無線充電系統(tǒng)的耦合機構的設計和優(yōu)化分析案例概述1.1耦合裝置設計1.1.1耦合結構的設計對于無線充電系統(tǒng)，耦合機構的合理策劃顯得極其關鍵，而至于耦合裝置，系統(tǒng)的耦合能力，它是起到直接的影響作用的。因此對于系統(tǒng)的充電效率和發(fā)熱量方面，它也會產生影響。而接收線圈，它是安置在無人機上，也正因為這樣，對于無線充電系統(tǒng)，需要思考的是，它對無人機的通信等信號處理不會產生干擾，并且，對于無人機的續(xù)航以及承重的一些最優(yōu)性能，也要進一步考慮。所以，副邊線圈的性能，原副邊耦合機構的磁路分布，無人機是極其敏感的。而從實體的無人機角度來著眼，對于裝配尺寸的限制及布置的方式，一開始，針對耦合機構的整體大小，就應該給出限制。拾取線圈，關于它的構成，主要是利茲線與磁心。因此，本課題對副邊線圈的總體尺寸大小，進行了部分約束，幾種耦合機構的整體尺寸，它們都被限制在一定大小范圍之內，接下來，對它進行COMSOL仿真，從中就可以得到部分磁場分布，也可以得到自感、互感、耦合系數(shù)等參數(shù)，選取相對較合適的線圈，由無人機的自我結構，設計很恰當?shù)鸟詈蠙C構，對于系統(tǒng)的傳能效率，它能得到大規(guī)模升高的。本次設計采取的線圈結構有三種，DD型、螺線管型以及O型。通過對它們進行比較研究，如圖3至圖5所示。1.1.2耦合結構的仿真通過對3種耦合結構的參數(shù)進行適當比較，參數(shù)有自感、互感、耦合性、磁路及抗偏移性等。在相同尺寸條件下，采用同樣的導線，可以繞制的線圈電磁場仿真結構的參數(shù)見表1。1.2螺線管型耦合線圈的優(yōu)化1.2.1耦合線圈的半徑本課題主要針對中小型的無人機進行線圈設計，工作距離為5cm至15cm，至于發(fā)射與接收線圈的匝數(shù)，都設置為10匝，并且各匝線圈距離設置為0mm，而發(fā)射線圈半徑，設置為2cm至24cm。對于無人機線圈的輕量化設計，傳輸效率與線圈重量之間的比值，將它們定義為單位重量效率，用ηg表示；但是，傳感器的小型化設計，它們間的傳輸效率與線圈半徑之比，定義為單位半徑效率，用ηr表示。得到的無人機線圈，它的半徑是10cm，而傳感器線圈，半徑數(shù)值為5cm，對于地面發(fā)射線圈，它的半徑為12cm。1.2.2耦合線圈的匝數(shù)與匝間距首先對傳感器線圈參數(shù)進行研究，將發(fā)射線圈半徑設置為10cm，匝間距設置為0，匝數(shù)為10匝；接收線圈半徑設置為5cm，匝間距設置為0到5mm，匝數(shù)設置為5到16匝，涵蓋該半徑下的所有組合。固定傳輸距離的大小，可以選擇為5cm、10cm和15cm作為參考點進行線圈效率的仿真計算。傳感器線圈的設計指標是小型化，僅與線圈半徑有關，因此選擇效率最高的三組參數(shù)進行對比，可得傳感器線圈匝數(shù)與匝間距。再對無人機線圈進行研究，將優(yōu)化后的傳感器線圈參數(shù)帶入仿真模型，將接收線圈半徑設置為5cm，匝間距設置為1mm，匝數(shù)設置為15匝；發(fā)射線圈半徑設置為10cm，匝數(shù)設置為5到16匝，匝間距設置為0到5mm。無人機線圈的設計指標是輕量化，因此對效率較高的參數(shù)進行對比，通過計算單位重量效率可得無人機線圈匝數(shù)與匝間距。最后對地面發(fā)射線圈進行研究，將接收線圈半徑設置為10cm，匝間距設置為4mm，匝數(shù)設置為7匝；發(fā)射線圈半徑設置為12cm，匝間距設置為0到5mm，匝數(shù)設置為5到16匝。選擇固定傳輸距離為5cm和10cm作為參考點進行線圈效率的計算。地面發(fā)射線圈無具體要求，因此考慮效率即可，通過對比可得具體參數(shù)。1.2.3無人機與傳感器的距離在無人機與地面發(fā)射端構成的無線電能傳輸系統(tǒng)之間，在彼此對正對情況下，進行實驗研究。仿真研究4.1耦合結構仿真4.1.1DD型耦合機構DD型線圈仿真模型D型線圈仿真磁場4.1.2O型耦合機構O型線圈仿真模型O型線圈仿真磁場4.1.3螺線管型耦合機構螺線管型仿真模型螺線管型仿真磁場在原邊線圈之間，當電流通入的是同樣的情況下，可以仿真得到螺線管型線圈磁場密度，它的峰值大小為40μT，至于O型線圈和DD型線圈，它們的數(shù)值為29μT和32μT，如圖所示。有仿真結果的數(shù)值可以看出，螺線管型線圈的磁力線約束更緊密，磁漏也是更小的，這些優(yōu)越的性能，對無人機的機載設備影響也更小。4.2耦合線圈優(yōu)化仿真4.2.1線圈半徑的優(yōu)化仿真通過對仿真的大范圍實驗，在初步情況下，可以得到接收線圈半徑為5cm到10cm間?？傻脽o人機線圈半徑為10cm，傳感器線圈半徑為5cm，地面發(fā)射線圈半徑為12cm。4.2.2線圈匝數(shù)與匝間距的優(yōu)化仿真1.）傳感器線圈傳感器線圈的設計指標是小型化，僅與線圈半徑有關，因此選擇效率最高的三組參數(shù)進行對比，可得傳感器線圈匝數(shù)與匝間距。2.）無人機線圈無人機線圈的設計指標是輕量化，因此對效率較高的參數(shù)進行對比，通過計算單位重量效率可得無人機線圈匝數(shù)與匝間距。）地面發(fā)射線圈地面發(fā)射線圈無具體要求，因此考慮效率即可，通過對比可得具體參數(shù)。線圈優(yōu)化效果仿真與實驗結果表明，線圈優(yōu)化效果明顯并且具有良好的一致性。優(yōu)化后的傳感器與無人機線圈間的效率更加平穩(wěn)，優(yōu)化后的無人機與地面發(fā)射線圈間的效率更高，優(yōu)化效果明顯。4.2.3