一种DD-PS强抗偏移松耦合变压器及其参数确定方法与流程

一种dd
‑
ps强抗偏移松耦合变压器及其参数确定方法
技术领域
1.本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种抗偏移松耦合变压器。


背景技术：

2.传统的接触式输电技术灵活性低、可靠性差，在很多场景中的应用受到限制。作为一种替代方案，无线电能传输技术近年来成为研究的热点。与传统的接触式输电技术相比，无线电能传输技术具有灵活、安全、可靠的优点，被越来越多地应用到各种场合，如电动汽车、植入式医疗设备、消费电子、工业机器人、水下用电设备等。
3.松耦合变压器是无线电能传输系统的关键元件，传统的松耦合变压器在原副边发生偏移之后，互感和耦合系数会发生较大的变化，系统输出也会随之变化，不能满足负载对输出电压和电流的要求。部分研究人员从补偿拓扑入手，提出了一些具有一定抗偏移能力的补偿拓扑，例如s/clc、t/s、ps/s、s/sp等，但是这些补偿拓扑的抗偏移能力较弱，而且会引入大量无功功率，系统效率较低。


技术实现要素：

4.本发明目的是解决现有补偿拓扑抗偏移能力弱导致系统效率低的问题，提出了一种dd
‑
ps强抗偏移松耦合变压器及其参数确定方法。
5.本发明所述的一种dd
‑
ps强抗偏移松耦合变压器，包括原边耦合机构和副边耦合机构；所述原边耦合机构和副边耦合机构相对设置；
6.所述原边耦合机构包括原边平面螺线管线圈、原边dd线圈和原边铁氧体磁芯；
7.原边铁氧体磁芯为矩形，原边dd线圈设置在原边铁氧体磁芯临近副边耦合机构侧，与原边铁氧体磁芯平行；
8.原边平面螺线管线圈分为两部分绕设在原边铁氧体磁芯上，且两部分原边平面螺线管线圈匝数相同；
9.原边平面螺线管线圈与原边dd线圈采用反接的方式连接；
10.副边耦合机构包括副边平面螺线管线圈、副边dd线圈和副边铁氧体磁芯；
11.副边铁氧体磁芯为矩形，副边dd线圈设置在副边铁氧体磁芯临近原边耦合机构一侧，与副边铁氧体磁芯平行；
12.副边平面螺线管线圈分两部分绕设在副边铁氧体磁芯上，且两部分副边平面螺线管线圈匝数相同；
13.副边平面螺线管线圈与副边dd线圈采用顺接方式连接。
14.进一步地，本发明中，原边平面螺线管线圈的两部分绕设方向均垂直于原边铁氧体磁芯的长度方向；副边平面螺线管线圈的两部分绕设方向均垂直于副边铁氧体磁芯的长度方向。
15.进一步地，本发明中，原边平面螺线管线圈的两部分关于原边铁氧体磁芯的中心对称；副边平面螺线管线圈的两部分关于副边铁氧体磁芯的中心对称。
16.进一步地，本发明中，原边dd线圈和副边dd线圈的外轮廓尺寸分别等于原边磁芯和副边磁芯的外轮廓尺寸。
17.抗偏移松耦合变压器的参数确定方法，该方法包括：
18.步骤一、根据抗偏移松耦合变压器实际应用的无线电能传输系统的参数，确定原边耦合机构和副边耦合机构的固定尺寸参数和互感值的范围；
19.步骤二、根据抗偏移松耦合变压器实际应用对尺寸的限制，设置待优化参数的范围和优化算法的迭代次数最大值；
20.所述待优化参数包括：原边平面螺线管线圈的匝数、副边平面螺线管线圈的匝数、原边dd线圈的匝数、副边dd线圈的匝数、原边平面螺线管线圈两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈两部分之间的距离；
21.步骤三、根据当前迭代次数m的值，设置该次迭代待优化参数的扫描步长和范围；
22.步骤四、根据步骤三所述该次迭代待优化参数的扫描步长及范围，利用波动最小原则依次更新待优化参数，获得该次迭代松耦合变压器的互感值m
12_m
；
23.步骤五、判断该次迭代松耦合变压器的互感值m
12_m
是否满足所述范围[m
12_min
,m
12_max
]；若是，执行步骤七，否则，执行步骤六；
[0024]
步骤六、利用公式：
[0025][0026]
依次更新待优化参数中原边平面螺线管线圈的匝数、副边平面螺线管线圈的匝数、原边dd线圈的匝数、副边dd线圈的匝数，然后更新松耦合变压器的互感值m
