LCC-S型无线电能传输系统的磁耦合机构参数多目标优化技术

为了解决MC-WPT系统中磁耦合机构参数设计缺乏系统性的优化方法问题,以2个平面螺旋线圈构成的电磁耦合机构作为研究及优化对象,针对LCC-S型WPT系统,提出一种磁耦合机构参数多目标优化方法。以线圈半径、传输距离和线圈匝数3个耦合机构几何参数作为决策变量,以系统传输效率、传输功率与总谐波畸变率为目标函数,利用基于带精英策略的非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)对MC-WPT系统进行优化,得到了3个目标函数的Pareto解集。最后,将优化后的参数带入MATLAB/Simulink仿真模型中对系统进行仿真,并搭建了一套实验装置进行实验验证,仿真和实验结果证明了提出的多目标优化方法的可行性和有效性。研究提出的MC-WPT系统磁耦合机构参数多目标优化方法能够为MC-WPT系统耦合机构参数的设计提供理论性指导。

油田井下WPT系统磁耦合机构优化设计

为优化油田井下无线电能传输系统磁耦合机构,提出一种改进型螺线管型磁耦合机构,采用Maxwell电磁场仿真工具提出一种优化设计方法,并通过研究LCC-S高阶补偿拓扑的特性得到了LCC-S的补偿设计公式和主要电路特性,最后使用PSIM(Power Simulation)仿真软件通过闭环PI(Proportion Integration)控制验证了提出的耦合结构和补偿拓扑的设计可行性和正确性,结果表明,该磁耦合机构适合油井下供电场景。

无线电能传输平板型磁耦合机构电感解析建模方法

在无线电能传输系统中,磁耦合机构的设计优化对整个系统的性能至关重要。当前这一过程优化往往依赖于有限元仿真和经验优化,其仿真计算速度较慢,严重限制了优化效率。而现有的电感解析计算公式无法求解含有限大磁体的磁耦合机构电感。针对工程中大量采用的含有磁芯的磁耦合机构电感难以快速计算的问题,该文提出一种典型平板式磁耦合机构电感解析建模方法。该方法基于磁路分析、磁阻建模、参数定标与修正等,实现了磁耦合机构由几何参数到电感参数的快速映射。与有限元仿真相比,提出的解析模型提升了求解磁耦合机构电感的计算速度及磁耦合机构的优化效率。通过有限元仿真及实验,验证了该解析建模方法的精度和速度。

面向无线充电系统的磁耦合机构热特性研究

磁耦合机构作为无线充电系统能量传输的核心部件,其中线圈与磁芯的损耗引起温度升高,进而累积温升影响系统的安全性与可靠性。本文提出一套用于磁耦合机构热场建模与特性分析方法。首先,对DD型磁耦合机构进行建模,计算磁耦合机构中的热损耗。其次,分析传热方式并且推导建模所需的热参数。最后,使用Icepak软件对磁耦合机构展开磁热联合仿真,获得其在不同散热条件下温度特性。结果表明,磁热联合仿真可以预测稳态时磁耦合机构的温度。

基于DQD型磁耦合机构的AGV抗偏移无线电能传输系统

针对自动引导车(AGV)在进行无线电能传输(WPT)的过程中由于线圈偏移导致耦合系数波动以及传统磁耦合机构成本、重量高的问题,提出一种基于DQD型磁耦合机构的WPT系统。首先通过Maxwell有限元仿真软件对DQD型磁耦合机构进行了建模分析,验证了所提磁芯层结构能够较大程度地节省磁芯用量,同时保留原本的耦合系数。其次,推导了基于LCC-S补偿拓扑的WPT系统输出特性,验证了优化抗偏移性能的必要性。最后,搭建了实验平台,实测与仿真结果基本一致,证明了DQD型磁耦合机构具备良好的抗偏移性能,验证了所提方案的可行性。

