新能源电动汽车：永磁电机无线电源线圈，基本结构电磁特性怎么样

文|时梦嫣

编辑|时梦嫣

国家倡导绿色环保的电动汽车，相关专家做出大量研究。

研究人员对比分析了电动汽车的永磁电机无线电源线圈，那么其基本结构电磁特性的分析结果如何？

1.简介

随着电动汽车的普及和无线电能传输技术的进步，磁场耦合静态无线充电技术在电动汽车领域引起了广泛关注。然而，充电问题仍然是电动汽车发展的主要瓶颈之一。因此，研究人员正在积极探索电动汽车永磁电机无线电能传输的可能性.

作为当前研究的热点，电动汽车无线充电技术的耦合机制仍有许多未解决的问题。这些问题中的一些包括适合于快速充电模式的高功率耦合机构的设计、提高效率、减小尺寸和实现轻质结构。

电磁耦合机构是无线供电的关键技术之一，线圈参数是影响耦合机构性能的关键因素。线圈结构在传输性能中起着至关重要的作用，不同的结构可以实现不同的性能特征.功率传输效率与线圈尺寸不成正比，需要具体情况具体分析。

2010年，奥克兰大学根据他们对圆形线圈垫磁场特性的研究，提出了一种称为“通量管”的线圈设计，如所示图1。这种设计利用了双线圈结构，其中两个线圈并联连接，两个线圈产生的磁通量在磁路内串联连接。

这种线圈设计紧凑，排列紧密，尺寸更小，如所示图2。此外，线圈的磁场位于线圈的两侧，为位移提供了强大的阻力.

图一。线圈并联的原型通量管概念。

图二。3 kw变压器的照片。

2013年，奥克兰大学提出了一个名为“DDQ”线圈的设计方案。这个线圈由两个线圈组成:发射线圈和接收线圈。发射线圈采用DD型线圈，如所示图3，而接收线圈使用的线圈称为DDQ线圈，如所示图4。

这种设计的显著特点是磁场方向相反，而中心导体处的电流方向相同，从而增强了磁场，提高了电动汽车的位移容差。然而，这种设计也面临磁场零点的问题。随后，研究人员引入了一种称为“DDD线圈”的改进设计，解决了磁场零点的问题。

DDD线圈设计有效地解决了这个问题，同时降低了线圈损耗.A. Zaheer提出了双极BP线圈的设计方案，如所示图5。与DDQ线圈相比，这种设计可以减少线圈损耗，同时实现类似的功能.2014年，韩国提出了三线圈结构的设计方案，如所示图6。这种设计由三个线圈组成，一个大线圈套在一个小线圈内。这种设计增强了线圈的抗干扰能力，并提高了其稳定性.

图3。DD pad的简化模型。

图4。内置接收器的DD-Q pad。

图5。BPP建筑公司。

图6。三线圈结构。

2017年，奥克兰大学提出了一个名为TPP线圈的设计方案，如图所示图7。与传统线圈设计不同，TPP线圈采用了独特的磁路结构，增强了线圈的抗位移能力[13].2019年，天津理工大学基于DD线圈提出了一种称为“太极线圈”的设计，如所示图8。

当处于中心位置时，太极线圈表现出与圆形线圈和DD线圈相似的传输效率。然而，在未对准状态下，它实现了更高的耦合系数，从而提高了传输效率。这表明太极线圈具有更好的偏移容限.

图7。TPP的雏形。

图8。太极线圈。

如今，已经开发了许多类型的耦合器，例如方形线圈、圆形垫、四方形线圈、DD耦合器和DDQ耦合器.通过用磁通管概念研究磁场的形状和磁通量的路径，对圆形和椭圆形线圈进行了比较.实验结果表明，相对于线圈类型，圆形衬垫和DD耦合线圈的耦合系数更高，并且成本更低。

开发了方形和圆形平面螺旋线圈的两种分析模型，以比较它们之间的差异.结果表明，当圆形线圈的外径等于方形线圈的外侧长度时，方形线圈是焊盘设计的较好选择.线圈结构的特征如所示表1。