12_m
，执行步骤七；其中，round表示取整函数，i等于1、3、5、7时，n
i
分别表示原边平面螺线管线圈的匝数、原边dd线圈的匝数、副边平面螺线管线圈的匝数和副边dd线圈的匝数；
[0027]
步骤七、判断当前迭代次数m的值是否等于迭代次数最大值，若是，则记录步骤四更新的原边平面螺线管线圈两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈两部分之间的距离以及步骤六更新的原边平面螺线管线圈的匝数、副边平面螺线管线圈的匝数、原边dd线圈的匝数、副边dd线圈的匝数，完成松耦合变压器的参数确定；否则，令当前迭代次数m＝m 1，返回执行步骤三。
[0028]
进一步地，本发明中，步骤一中所述抗偏移松耦合变压器实际应用的无线电能传输系统的参数包括：电压应力、电流应力、电压增益和输出功率。
[0029]
进一步地，本发明中，步骤一中所述原边耦合机构和副边耦合机构的固定尺寸参数包括：原边铁氧体磁芯尺寸、副边铁氧体磁芯尺寸、原边dd线圈外轮廓尺寸，副边dd线圈外轮廓尺寸，原边平面螺线管线圈线材的直径，原边dd线圈线材的直径、副边平面螺线管线圈线材的直径、副边dd线圈线材的直径，原边dd线圈两部分之间的距离和副边dd线圈两部分之间的距离。
[0030]
进一步地，本发明中，步骤二中所述的迭代次数最大值为5。
[0031]
进一步地，本发明中，步骤三中待优化参数该次迭代的扫描步长包括：线圈匝数扫描步长δn
m
和螺线管线圈两部分之间距离扫描步长δl
m
。
[0032]
进一步地，本发明中，步骤三中确定待优化参数范围包括：
[0033]
确定原边平面螺线管线圈的匝数范围、原边dd线圈匝数范围、副边平面螺线管线圈匝数范围、副边dd线圈匝数范围、原边平面螺线管线圈两部分之间的距离范围、副边平面螺线管线圈两部分之间的距离范围；
[0034]
其中，确定原边平面螺线管线圈的匝数范围、原边dd线圈匝数范围、副边平面螺线管线圈匝数范围、副边dd线圈匝数范围的方法相同；
[0035]
确定原边平面螺线管线圈的匝数范围的方法为：
[0036]
当m等于1时，将原边平面螺线管线圈最小匝数n1‑
min
设置为1，最大匝数n1‑
max
根据最大互感m
12_max
设置；m不等于1时，将原边平面螺线管线圈的匝数最小匝数n1‑
min
设置为n1–3×
δn
m
–1，最大匝数n1‑
max
设置为n1 3
×
δn
m
–1，其中，δn
m
–1为第m
‑
1次迭代的线圈匝数扫描步长；
[0037]
其中，确定原边平面螺线管线圈两部分之间的距离范围、副边平面螺线管线圈两部分之间的距离范围的方法相同；
[0038]
确定原边平面螺线管线圈两部分之间的距离范围的方法为：
[0039]
当m等于1时，将原边平面螺线管线圈两部分之间最小间距l
12x
‑
min
设置为0，最大间距l
12x
‑
max
设置为d
px
–2×
l
1x
；m不等于1时，将原边平面螺线管线圈两部分之间最小间距l
12x
‑
min
设置为l
12x
–3×
δl
m
–1，最大间距l
12x
‑
max
设置为l
12x
3
×
δl
m
–1，其中，d
px
为原边磁芯长度，l
1x
为原边平面螺线管线圈的长度，δl
m
–1为第m
‑
1次迭代的线圈两部分之间距离扫描步长。
[0040]
进一步地，本发明中，步骤四中利用波动最小原则依次更新待优化参数的方法为：
[0041]
更新原边平面螺线管线圈的匝数、原边dd线圈匝数、副边平面螺线管线圈匝数、副边dd线圈匝数、原边平面螺线管线圈两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈两部分之间的距离的方法相同；
[0042]