水下旋转式磁耦合机构谐振参数匹配方法

无线电能传输(WPT)技术因其采用非接触式能量传递形式,将有望解决自主水下航行器(AUV)直接插拔式充电过程中存在的漏水漏电等问题。但作为核心部件的松耦合变压器(LCT),其水下气隙中的相对介电常数增加导致分布电容增大,采用常规空气中谐振匹配方法会造成系统失谐,影响WPT系统传输性能。因此在建模过程中引入了分布电容,重点研究其对水下WPT系统传输特性及稳定性的影响,给出了适用于水下的谐振参数匹配原则。最后搭建了一套WPT系统实验平台,实验结果验证了理论分析的正确性,具有一定的工程应用价值。

基于输出能效特性的IPT系统磁耦合机构设计

建立磁耦合机构与系统电气参数的函数模型,以能效特性作为主要目标,以磁耦合机构的结构特性及频率特性作为约束条件,提出一种具有普遍适用性的磁耦合机构设计流程。并以该文所提出的一种新型磁耦合机构为例,通过线圈组合的方式,配置相应的磁心结构,在保证能量传输距离的前提下,有效增加了系统的可充电区域。借助有限元电磁仿真平台得到相应数据及实验测量数据,证明了流程的合理性。

基于NSGA-Ⅱ算法的无线充电系统磁耦合机构多目标优化

针对当前磁耦合机构多目标优化计算量大、计算时间长等问题,本文提出了基于解析表达式和NSGA-Ⅱ算法的多目标优化方法。首先推导了磁耦合机构电气参数和性能参数的解析表达式。在此基础上,以磁耦合机构的尺寸、匝数、匝间距为变量,以传输功率、器件电气应力、绕线可行性为约束条件,以传输效率和功率密度为优化目标,建立了磁耦合机构多目标优化的数学模型。然后,采用NSGA-Ⅱ算法对该数学模型进行求解,得到了一组Pareto最优解集,通过分析各个目标函数的权重,在最优解集中选择一组参数用于设计参考。该设计方法不需要反复的有限元仿真计算,大大减少了计算时间,优化结果证明了该方法的有效性。

电动汽车无线充电用磁耦合机构研究进展

发展电动汽车是节能、环保和低碳经济的需求,而无线充电技术以其安全、便捷和低维护的优点,越来越受到学术界和工业界关注,是未来电动汽车供电技术的发展趋势。磁耦合机构是无线充电系统中实现电能无线传输最为关键的部件。文章介绍了近几年来国际上电动汽车无线充电系统开发及其磁耦合机构研发的最新研究进展,包括电动汽车无线充电实用化和产业化的最新进展,最后讨论和总结了磁耦合机构研究的难点和发展趋势。

电动汽车动态无线供电磁耦合机构研究综述

电动汽车无线供电技术有效提升了充电的便捷性和安全性,动态无线供电技术实现了电动汽车的“边跑边充”,实时补充电能解决了续航里程焦虑,进而也可以降低车载电池的容量。磁耦合机构是动态无线供电系统中实现能量无线传输的关键部件,直接决定了系统的传输特性,是研究人员关注的重点。该文首先对电动汽车动态无线供电系统发展历程进行了介绍;之后结合磁耦合机构的分类对目前主要研究的结构类型特点进行了分析,并对当前磁耦合机构主要研究的关键问题和现状进行了详细介绍;最后,对磁耦合机构需要在未来进行研究的关键问题进行了讨论。

无线充电式分拣机器人的磁耦合机构设计

针对传统物流行业分拣物品效率低,存在一定安全隐患等问题,提出了一种直线型Halbach阵列线圈结构,并对其进行了结构优化,设计出一种Halbach阵列线圈,并将其应用于无线充电式分拣机器人系统。该线圈能有效提高线圈间的电能传输效率。首先,建立了无线电能传输(WPT)磁耦合机构数学的模型,分析了传输效率与接收端线圈接收的磁感应强度、磁通量以及电压的关系;然后,通过COMSOL有限元仿真软件搭建了不同的磁耦合线圈结构模型,比较分析了磁耦合线圈结构的改变对线圈参数的影响;最后,搭建了系统试验平台,对磁耦合机构的优化方案进行了验证。试验结果表明:所设计的Halbach阵列线圈结构传输效率更高,更适合对分拣器机人进行无线充电。