表1。线圈结构的特点。

上述论文根据作者的经验提出了具体的线圈设计和分析。没有基本的设计指南。各种更复杂的线圈由圆形和方形两种基本线圈结构组成。本文用基本的圆形和方形线圈来研究圆形和方形结构中哪一个更好，哪一个更有利于系统。

我们在为电动公交车设计无线供电的电磁耦合机制时遇到了上述线圈设计问题。我们的实验对象是一辆宇通ZK6875BEVG纯电动客车，采用型号为YTM280-CV4-H的永磁同步电机。

对于两种最常见的圆形和方形线圈，其结构是轴对称的。对于作为发射线圈的上述两种线圈，考虑使用两种单匝线圈作为接收线圈的磁场耦合情况，如所示图9。首先建立两种线圈的磁感应强度计算模型，利用MATLAB R2020b进行数值计算，然后定性分析两种线圈作为接收线圈在三种不同情况下的电磁耦合特性。

其次，在Ansoft Maxwell 16.0电磁仿真软件中对三种耦合器进行了仿真分析，一种是双圆环耦合器(圆形耦合器)，一种是单圆环一方圆环耦合器(混合耦合器)，一种是双方圆环耦合器(方形耦合器)。

最后，对分析进行了实验验证，得出了两种线圈的特性和调整的时机。本文的意义在于，它为可以整合到线圈结构的选择和设计中的基本结构选项建立了参考。

图9。单环路耦合器。

2电磁特性的定性分析

对于给定周围面积为0.28平方米的发射线圈2根据(2)和(8)，当圆形和方形线圈分别用作发射线圈时，可以获得磁通量密度的归一化曲线，如所示图10。在…里图10水平轴是从恒定高度的任何点到发射器线圈中心轴的水平距离。

测量点的高度距离线圈0.25米。从可以看出图10B值在线圈内部较高，在线圈外部逐渐降低。

图10。归一化磁通密度曲线。

对于作为接收线圈的圆形和方形回路，有三种情况:(1)两个接收线圈的封闭面积相同；(2)两个接收线圈的周长相同；(3)两个接收线圈的外径相同，如所示图11分别为a、b和c。

图11。三个案例对比。

在周围面积相等的情况下，周长比是Unknown node type: font−−√/2，如中所示图11a.浅色阴影区域是两个接收线圈的重叠部分。很明显，两个接收线圈的磁通量在这部分是相同的。由于对称性，两个接收线圈的深色阴影区域是相同的。

根据中发射线圈的电磁感应特性的结论图10在阴影区，圆形接收线圈的磁通量大于或等于方形接收线圈的磁通量。因此，对于周围面积相同的圆形和方形接收线圈，圆形接收线圈的磁通量应大于或等于方形接收线圈的磁通量。

对于中所示的相同周长的情况图11b、面积比为4/Unknown node type: font。根据上述分析结果，圆形接收线圈的磁通量大于方形接收线圈的磁通量，因为圆形接收线圈的包围面积大于方形接收线圈的包围面积。

在外径相同的情况下，如所示图11c、所有的面积和周长之比是Unknown node type: font/4.圆形接收线圈的磁通量小于方形接收线圈的磁通量，因为圆形接收线圈的包围面积小于方形接收线圈的包围面积。

3.数值模拟

通过使用电磁模拟软件模拟线圈的互感来比较上述分析的结果。

3.1.归一化耦合系数比较

定性分析的结果表明，等围面积的结果介于其他两个结果之间，因此它是圆形和方形线圈比较的一个关键点。分析等包络面积的圆形和方形线圈可以得到清晰的结果。

图12显示了三种耦合器类型的圆形、混合和方形耦合器的相同包络面积的归一化耦合系数的模拟。横轴是发射线圈的中心和接收线圈的中心之间的水平距离。方形回路的长度和宽度为0.3 m × 0.3 m，圆形回路的半径为0.17 m。

模拟中两个耦合线圈的高度固定为0.3 m。模拟结果表明，圆形耦合器的耦合系数最高，方形耦合器的耦合系数最低，即圆形耦合器的耦合系数高于方形耦合器的耦合系数。这些结果与上面的定性分析一致。

图12。归一化耦合系数曲线。

3.2.耦合互感比较

表2显示了0.09 m周围区域的互感2，0.16米2，0.25米2分别是圆形耦合器、混合耦合器和方形耦合器。可以清楚地看到，具有圆形回路的耦合器的互感和耦合系数大于具有方形回路的耦合器。

