FSK)原理设计调制和解调电路,根据电磁线圈互感原理和电路模型分析,设定传输系统谐振频率。传输系统的谐振频率设定在两种调制频率的中心时,数据传输更加稳定可靠,满足了井下长距离随钻数据传输的需要。

电动汽车动态无线充电系统弯道互感跌落研究及改进

针对目前电动汽车动态无线充电系统的发射线圈多采用分段导轨结构实现接力式动态无线充电,但系统在导轨切换处存在较大的互感跌落导致系统传输效率降低且在弯道处更加突出这一问题,建立弯道动态无线充电模型,通过理论分析推导原、副线圈互感与偏转角度的关系,提出1种弯道处导轨发射线圈的改进结构并进行仿真分析,搭建基于共振磁耦合的弯道动态无线充电平台并进行实验。仿真与实验结果表明,采用改进型导轨发射线圈结构后无线充电系统互感跌落现象显著减小,在偏移角度最大处系统传输效率提升了8.66%,验证了改进型线圈结构的有效性。

平行共轴圆线圈互感系数的测量与计算

利用诺依曼公式和数值积分软件,计算出两平行共轴矩形截面圆线圈的互感系数,同时分别利用电感仪表、伏安法和电磁感应法对互感系数进行测量。实验测量值与理论计算值之间的相对误差均低于5%,实验与理论计算相互验证,得到互感系数和耦合系数随两线圈之间距离的变化曲线,从而对设计互感线圈提供理论参考。

电动自行车无线充电线圈特性对充电效率的影响

探究节能减排的大环境下,电动自行车充电有线、无线方式的特点。介绍电动自行车的无线充电原理,分析线圈特性在无线充电系统的影响。基于COMSOLMultiphysics软件平台,对无线充电系统进行仿真,并着重分析系统中线圈的部分特性。仿真系统着重针对线圈的形状、轴向距离、水平偏移特性,以线圈互感为切入点进行仿真分析,并将数据整理成图表,直观的表现出线圈特性对无线充电系统充电效率的影响。系统根据实际应用场景可能出现的情况进行仿真,由仿真结果可知,无线充电系统中的线圈特性对整个系统的电能传输效率有着极其重要的影响,因此,优化设计无线充电系统中的线圈,可以有效的提升无线充电效率。

小回线瞬变电磁探测线圈的耦合影响因素分析

为减小浅层探测盲区,研究了小回线瞬变电磁探测线圈的主要参数对发射、探测线圈之间的耦合效果和自感的影响规律。构建了不同的探测线圈模型,对导线半径、绝缘层厚度、线圈半径、匝数、相对位置等关键参数进行扫描,获取了参数变化时互感和自感的情况。通过对仿真数据的分析,发现增加导线半径和绝缘层厚度可以在几乎不影响互感的同时有效降低自感,线圈半径、匝数的增大则会使自感、互感急剧上升;将发射线圈和探测线圈调整至合适的相对位置可以使互感趋近于零。该研究可为设计低自感线圈、实现弱耦合提供技术参考。

无线电能传输系统中组合串绕六边形线圈的互感建模及参数优化

耦合机构是实现无线电能传输(WPT)系统高效可靠运行的核心部件,其高抗偏移性能是推动WPT技术应用与发展亟待解决的关键问题。传统耦合机构采用单一绕制线圈来适应不同的场景需求,存在抗偏移性能差、优化过程繁琐及不具普适性等特点。为此,该文结合紧密绕制线圈和松散绕制线圈各自磁感应强度的分布特点,提出一种组合串绕六边形线圈耦合机构的设计思路。在此基础上,运用电磁理论建立了所提耦合机构的互感和自感模型。以耦合机构的耦合系数为优化目标,以线圈自感和内外径、匝数、匝间距为其约束条件,运用遗传算法实现了线圈参数的自适应寻优。最后,搭建100W的实验样机验证了所提耦合机构及其参数优化方法的有效性。结果表明,耦合机构优化后其耦合系数和抗偏移性能都得以改善,提升了WPT系统的传输效率。

感应无线供电系统的线圈自定位方法研究

感应无线供电技术是解决植入式医疗器械等移动设备灵活用电的有效途径之一,而实际应用中发射与接收线圈之间的相对位置由于难以精确对准,导致系统传输功率和传输效率下降,给系统的高效运行带来不利影响。为此,该文提出一种基于互感参数辨识的感应无线供电系统线圈自定位方法。该方法无需借助额外的辅助线圈和定位传感器,通过推导互感与线圈位置之间的数学解析式,并结合位置扰动下的互感变化,求解出发射线圈的三维空间坐标,实现感应无线供电系统发射线圈和接收线圈之间的自主定位。以S-S拓扑的感应无线供电系统搭建电路并进行实验验证,结果表明,该方法能够实现发射线圈与接收线圈之间的有效准确定位且定位精度和耦合线圈尺寸(直径)无关,定位精度达到1mm以内,可满足实际应用的需求。

