(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210851659.2 (22)申请日 2022.07.20 (71)申请人 广西电网有限责任公司电力科 学研 究院 地址 530023 广西壮 族自治区南宁市 兴宁 区民主路6 -2号 (72)发明人 龚文兰　吴晓锐　肖静　韩帅　 周柯　陈绍南　吴宁　卓浩泽　 高立克　陈卫东　莫宇鸿　姚友素　 郭敏　郭小璇　姚知洋　 (74)专利代理 机构 南宁东智知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 45117 专利代理师 黎华艳 (51)Int.Cl. H02J 50/10(2016.01)H02J 50/40(2016.01) H02J 50/70(2016.01) H02J 50/90(2016.01) H01F 38/14(2006.01) G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种基于电感解耦的三线圈耦合机构多参 数优化方法 (57)摘要 本发明属于无线电能传输技术领域， 具体涉 及一种基于电感解耦的三线圈耦合机构多参数 优化方法， 包括两大环节， 即磁场仿真环节和数 值计算及择优环节。 磁场仿真环节需要分别搭建 磁场仿真模型， 依次扫描线圈尺寸参数， 得到不 同线圈尺 寸下的相关参数， 该环节 不考虑线圈匝 数的影响， 线圈匝数均为1。 数值计算及择优环节 根据磁场仿真环节得到的相关参数计算得到不 同尺寸、 不同匝数时三线圈耦 合机构最重要的三 个参数， 然后根据目标函数和约束条件进行择 优， 最终得到全局最优的三线圈耦合机构。 本发 明优化参数全面， 优化结果全局最优； 对各方向 偏移均不敏感， 抗偏移性能突出， 线圈传输效率 高； 优化效率高， 优化时间短。 权利要求书4页 说明书12页 附图5页 CN 115085396 A 2022.09.20 CN 115085396 A 1.一种基于电感解耦的三线圈耦合机构多参数优化方法， 其特征在于， 包括磁场仿真 环节和数值计算及择优环 节； 所述磁场仿真环 节包括以下步骤： 步骤1： 确定三线圈耦合机构磁芯尺寸、 传输距离、 X、 Y和Z轴方向的最大偏移距离、 线圈 尺寸变化范围、 线圈尺 寸扫描步长、 线圈匝数变化范围、 最大耦合下降系数σmax、 正对情况下 三线圈耦合机构的最小互感Ma_min； 所述三线圈耦合机构包括线圈1、 线圈2、 线圈3， 所述线圈2和线圈1绕向相反， 两者共轴 排布， 串联 连接， 共同构成原边耦合机构； 所述线圈3位于副边耦合机构； 线圈1内半径和外半径的取值范 围分别为[ri1min,ri1max]和[ro1min,ro1max]， 线圈2内半径 和外半径的取值范围分别为[ri2min,ri2max]和[ro2min,ro2max]， 线圈3内半径和外半径的取值范 围分别为[ri3min,ri3max]和[ro3min,ro3max]； 其中， 线圈3 外半径保持不变， 始终取最大值ro3max； 线圈1、 2、 3内半径的扫描点数分别为a1、 a2、 a3， 线圈1、 2、 3内半径的扫描步长分别为Δ ri1、 Δri2、 Δri3； 线圈1、 2外半径的扫描点 数分别为b1、 b2， 线圈1、 2外半径的扫描步长分别为 Δro1、 Δro2； 线圈1、 2、 3的匝数n1、 n2、 n3的取值范围分别为[1,c1]、 [1,c2]、 [1,c3]， c1、 c2、 c3均为正整 数； 步骤2： 建立副边自感磁场仿真模型， 即三线圈耦合机构移除线圈1和线圈2， 原边磁芯 半径等于ri1max， 副边磁芯半径等于ri3max， 线圈3内半径初值等于ri3min， 外半径等于ro3max， 分 别在正对和最大偏移情况下以Δri3的步长扫描线 圈3内半径， 得到正对和最大偏移情况下 线圈匝数为1时线圈3自感矩阵Lst_c3_a和Lst_c3_m， 这两个矩阵均包含a3个元素， 每个元素对应 不同的线圈3内半径； 步骤3： 建立原边自感磁场仿真模型， 即三线圈耦合机构移除线圈3， 原边磁芯半径等于 ri1max， 副边磁芯半径等于ri3max， 线圈1内半径初值等于ri1min， 外半径初值等于ro1min， 线圈2内 半径初值等于ri2min， 外半径初值等于ro2min， 分别在正对和最大偏移情况下以Δri1的步长扫 描线圈1内半径、 以Δro1的步长扫描线圈1外半径、 以Δri2的步长扫描线圈2内半径、 以Δro2 的步长扫描线圈2外半径， 得到正对和最大偏移情况下线圈匝数为1时线圈1自感矩阵 