表二。不同面积耦合器的比较。

在…里表3使用长度为0.3 m的方形环作为参考，圆形和方形环分别用作发射线圈和接收线圈，以分别模拟具有相同包围面积、相同周长和相同外径的耦合器的九种结构。

表3。耦合器的详细模拟数据比较。

从可以看出表2圆形耦合器的互感大于方形耦合器的互感。自感系数的概念被用来比较两个耦合器的线圈之间的差异。圆形线圈的自感、互感和圆形耦合器的耦合系数被设置为L一，M一，和K1,分别是。方形线圈的自感、互感和方形耦合器的耦合系数被设置为L2，M2，和K2，分别为。

混合耦合器的互感和耦合系数被设置为M3还有K3，分别为。

根据中的数据表2以及(10)和(11)的对比，可以得出自感不仅受线路长度的影响，还与结构密切相关。对于相同的长度，圆形线圈电感的自感系数大于方形线圈电感的自感系数。

4.实验验证

为了验证理论和仿真结果，我们搭建了三种耦合器的实验平台。

基于以上讨论，可以看出，方形线圈和圆形线圈环绕同一区域的条件下得到的结果，就是三种情况的分水岭。如果在相同的条件下得到等面积的结果，那么另外两个结果就清楚了。

在该实验中，圆形线圈的外径、线直径和匝数分别为15.6 cm、2.5 mm和5匝。两个圆形线圈的自感分别为7.49 uH和7.42 uH。方形线圈的外径、线径和匝数分别为13.8厘米、2.5毫米和5匝。两个调节线圈的自感分别为7.49 uH和7.42 uH。

实验平台如所示图13。互感计算方法可以通过测量串联的两个线圈并减去两个自感来实现13].实验数据和结果显示在表4。表3列出了发射器和接收器线圈在三种不同间距下的三种耦合器的互感和耦合系数。图14显示了该实验的验证系统。图15展示了我们为电动汽车开发的无线供电系统和线圈。

图13。三种实验线圈的比较。

图14。实验系统。

图15。电动汽车无线供电系统。

表4。等围面积的实验数据。

5.两种基本线圈形状电磁特性的讨论

根据发射线圈的磁感应强度特性曲线，通过比较圆形和方形线圈分别在等包围面积、等周长和等外径情况下的磁通量，定性分析了圆形和方形线圈作为接收线圈在三种不同情况下的电磁耦合特性。

等围面积的定性分析结果介于其他两个结果之间，因此它是圆形和方形回路比较的一个关键点。因此，仿真分析主要基于圆形和方形回路的相同包围面积条件。其次，用等包围面积线圈模拟了三种耦合器。

仿真结果表明，圆形线圈耦合器的互感耦合系数大于方形线圈耦合器的互感耦合系数。最后，比较了三种耦合器在不同包围面积下的互感，并分别模拟了三种耦合器在相同包围面积、相同周长和相同外径下的互感。最终结果表明，定性分析和仿真分析高度一致。

6.结论

通过以上分析，在等围面积或等周长的情况下，圆形线圈通量大于方形线圈通量。即，在这两种情况下，圆形接收线圈的互感大于方形接收线圈的互感。当周长相等时，圆形和方形线圈的成本和损耗相等。

圆形线圈的互感明显比方形线圈好，所以效率更高。在封闭面积相等的情况下，圆形线圈的成本和损耗比方形线圈低，互感比方形线圈略大，所以效率也比方形线圈高。所以最好选择没有空间限制的圆形线圈。

在空间有限的情况下，方形线圈可以实现更大的互感，但线圈的成本和损耗会高于圆形线圈。上述结论为利用该基本结构开发更合理、更高效的复合材料耦合器提供了依据。

参考

赵；刘；电动汽车无线充电技术的新进展。反式。中国电工。社会主义者 2016,31, 30–40.
阿萨瓦沃拉里特；于，x；使用非线性奇偶时间对称电路的鲁棒无线电力传输。自然 2017,546, 387.

如果你也喜欢我的文章，不妨点个“关注”吧！小生在此谢过了！

END