一種高頻無線電能傳輸線圈阻抗仿真計算方法與流程

本發明涉及一種高頻無線電能傳輸線圈阻抗仿真計算方法，屬無線電能傳輸技術領域。

背景技術：

隨著科技的進步，應用于電磁場傳輸電能的無線電能傳輸技術(wpt)被日益關注，無線電能傳輸技術應用在電動汽車無線充/供電系統、輸配電監測終端無線供電系統，長距離山區、海島、跨河流區域輸電系統中。

無線電能傳輸系統是根據線圈電感磁場耦合的原理所實現電能傳輸技術，其中線圈是實現無線電能傳輸技術中的關鍵部分，其主要是因為無線電能傳輸效率取決于線圈的品質因數q，即與線圈的電感和電阻及施加電源的頻率相關，常通過改變線圈品質因數q的大小，使得線圈在高頻下的阻抗變小。但是交流高頻電流下，線圈阻抗由于趨膚效應和臨界效應的影響，線圈在高頻下的阻抗逐漸變大，并伴隨著電能傳輸的效率降低和線圈發熱的現象，所以應盡可能的減小高頻交流下線圈的阻抗值。

雙層導體銅包鋁線(cca)是指鋁導線外根據所需阻抗值外包鍍銅層的雙層導線。雙層導體銅包鋁線(cca)由于有較高的電能傳輸效率、較好的經濟實用性、較輕便的安裝應用，現以逐步取代純銅線(cu)。由于鋁線的電導率小于銅線，所以雙層導體銅包鋁線(cca)的直徑一般較純銅線(cu)大，但是在高頻電流下，相同截面積的雙層導體銅包鋁線(cca)的阻抗仍小于純銅線(cu)。

目前無仿真計算方法應用于高頻下雙層導體銅包鋁線(cca)的阻抗計算。

技術實現要素：

本發明的目的是，針對高頻下雙層導體銅包鋁線的阻抗計算方面存在的不足，本發明的提出一種高頻無線電能傳輸線圈阻抗仿真計算方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是，一種高頻無線電能傳輸線圈阻抗仿真計算方法，所述方法結合貝塞爾分布函數與其邊界條件，得到電場和磁場在不同導體層中的分布函數，并運用安培環路定理及坡印廷定理的基本理論，得到高頻趨膚效應下雙層導體阻抗計算表達式；結合貝塞爾分布函數與其邊界條件，可得到磁位在不同導體層中的分布函數，并運用安培環路定理及坡印廷定理的基本理論，可得到不考慮線圈形狀系數時，高頻鄰近效應下雙層導體阻抗計算表達式；在考慮線圈形狀系數時，并在趨膚效應與鄰近效應作用下雙層導體阻抗計算表達式。

根據電場強度在在多層導線中的分布，如公式(1)所示，結合貝塞爾分布函數與其邊界條件，可得到雙層導線中電場，磁場的分布如下：

其中：ez為z軸方向電場強度；r為導體半徑；ω為角頻率；μi為i層導體磁導率；μ0為空氣磁導率。

運用安培環路定理及坡印廷定理的基本理論，得到趨膚效應下雙層導體阻抗計算表達式：

其中：rs為趨膚效應下雙層導體阻抗；ω為角頻率；σ2為外部導體電導率；μ2為外部導體磁導率；μ0為空氣磁導率；r2為導體外徑；j0為0階第一類貝塞爾函數；y0為0階第二類貝塞爾函數；a2、b2為待定系數。

根據磁位在在多層導線中的分布，如下式所示，結合貝塞爾分布函數與其邊界條件，可得到磁位在不同導體層中的分布：

其中：az為磁位，r為半徑。

運用安培環路定理及坡印廷定理的基本理論，可得到不考慮線圈形狀系數時，高頻鄰近效應下雙層導體阻抗計算表達式：

其中：dp為不考慮線圈形狀系數時，鄰近效應下雙層導體阻抗；ω為角頻率；σ2為外部導體電導率；μ2為外部導體磁導率；μ0為空氣磁導率；j0為0階第一類貝塞爾函數；y0為0階第二類貝塞爾函數；j1為1階第一類貝塞爾函數；y1為1階第二類貝塞爾函數；c2、d2為待定系數。

將(2)式與(4)式結合坡印廷定理與磁場強度與產生磁場電流比例關系，可得到考慮線圈形狀系數時，并在趨膚效應與鄰近效應作用下雙層導體阻抗計算表達式：

rac＝rs+α²dp(5)

其中:rs為趨膚效應下雙層導體阻抗，dp為不考慮線圈形狀系數時，鄰近效應下雙層導體阻抗；α形狀系數。

本發明應用公式(5)，根據線圈自身形狀參數，可得到高頻無線電能傳輸線圈阻抗的仿真計算方法，為在不同的高頻應用環境中，選擇阻抗值最小的雙層導體銅包鋁線(cca)提供了可靠依據。

本發明的有益效果是，本發明應用導體線圈高頻下趨膚效應及鄰近效應，結合電磁場貝塞爾函數分布規律及多種邊界條件，分別可計算銅包鋁線在高頻作用下不同效應的阻抗，同時根據線圈自身形狀參數，得到高頻無線電能傳輸線圈阻抗的計算方法。

附圖說明

圖1本發明仿真計算方法流程圖；

圖2不同高頻下雙層導體銅包鋁線(cca)，趨膚效應阻抗曲線；

圖3不同高頻下雙層導體銅包鋁線(cca)，鄰近效應阻抗曲線；

圖4仿真計算與實際測量線圈阻抗對比曲線。

具體實施方式

如圖1所示，為本發明仿真計算方法流程圖。應用線圈阻抗仿真計算方法，包括如下步驟：

(1)仿真計算不同高頻電流下，導線半徑為2mm的5％銅包鋁線(cca)(其鋁線半徑為0.195mm，銅層厚度為0.005mm)的趨膚效應阻抗曲線，如圖2所示。

(2)仿真計算不同高頻電流下，不考慮線圈形狀參數時，導線半徑為2mm的5％銅包鋁線(cca)(其鋁線半徑為0.195mm，銅層厚度為0.005mm)的鄰近效應阻抗曲線，如圖3所示。

(3)制作半徑為20mm的線軸，將半徑為0.4mm的14線絞合電纜以10圈8層的繞線方式纏繞在線軸上，分別得到仿真計算與實際測量線圈阻抗對比曲線，如圖4所示。

本發明未詳述之處，均為本技術領域技術人員的公知技術。根據本發明得到高頻無線電能傳輸線圈阻抗的仿真計算方法，可在某一高頻電流下，選擇阻抗值最小的雙層導體銅包鋁線(cca)提供了可靠依據。