半航空频率域电磁探测三分量线圈传感器设计

半航空频率域电磁探测方法(semi-airborne frequency domain electromagnetic method,简称SAFEM)通常借助水平线圈传感器观测垂直分量磁场信号.然而,在实际探测过程中,观测单一分量磁场信号不仅缺失水平分量磁场信息,并且在磁场响应畸变区域难以校正,造成视电阻率解释结果精度低、误差大等问题.为此,本文设计并研制了一种能够用于SAFEM探测的三分量空心线圈传感器,采用三组相互垂直的接收线圈分别接收三个分量的磁场信号.首先,为满足旋翼机载重要求,设计0.5 m直径的小尺寸圆形线圈用于接收垂直方向磁场,两个0.01 m边长的方形线圈用于接收水平方向磁场,并对三组线圈的互耦情况进行分析,确定了线圈的最佳相对位置.其次,针对线圈传感器的物理结构特点,综合线圈的寄生电阻、电感和电容值大小的分析结果,确定最终的物理结构参数.进一步地,通过分析不同阻尼状态下的传感器及前置放大电路的频率响应特性,确定了最佳的阻尼系数调节范围.在此基础上,设计了带有阻尼状态调节的低噪声差分前置放大器电路作为SAFEM信号调理模块.最后,开展屏蔽室测试实验和野外探测实验验证三分量线圈传感器的可靠性.屏蔽室内对比测试结果表明,小尺寸的三分量线圈传感器带宽能够满足探测需求,能够提供与商用传感器相当的灵敏度和测量准确性.在野外探测实验中,使用该三分量线圈传感器获得了实验场地的三分量磁场响应信号,进一步证明了该三分量传感器的有效性.

瞬变电磁共中心零磁通线圈研制与试验

基于小尺度共中心线圈的瞬变电磁方法因施工便捷、快速且对低阻体敏感等优点,而被广泛应用于矿山、交通、水利等领域的工程地质探测。但理论与实践表明,该方法实测早延时信号明显失真,所计算的视电阻率值严重偏离实际,从而造成该方法对浅层地电信息的探测能力缺失,存在勘探盲区。为克服该技术缺陷,首先重建了共中心观测方式下仪器记录的瞬变场信号,基于理论分析研究了接收系统暂态过程和一次场对瞬变场观测信号的影响特征。结果表明,接收系统暂态过程和一次场是引起早延时数据失真的2个原因;与前者相比,后者对瞬变场有效分辨时间滞后的影响更大,为关键因素。同时指出在调制接收系统阻尼匹配情况下,进一步消除一次场干扰是减小勘探盲区的有效途径。基于此,考虑到发射线圈内、外磁场极性相反的特点,建立了共中心零磁通线圈的绕制方法,明确采用内、外接收线圈串联的方式可实现接收线圈内一次场总磁通量趋向于零(即零磁通);并通过公式推导,给出了内、外接收线圈匝数比的理论计算方法。现场试验结果表明:(1)内、外接收线圈匝数比的理论值较为可靠,但因线圈绕制存在误差,实际中还需结合线圈实测信号特征进行修正;(2)与中心线圈相比,所绕制的零磁通线圈受一次场干扰明显减小,瞬变场有效分辨时间大幅前移,早延时信号得到高度保真;在此基础上,通过增加内、外接收线圈匝数,可有效改善晚延时数据信噪比;(3)与中心线圈相比,零磁通线圈实测数据对试验区浅层地电信息的分辨能力明显增强,较好地解决了瞬变电磁方法存在浅层勘探盲区的技术难题,体现了零磁通线圈的可靠性和优越性,可为实际探测提供装备支撑。

集磁器对电磁成形驱动线圈发热影响及机理

在电磁成形的过程中,驱动线圈的发热是影响线圈使用寿命和放电频次的关键因素;集磁器作为一种常用的电磁成形辅助工具,目前被广泛用于改善电磁场的分布,提高工件的成形质量。然而,集磁器的引入也会影响等效电路中的等效电感参数,从而改变线圈中的电流,进而影响线圈的发热。故该文提出使用集磁器作为降低管件电磁胀形中驱动线圈发热的措施;通过理论分析和仿真模拟分析了有/无集磁器的两种方案中线圈的发热和管件的成形效果变化,以及集磁器上的温度变化。结果表明,在内径49.6mm、外径68mm、4×10匝的线圈胀形过程中,通过引入集磁器辅助,在放电电压为10.5kV时,线圈上的焦耳热减少了12.32%,最高温度降低了3.42℃,工件的最大成形深度提升至约为原来的2.76倍;进一步的分析则表明,集磁器的引入降低了等效电路中的电感和电压,使得线圈电流具有更陡的下降沿,衰减速度变快的同时减小了电流峰值,从而让线圈的热量损耗更小。该方法成本较低,容易实现,且对于线圈发热问题具有明显的优化效果,对提高电磁成驱动线圈的使用寿命和放电频次具有重要意义。