更新原边平面螺线管线圈的匝数的方法为：保持原边dd线圈匝数、副边平面螺线管线圈匝数、副边dd线圈匝数、原边平面螺线管线圈两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈两部分之间的距离不变的情况下，
[0043]
使原边平面螺线管线圈的匝数依次等于n1‑
min
、n1‑
min
δn
m
、n1‑
min
2
×
δn
m
、
…
、n1‑
max
‑
δn
m
、n1‑
max
；
[0044]
通过仿真得到每个原边平面螺线管线圈的匝数值对应的松耦合变压器的最小互感值m
12_min_op
和最大互感值m
12_max_op
，利用松耦合变压器的波动系数公式：
[0045][0046]
求得每个原边平面螺线管线圈的匝数值对应的波动系数，将原边平面螺线管线圈的匝数值更新为最小波动系数对应的原边平面螺线管线圈的匝数值。
[0047]
现有的平面螺线管松耦合变压器或者dd形松耦合变压器对磁场方向的偏移较敏感，在该方向的抗偏移性能较差。本发明将平面螺线管线圈和dd线圈相结合，通过在原副边采用不同的连接方式，显著提高了dd
‑
ps(dd线圈和平面螺线管线圈结合)松耦合变压器在磁场方向的抗偏移性能，同时保留了平面螺线管松耦合变压器和dd形松耦合变压器在垂直磁场方向上优异的抗偏移性能。通过采用本发明所述的松耦合变压器参数确定方法，能够快速确定松耦合变压器的各个参数，得到满足应用需求的优化解。与平面螺线管松耦合变
压器和dd形松耦合变压器相比，本发明的松耦合变压器正对时的耦合系数稍低，因此其非常适用于偏移较大、中小功率场景，例如消费电子、家用电器等领域。偏移距离相同时，通过使用本发明所述的dd
‑
ps松耦合变压器，无线电能传输系统整流电路输出电压或电流波动显著降低，后级dc/dc变换器设计难度明显降低；后级dc/dc变换器输入电压范围相同时，通过使用本发明所述的dd
‑
ps松耦合变压器，无线电能传输系统的偏移范围显著增大，系统操作自由度明显提升。
附图说明
[0048]
图1是本发明所述dd
‑
ps强抗偏移松耦合变压器的结构示意图；
[0049]
图2是原边平面螺线管线圈(a)的绕设结构示意图，图中，线圈1和线圈2分别表示原边平面螺线管线圈(a)的两部分；
[0050]
图3是副边平面螺线管线圈(e)的绕设结构示意图，图中，线圈5和线圈6分别表示副边平面螺线管线圈(e)的两部分；
[0051]
图4是原边dd线圈(f)的绕设结构示意图，图中，线圈3和线圈4分别表示原边dd线圈(f)的两部分；
[0052]
图5是副边dd线圈(d)的绕设结构示意图，图中，线圈7和线圈8分别表副边dd线圈(d)的两部分；
[0053]
图6是dd
‑
ps松耦合变压器等效电路图；
[0054]
图7是参数m
12
、m
s1s2
、m
s1d2
、m
d1s2
和m
d1d2
随x方向偏移的变化曲线图；
[0055]
图8是参数m
12
、m
s1s2
、m
s1d2
、m
d1s2
和m
d1d2
随y方向偏移的变化曲线图；
[0056]
图9是实际绕制的松耦合变压器的结构示意图；
[0057]
图10是仿真和实测的m
12
随x和y方向偏移距离变化曲线图。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0060]
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种dd
‑
ps强抗偏移松耦合变压器，包括原边耦合机构和副边耦合机构；所述原边耦合机构和副边耦合机构相对设置；
[0061]
所述原边耦合机构包括原边平面螺线管线圈a、原边dd线圈f和原边铁氧体磁芯b；
[0062]
原边铁氧体磁芯b为矩形，原边dd线圈f设置在原边铁氧体磁芯b临近副边耦合机构侧，与原边铁氧体磁芯b平行；
[0063]
原边平面螺线管线圈a分为两部分绕设在原边铁氧体磁芯b上，且两部分原边平面螺线管线圈a匝数相同；
[0064]
原边平面螺线管线圈a与原边dd线圈f采用反接的方式连接；
[0065]