Lst_c1_a和Lst_c1_m、 正对和最大偏移情况下线圈匝数为 1时线圈2自感矩阵Lst_c2_a和Lst_c2_m、 正 对和最大偏移情况下线圈1和线圈2的耦合系数矩阵k12_a和k12_m， 矩阵Lst_c1_a、 Lst_c1_m、 Lst_c2_a、 Lst_c2_m、 k12_a、 k12_m均包含(a1×b1×a2×b2)个元素， 每个元素对应不同的线圈1内、 外 半径和线圈2内、 外半径； 步骤4： 建立互感磁场仿真模型1， 即三线圈耦合机构移除线圈2， 原边磁芯半径等于 ri1max， 副边磁芯半径等于ri3max， 线圈1内半径初值等于ri1min， 外半径初值等于ro1min， 线圈3内 半径初值等于ri3min， 外半径等于ro3max， 分别在正对和最大偏移情况下以Δri1的步长扫描线 圈1内半径、 以Δro1的步长扫描线圈1外半径、 以Δri3的步长扫描线圈3内半径， 得到正对和 最大偏移情况下线圈1和线圈3匝数均为1时两者间的互感矩阵Mst_13_a和Mst_13_m， 这两个矩阵 均包含(a1×b1×a3)个元素， 每个元素对应不同的线圈1内、 外半径、 线圈3内半径； 步骤5： 建立互感磁场仿真模型2， 即三线圈耦合机构移除线圈1， 原边磁芯半径等于 ri1max， 副边磁芯半径等于ri3max， 线圈2内半径初值等于ri2min， 外半径初值等于ro2min， 线圈3内 半径初值等于ri3min， 外半径等于ro3max， 分别在正对和最大偏移情况下以Δri2的步长扫描线权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115085396 A 2圈2内半径、 以Δro2的步长扫描线圈2外半径、 以Δri3的步长扫描线圈3内半径， 得到正对和 最大偏移情况下线圈2和线圈3匝数均为1时两者间的互感矩阵Mst_23_a和Mst_23_m， 这两个矩阵 均包含(a2×b2×a3)个元素， 每个元素对应不同的线圈2内、 外半径、 线圈3内半径； 所述数值计算及择优环 节包括以下步骤： 步骤1： 初始化， 三线圈耦合机构最优解向量Yopt包含12个元素， 其中前3个是三线圈耦 合机构最重要的三个性 能参数， 即正对情况下的互感Ma、 正对情况下的耦合系数ka、 耦合下 降系数σ， 初始化时令其为0； 中间6个是三线圈耦合机构线圈尺寸， 即线圈1、 2、 3的内半径和 外半径(ri1、 ro1、 ri2、 ro2、 ri3、 ro3)， 除ro3设置为其最大值外， 其余参数初始化时将其分别设置 为各自变化范围内的最小值； 最后3个是三线圈耦合机构线圈匝数， 初始化时将其均设置为 1； 即Yopt＝[Ma,ka, σ,ri1,ro1,ri2,ro2,ri3,ro3,n1,n2,n3]＝[0,0,0,ri1min,ro1min,ri2min,ro2min, ri3min,ro3max,1,1,1]； 步骤2： 判断ro1是否大于ro2； 若ro1小于或等于ro2， 说明线圈2和线圈1发生交叠， 则跳至 步骤10； 若ro1大于ro2， 执行步骤3； 步骤3： 从磁场仿真环节得到的参数矩阵中读取对应当前线圈尺寸的参数， 包 括Lst_c1_a、 Lst_c1_m、 Lst_c2_a、 Lst_c2_m、 k12_a、 k12_m、 Lst_c3_a、 Lst_c3_m、 Mst_13_a、 Mst_13_m、 Mst_23_a、 Mst_23_m； 步骤4： 判断Mst_13_a>0、 Mst_13_m>0、 Mst_23_a<0、 Mst_23_m<0是否同时成立， 若上述4个不等式全 部成立， 执 行步骤5； 否则， 跳 至步骤10； 步骤5： 根据Lst_c3_a、 Lst_c3_m计算正对情况下三线圈耦合机构副边自感Lr_a、 最大偏移情 况下三线圈耦合机构副边自感Lr_m， 根据Lst_c1_a、 Lst_c1_m、 Lst_c2_a、 Lst_c2_m、 k12_a、 k12_m计算正对 情况下三线圈耦合机构原边 自感Lt_a、 最大偏移情况下三线圈耦合机构原边自感Lt_m， 根据 Mst_13_a、 Mst_13_m、 Mst_23_a、 Mst_23_m计算正对情 况下三线圈耦合机构互感Ma、 最大偏移情况下三 线圈耦合机构互感Mm； 步骤6： 根据步骤5计算得到的Ma、 Mm、 Lr_a、 Lr_m、 Lt_a、 Lt_m计算正对情况下三线圈耦合机构 的耦合系数ka、 最大偏移情况下三线圈耦合机构的耦合系数km， 根据计算得到的ka、 km计算 耦合下降系数σ； 步骤7： 判断Ma>＝Ma_min、 σ <＝σmin、 ka>Yopt(2)是否同时成立， 若是， 执