无线电能传输抗偏移线圈的设计方法

无线电能传输技术具有灵活性高、安全、美观等优点,因而受到广泛关注和研究。传统线圈由于磁场分布不均匀,导致接收端在发生偏移时,互感系数发生变化,进而影响系统稳定性。针对上述问题,提出一种利用穷举推导抗偏移线圈参数的方法。该方法首先根据所需发射和接收线圈尺寸、线圈气隙,穷举出不同匝数和匝距的发射线圈。然后利用互感公式计算线圈发生偏移过程中的互感数值,并判断线圈发生偏移时互感是否稳定,最后通过筛选可以得到所需线圈的绕制参数。利用所提方法推导抗偏移线圈,计算时间较短,设计精度较高。通过实验验证,证明了所提方法的有效性。

磁共振模式无线电能传输系统建模与分析

针对磁共振模式无线电能传输系统功率和效率计算问题,利用互感耦合模型,对磁共振模式电能传输系统的4种拓扑进行分析,得出了系统的传输功率及其计算模型,并进一步分析了系统传输效率与线圈谐振频率、互感系数、线圈内阻等参数之间的关系,为磁共振模式无线电能传输系统的设计及参数优化提供了理论依据。为验证理论分析的正确性,制作了一个磁共振模式无线电能传输装置,该装置实现了80 cm内60 W的无线能量传输,且传输效率达到了52%。

离散电流对精密线圈磁场影响的研究

研究了通常用电流片模型来近似计算线圈磁场时被忽略的由于导线电流的离散而引起的附加磁场的变化规律,指出此种附加磁场会随着离开导线距离的增加而迅速衰减。此结论可用于指导精度要求较高的线圈磁场系统的设计,如用于质子回旋磁比γp′测量的高精度亥姆霍兹线圈的设计和用于普朗克常数h测量的焦耳天平系统中的精密互感线圈的设计等。

计及互感参数的串联-并联型无线电能系统传输特性

无线电能传输系统中能量收发线圈的位置变化直接影响系统的传输特性。本文建立串联-并联(SP)型电磁耦合谐振式无线电能传输系统平台,从电磁场角度出发,分析线圈空间位置与传输系统电感参数的关系,并推导计及线圈空间位置的电感参数计算方法以研究系统的传输特性。通过仿真模拟线圈位移、偏转等条件下系统的运行情况,归纳互感参数与系统传输功率/效率的变化规律和内在联系。搭建实验平台,通过对比实验数据和仿真结果,验证了所提方法的正确性,为无线输电的优化设计提供参考。

无线电能传输系统的线圈参数及耦合系数研究

磁耦合谐振无线电能传输影响系统耦合系数的主要因素是线圈参数。对于空间两线圈的互感模型,由诺依曼理论推导出发射、接收线圈间的互感系数表达式;通过建立有限元仿真模型对收发线圈进行电磁场仿真计算,针对线圈结构进行优化设计,进一步分析载流线圈的绕制结构、尺寸参数、空间位置等因素对互感耦合系数的影响。采用层绕式螺旋管结构线圈能提高传输系统耦合效率,增大发射线圈尺寸使其大于接收线圈尺寸有利于提高耦合性能。

提高Rogowski线圈互换性的新方法

Rogowski线圈电流传感器在电力系统获得了越来越广泛的应用。为了研究Rogowski线圈的互换性,采用直接测量法对制作的Rogowski线圈的互感进行了测量,比较了各种不同条件下的测量结果。测量结果表明Rogowski线圈互感在不同条件下具有较大的分散性,应在实际应用中进行标定;Rogowski线圈互感的偏差受制造工艺水平影响很大,因此互换性较差。为解决这些问题,提出一种将可调电阻作为线圈的负荷电阻安装在线圈本体上的方法,可调电阻为线圈输出提供无源补偿,便于制造具有一致输入输出特性的标准化线圈,提高了线圈的互换性,避免了更换线圈后对整个系统进行重新校准。最后分析了这种补偿方式带来的误差,结果表明它具有很好的性能。

无线供电线状LED旋转灯的研制

从降低LED显示系统的功耗出发,研制了一款基于电磁感应原理、由互感线圈无线供电的低功耗LED旋转灯。该旋转灯由3 V直流电源向直流电机和无线模块XKT-510供电;电机带动互感线圈的次级线圈转动,切割由XKT-510供电的初级线圈的磁场;次级线圈产生的感应电流经过整流、滤波和稳压后,向显示单元和主控单元供电。为了保证系统的稳定性,详细阐述了互感线圈的参数计算方法、整流二极管的参数计算方法和旋转灯系统的配重设计方案。设计了以STC15L2K08S2为主控芯片、由56个线状LED点阵排列显示的硬件电路,并给出了包括主控驱动电路、无线供电电路、AC-DC转换电路、恒流供电电路以及记录LED旋转圈数的起点检测电路的设计方案。经测试,该旋转灯的电源输出功率为0.024 W。利用T法检测该旋转灯的转速,所得最大相对误差为0.032%。测试结果表明,系统的稳定性较好、功耗较低。该旋转灯具有结构简单、经济实用的特点。它的成功研制对大型LED显示屏的实际应用有一定的指导意义,对利用LED进行其他非旋转显示控制也具有一定的理论参考价值。