副边耦合机构包括副边平面螺线管线圈e、副边dd线圈d和副边铁氧体磁芯c；
[0066]
副边铁氧体磁芯c为矩形，副边dd线圈d设置在副边铁氧体磁芯c临近原边耦合机构一侧，与副边铁氧体磁芯c平行；
[0067]
副边平面螺线管线圈e分两部分绕设在副边铁氧体磁芯c上，且两部分副边平面螺线管线圈e匝数相同；
[0068]
副边平面螺线管线圈e与副边dd线圈d采用顺接方式连接。
[0069]
进一步地，本实施方式中，原边平面螺线管线圈a的两部分绕设方向均垂直于原边铁氧体磁芯b的长度方向；副边平面螺线管线圈e的两部分绕设方向均垂直于副边铁氧体磁芯c的长度方向。
[0070]
本实施方式中,原边平面螺线管线圈a的两部分之间留有空隙,副边平面螺线管线圈e的两部分的两部分之间也留有空隙。
[0071]
进一步地，本实施方式中，原边平面螺线管线圈a的两部分关于原边铁氧体磁芯b的中心对称；副边平面螺线管线圈e的两部分关于副边铁氧体磁芯c的中心对称。
[0072]
进一步地，本实施方式中，原边dd线圈f和副边dd线圈d的外轮廓尺寸分别等于原边磁芯和副边磁芯的外轮廓尺寸。
[0073]
为保证在 x和
–
x方向上拥有相同的抗偏移性能，设置原边平面螺线管线圈a的两部分分别设为线圈1、线圈2，原边dd线圈f两部分分别设为线圈3、线圈4，副边平面螺线管线圈e的两部分分别设为线圈5、线圈6，副边dd线圈d两部分分别设为线圈7、线圈8；如图2至5所示；本发明的松耦合变压器关于xoz平面(见图1)对称，
[0074]
因此线圈1和线圈2的匝数、尺寸相同，线圈3和线圈4的匝数、尺寸相同，线圈5和线圈6的匝数、尺寸相同，线圈7和线圈8的匝数、尺寸相同。
[0075]
为简化设计过程，线圈3每条边宽度相同，线圈4每条边宽度相同，线圈7每条边宽度相同，线圈8每条边宽度相同。
[0076]
为充分利用磁芯，原边dd线圈f和副边dd线圈d的外轮廓尺寸分别等于原边磁芯和副边磁芯的外轮廓尺寸，即：2l
3x
l
34x
＝d
px
，l
3y
＝d
py
，2l
7x
l
78x
＝d
sx
，l
7y
＝d
sy
。相关参数含义见表1。
[0077]
平面螺线管线圈紧密包裹骨架缠绕。即：l
1y
＝d
py
2(d
h
d
np
)，l
5y
＝d
sy
2(d
h
d
ns
)。相关参数含义见表1。
[0078]
表1 dd
‑
ps松耦合变压器主要参数
[0079]
[0080]
本发明的dd
‑
ps松耦合变压器与传统的结合螺线管线圈和dd线圈的松耦合变压器不同，主要区别在于：首先，线圈连接方式不同。传统的结合螺线管线圈和dd线圈的松耦合变压器原副边均采用顺接方式，无论是正对还是沿磁场方向偏移情况下，螺线管线圈和dd线圈产生的磁场总是相互增强，导致正对时耦合系数高，沿磁场方向偏移时耦合系数低，抗偏移性能较差。而本发明的dd
‑
ps松耦合变压器，其中一边采用顺接方式，另一边采用反接方式，正对时螺线管线圈和dd线圈产生的磁场相互抵消，耦合系数较低，沿磁场方向偏移时，螺线管线圈和dd线圈产生的磁场相互增强，耦合系数较高，因此，dd
‑
ps松耦合变压器抗偏移性能较好。
[0081]
其次，性能表现不同。传统的结合螺线管线圈和dd线圈的松耦合变压器耦合系数较高，但是抗偏移能力弱，本发明的dd
‑
ps松耦合变压器抗偏移能力强。
[0082]
最后，由于连接方式和性能表现不同，参数设计和优化方法也不同。
[0083]
图6是发明的dd
‑
ps松耦合变压器的等效电路，l
ps1
和l
ps2
分别是原边平面螺线管线圈a和副边平面螺线管线圈e的自感，l
dd1
和l
dd2
分别是原边dd线圈f和副边dd线圈d的自感，m
s1d1
是原边平面螺线管线圈a和原边dd线圈f之间的互感，m
s2d2
是副边平面螺线管线圈e和副边dd线圈d之间的互感，m
s1s2
是原边平面螺线管线圈a和副边平面螺线管线圈e之间的互感，m
s1d2
是原边平面螺线管线圈a和副边dd线圈d之间的互感，m
d1s2