正交试验法优化叠层线圈式磁耦合机构参数

无线充电系统(wireless charging system,WCS)可以提升充电装置的便捷性与安全性。针对快速且准确地优化设计叠层线圈式磁耦合机构(solenoid and double D pads,SDDP)参数问题,采用正交试验法及磁场仿真软件,研究了正交试验法优化叠层线圈式磁耦合机构参数的效果,给出了优化过程及磁耦合机构优化后的仿真结果分析。结果表明,采用正交试验法对叠层线圈式磁耦合机构的匝数配比进行优化设计,所需仿真次数由256次减少至16次,节省了时间与人力成本,且优化后机构具有良好的抗偏移性能:沿x方向单轴偏移180 mm过程中,互感波动范围为-20%~10%,沿y方向单轴偏移120 mm过程中,互感波动范围为-20.4%~18.9%。

无线电能传输系统中铁磁性金属异物对DD/BP磁耦合机构的影响研究

铁磁性金属异物是无线电能传输系统在实际运行中常见的干扰物之一,其通过影响磁耦合机构的电气参数间接影响无线电能传输系统的输出特性。DD/BP结构作为电动汽车无线电能传输系统最常见的磁耦合机构类型,本文将以其为例通过磁场模型分析铁磁性金属异物对DD/BP磁耦合机构的线圈自感和线圈间互感的影响,通过磁理论的分析说明不同位置的铁磁性金属异物对DD/BP磁耦合机构的影响,借助Maxwell构建DD/BP磁耦合机构电磁仿真模型,在模型中不同垂直位置和水平位置加入铁磁性金属,来证实理论推导的正确性。仿真结果表明铁磁性金属异物处于DD/BP线圈两侧时会增大线圈自感和线圈间互感,而处于两D线圈交界处时会增大线圈自感并减小线圈间互感;在垂直方向上铁磁性金属异物越靠近线圈对相应线圈的自感的影响越大,越靠近任意线圈对线圈间的互感影响越大。

无线电能传输磁耦合机构磁心解析模型与设计方法

本文研究含平板型磁心的磁耦合机构磁心厚度对电感的影响,建立磁心厚度对电感影响的解析模型。基于作者团队在前期研究中的等效磁路划分与磁阻计算,本文给出磁心磁阻的计算公式,对比之前不考虑磁心磁阻的磁路模型,给出新的考虑磁心磁阻的磁路,得到磁心厚度对电感的解析模型。结合线圈电流计算磁心临界饱和的厚度,给出磁心厚度设计下限。有限元仿真研究表明,本文提出的模型与有限元仿真结果吻合。根据该模型结合双LCC电路拓扑进行优化设计,最终制作出一台3.3kW的无线电能传输样机,其传输功率和效率均满足设计要求,验证了该设计优化方法的正确性和适用性。

基于恒定互感的MCR-WPT系统高偏移容忍度磁耦合机构设计与优化

在磁耦合谐振式无线电能传输系统中,针对线圈间水平方向偏移时互感骤降而导致的系统运行稳定性问题,本文设计了一种具有高偏移容忍度的对称反向串联线圈(symmetrical reverse series coil,SRSC)磁耦合机构。SRSC结构的接收线圈采用两个同心圆形线圈反向串联连接,在没有额外增加任何谐振补偿网络和辅助控制装置的情况下,能够大幅度提高系统在任意水平方向上的偏移容忍度。本文首先提出一种空心圆形线圈在偏移工况下的互感计算方法,然后分析SRSC磁耦合机构的结构特性和互感特性,并提出一种基于恒定互感的磁耦合机构优化设计方法。仿真和实验结果验证了理论计算分析的正确性,SRSC结构能够有效解决无线电能传输系统线圈水平方向偏移的互感剧烈波动问题,使系统在发射线圈外径50%偏移范围内仍能保持高效运行,提升了系统的稳定性。