是原边dd线圈f和副边平面螺线管线圈e之间的互感，m
d1d2
是原边dd线圈f和副边dd线圈d之间的互感，l1和l2分别是原边松耦合变压器和副边松耦合变压器的自感，m
12
是dd
‑
ps松耦合变压器的互感，l1和l
ps1
、l
dd1
、m
s1d1
满足公式(1)，l2和l
ps2
、l
dd2
、m
s2d2
满足公式(2)，m
12
和m
s1s2
、m
s1d2
、m
d1s2
、m
d1d2
满足公式(3)。在一定的偏移范围内，m
s1s2
、m
s1d2
大于0，且随偏移的增大而减小，m
d1s2
、m
d1d2
小于0，且其绝对值随偏移的增大而减小，因此在整个偏移范围内，m
12
几乎不变，抗偏移能力优异。
[0084]
l1＝l
ps1
l
dd1
2m
s1d1
ꢀꢀ
(1)
[0085]
l2＝l
ps2
l
dd2
‑
2m
s2d2
ꢀꢀ
(2)
[0086]
m
12
＝m
s1s2
m
s1d2
m
d1s2
m
d1d2
ꢀꢀ
(3)
[0087]
平面螺线管松耦合变压器和dd形松耦合变压器对磁场方向的偏移较敏感，在该方向的抗偏移性能较差。本专利将平面螺线管线圈和dd线圈相结合，通过在原副边采用不同的连接方式，显著提高了dd
‑
ps松耦合变压器在磁场方向的抗偏移性能，同时保留了平面螺线管松耦合变压器和dd形松耦合变压器在垂直磁场方向上优异的抗偏移性能。通过采用本专利发明的松耦合变压器优化设计方法，能够快速确定松耦合变压器的各个参数，得到满足应用需求的优化解。与平面螺线管松耦合变压器和dd形松耦合变压器相比，本专利发明的松耦合变压器正对时的耦合系数稍低，因此其非常适用于偏移较大、中小功率场景，例如消费电子、家用电器等领域。偏移距离相同时，通过使用本专利发明的dd
‑
ps松耦合变压器，无线电能传输系统整流电路输出电压或电流波动显著降低，后级dc/dc变换器设计难度明显降低；后级dc/dc变换器输入电压范围相同时，通过使用本专利发明的dd
‑
ps松耦合变压器，无线电能传输系统的偏移范围显著增大，系统操作自由度明显提升。
[0088]
抗偏移松耦合变压器的参数确定方法，包括：
[0089]
步骤一、根据抗偏移松耦合变压器实际应用的无线电能传输系统的参数，确定原边耦合机构和副边耦合机构的固定尺寸参数和互感值的范围；
[0090]
步骤二、根据抗偏移松耦合变压器实际应用对尺寸的限制，设置待优化参数的范
围和优化算法的迭代次数最大值；
[0091]
所述待优化参数包括：原边平面螺线管线圈a的匝数、副边平面螺线管线圈e的匝数、原边dd线圈f的匝数、副边dd线圈d的匝数、原边平面螺线管线圈a两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈e两部分之间的距离；
[0092]
步骤三、根据当前迭代次数m的值，设置该次迭代待优化参数的扫描步长和范围；
[0093]
步骤四、根据步骤三所述该次迭代待优化参数的扫描步长及范围，利用波动最小原则依次更新待优化参数，获得该次迭代松耦合变压器的互感值m
12_m
；
[0094]
步骤五、判断该次迭代松耦合变压器的互感值m
12_m
是否满足所述范围[m
12_min
,m
12_max
]；若是，执行步骤七，否则，执行步骤六；
[0095]
步骤六、利用公式：
[0096][0097]
依次更新待优化参数中原边平面螺线管线圈a的匝数、副边平面螺线管线圈e的匝数、原边dd线圈f的匝数、副边dd线圈d的匝数，然后更新松耦合变压器的互感值m
12_m
，执行步骤七；其中，round表示取整函数，i等于1、3、5、7时，n
i
分别表示原边平面螺线管线圈a的匝数、原边dd线圈f的匝数、副边平面螺线管线圈e的匝数和副边dd线圈d的匝数；
[0098]
步骤七、判断当前迭代次数m的值是否等于迭代次数最大值，若是，则记录步骤四更新的原边平面螺线管线圈a两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈e两部分之间的距离以及步骤六更新的原边平面螺线管线圈a的匝数、副边平面螺线管线圈e的匝数、原边dd线圈f的匝数、副边dd线圈d的匝数，完成松耦合变压器的参数确定；否则，令当前迭代次数m＝m 1，返回执行步骤三。
[0099]
进一步地，本实施方式中，步骤一中所述抗偏移松耦合变压器实际应用的无线电能传输系统的参数包括：电压应力、电流应力、电压增益和输出功率。
[0100]
进一步地，本实施方式中，步骤一中所述原边耦合机构和副边耦合机构的固定尺寸参数包括：原边铁氧体磁芯b尺寸、副边铁氧体磁芯c尺寸、原边dd线圈f外轮廓尺寸，副边dd线圈d外轮廓尺寸，原边平面螺线管线圈a线材的直径，原边dd线圈f线材的直径、副边平面螺线管线圈e线材的直径、副边dd线圈d线材的直径，原边dd线圈f两部分之间的距离和副边dd线圈d两部分之间的距离。
[0101]
优选地，本实施方式中，步骤二中所述的迭代次数最大值为5。
[0102]
进一步地，本实施方式中，步骤三中待优化参数该次迭代的扫描步长包括：线圈匝数扫描步长δn
m
和螺线管线圈两部分之间距离扫描步长δl
m
。
[0103]
进一步地，本实施方式中，步骤三中确定待优化参数范围的方法包括：
[0104]
确定原边平面螺线管线圈a的匝数范围、原边dd线圈f匝数范围、副边平面螺线管线圈e匝数范围、副边dd线圈d匝数范围、原边平面螺线管线圈a两部分之间的距离范围、副边平面螺线管线圈e两部分之间的距离范围；
[0105]
其中，确定原边平面螺线管线圈a的匝数范围、原边dd线圈f匝数范围、副边平面螺线管线圈e匝数范围、副边dd线圈d匝数范围的方法相同；
[0106]
确定原边平面螺线管线圈a的匝数范围的方法为：
[0107]
当m等于1时，将原边平面螺线管线圈a最小匝数n1‑
min
设置为1，最大匝数n1‑
max
根据最大互感m
12_max
设置；m不等于1时，将原边平面螺线管线圈a的匝数最小匝数n1‑
min
设置为n1–3×
δn
m
–1，最大匝数n1‑
max
设置为n1 3
×
δn
m
–1，其中，δn
m
–1为第m
‑
1次迭代的线圈匝数扫描步长,n1为原边平面螺线管线圈a的匝数，此时为已知量；
[0108]
其中，确定原边平面螺线管线圈a两部分之间的距离范围、副边平面螺线管线圈e两部分之间的距离范围的方法相同；
[0109]
确定原边平面螺线管线圈a两部分之间的距离范围的方法为：
[0110]
当m等于1时，将原边平面螺线管线圈a两部分之间最小间距l
12x
‑
min
设置为0，最大间距l
12x
‑
max
设置为d
px
–2×
l
1x
；m不等于1时，将原边平面螺线管线圈a两部分之间最小间距l
12x
‑
min
设置为l
12x
–3×
δl
m
–1，最大间距l
12x
‑
max
设置为l
12x
3
×
δl
m
–1，其中，d
px
为原边磁芯长度，l
1x
为原边平面螺线管线圈a的长度，δl
m
–1为第m
‑
1次迭代的线圈两部分之间距离扫描步长。
[0111]
进一步地，本实施方式中，步骤四中利用波动最小原则依次更新待优化参数的方法为：
[0112]
更新原边平面螺线管线圈a的匝数、原边dd线圈f匝数、副边平面螺线管线圈e匝数、副边dd线圈d匝数、原边平面螺线管线圈a两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈e两部分之间的距离的方法相同；
[0113]
更新原边平面螺线管线圈a的匝数的方法为：保持原边dd线圈f匝数、副边平面螺线管线圈e匝数、副边dd线圈d匝数、原边平面螺线管线圈a两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈e两部分之间的距离不变的情况下,
[0114]
使原边平面螺线管线圈a的匝数依次等于n1‑
min
、n1‑
min
δn
m
、n1‑
min