无线充电系统磁环条幅型磁耦合机构研究与优化

无线电能传输技术因其采用非物理接触式能量传递方式,可有效解决传统插拔式用电设备传能过程中存在的磨损、漏电等诸多问题。鉴于此,提出一种新型副边磁环条幅型松耦合变压器(LCT)结构,该结构可有效降低机器人负重,进而提高其机动性与续航能力。为获取LCT最优性能,首先引入效能积作为衡量系统综合效能指标;其次,通过电磁仿真软件对新型磁环条幅型磁芯结构进行对比分析,仿真结果表明该磁芯结构具有良好的聚磁性能,可有效提升LCT耦合系数;最后搭建一套基于所提出的新型LCT结构的实验平台,验证了理论分析的有效性,具有一定的工程应用价值。

约束型粒子群的LCC/S磁谐振耦合机构参数优化算法

针对移动监测型传感器种类不同且位置可变的特性,确定LCC/S磁谐振耦合机构工作模式。由于该型无线电能传输系统谐振补偿拓扑参数配置困难,使得系统难以同时兼顾输出效率与输出功率,提出一种以系统传输效率为目标函数,以传感器移动范围内所需功率为限制条件的约束模型;然后引入罚函数将约束模型转化为无约束模型,通过粒子群算法进行参数优化,使得系统在满足传感器所需功率的同时传输效率最大化。最后通过仿真验证了所提优化方法的有效性。

电动汽车无线充电新型DD耦合机构设计与优化

基于磁耦合谐振式无线能量传输技术,文中设计一种新型DD线圈结构用于电磁耦合谐振式无线充电系统。通过分析无线充电耦合机构数学模型,确定传输效率与频率、互感、等效负载以及原副边绕组的电阻之间的关系。通过搭建不同的磁耦合线圈结构的ANSYS仿真模型,比较磁耦合线圈结构的改变对线圈参数的影响,确立优化方向。最后搭建系统实验平台对磁耦合机构的优化方案进行验证。在线圈偏移量和输入功率变化的情况下,磁耦合机构效率能够保持在95%左右,实验结果与仿真分析结果一致。

电动汽车无线电能传输系统建模与电磁安全评估

从线圈结构和双边LCC补偿拓扑两方面开展无线电能传输系统的优化设计,以实现指定的输出功率和最高的传输效率。为研究无线充电环境中电磁场对人体的影响,通过三维电磁场仿真软件构建了一个完整的电磁环境仿真系统,包含无线充电系统、电动汽车和具有重要器官的人体模型。模拟了7个场景:成人站立于车后方;成人坐于车内左前、右前、左后和右后方;成人躺卧于车后方;儿童躺卧于车后方(最坏情况)。仿真结果表明,对于22 k W的高功率无线充电环境,躺姿势儿童的心肺和躺姿势成人的心脏超出国际非电离辐射防护委员会规定的感应电场基本限值。由于车辆外壳的屏蔽和人体与利兹线的距离,坐在车内和站立于车后的场景对人们是安全的。

结合磁集成与交错并联技术的无线充电系统

稳定的输出特性、较高的系统效率及集成度对于无线充电系统具有重要意义。针对这些需求,首先将两相交错并联的Buck变换器引入无线充电系统,结合闭环控制策略,通过调节Buck占空比实现恒压/恒流输出。交错并联变换器可以有效降低器件应力、损耗、及输出电流纹波,提高效率并延长用电器寿命。此外,利用磁集成技术可将系统中的功率电感与磁耦合机构进行集成。在不影响功率传输的前提下,利用耦合机构内部空间将LCC补偿拓扑电感、交错并联变换器中的滤波电感分别与发射线圈、接收线圈集成,提高系统的集成度。最后,基于67.2 V/8 A的实验平台实现了恒压/恒流充电,证明了系统可行性。