2
×
δn
m
、
…
、n1‑
max
‑
δn
m
、n1‑
max
，
[0115]
通过仿真得到每个原边平面螺线管线圈a的匝数值对应的松耦合变压器的最小互感值m
12_min_op
和最大互感值m
12_max_op
，利用松耦合变压器的波动系数公式：
[0116][0117]
求得每个原边平面螺线管线圈a的匝数值对应的波动系数，将原边平面螺线管线圈a的匝数更新为最小波动系数对应的原边平面螺线管线圈a的匝数。
[0118]
具体实施例：
[0119]
第一步：根据电压应力、电流应力、电压增益、输出功率等约束确定dd
‑
ps松耦合变压器互感的取值范围，得到最小互感m
12_min
和最大互感m
12_max
；
[0120]
设置原边平面螺线管线圈a的两部分分别设为线圈1、线圈2，原边dd线圈f两部分分别设为线圈3、线圈4，副边平面螺线管线圈e的两部分分别设为线圈5、线圈6，副边dd线圈d两部分分别设为线圈7、线圈8；如图2至5所示；
[0121]
第二步：根据实际应用对尺寸的限制，确定松耦合变压器原边磁芯、副边磁芯尺寸以及dd线圈外轮廓尺寸。为充分利用空间，同时避免仿真时线圈3和线圈4以及线圈7和线圈8之间短路，将线圈3和线圈4之间的距离l
34x
和线圈7和线圈8之间的距离l
78x
设为2mm。
[0122]
第三步：设置初始值，主要包括原边litz线直径d
np
(原边平面螺线管线圈a和原边dd线圈f使用同样的litz线)、副边litz线直径d
ns
(副边平面螺线管线圈e和副边dd线圈d使
用同样的litz线)、线圈1匝数n1、线圈3匝数n3、线圈5匝数n5、线圈7匝数n7、线圈1和线圈2间距l
12x
、线圈5和线圈6间距l
56x
、迭代次数m、最大迭代次数m
max
。d
np
和d
ns
由电流决定。
[0123]
在本实施方式中，n1、n3、n5、n7初始值设为10，l
12x
设为0.5
×
(d
px
–2×
l
1x
)，l
56x
设为0.5
×
(d
sx
–2×
l
5x
)，迭代次数m等于1，最大迭代次数m
max
等于5。
[0124]
第四步：根据迭代次数m的值确定匝数扫描步长δn
m
。基本原则是m越小，δn
m
越大，m越大，δn
m
越小。δn
m
为正整数，且m等于m
max
时，δn
m
应等于1。
[0125]
第五步：根据迭代次数m的值确定线圈1匝数范围：m等于1时，将线圈1最小匝数n1‑
min
设置为1，最大匝数n1‑
max
根据最大互感m
12_max
设置；m不等于1时，将线圈1最小匝数n1‑
min
设置为n1–3×
δn
m
–1，最大匝数n1‑
max
设置为n1 3
×
δn
m
–1。在n1当前值的基础上，以δn
m
的步长向增减两个方向扫描n1的所有取值，并根据波动最小原则更新n1的值。偏移过程中，松耦合变压器的波动系数定义为：
[0126][0127]
其中m
12_min_op
和m
12_max_op
分别表示该组参数下，在要求的偏移范围内，松耦合变压器的最大和最小互感。k越大，波动越小。
[0128]
第六步：根据迭代次数m的值确定线圈3匝数范围：m等于1时，将线圈3最小匝数n3‑
min
设置为1，最大匝数n3‑
max
根据最大互感m
12_max
设置；m不等于1时，将线圈3最小匝数n3‑
min
设置为n3–3×
δn
m
–1，最大匝数n3‑
max
设置为n1 3
×
δn
m
–1。在n3当前值的基础上，以δn
m
的步长向增减两个方向扫描n3的所有取值，并根据波动最小原则更新n3的值。
[0129]
第七步：根据迭代次数m的值确定线圈5匝数范围:m等于1时，将线圈5最小匝数n5‑
min
设置为1，最大匝数n5‑
max
根据最大互感m
12_max
设置；m不等于1时，将线圈5最小匝数n5‑
min
设置为n5–3×
δn
m
–1，最大匝数n5‑
max
设置为n5 3
×
δn
m
–1。在n5当前值的基础上，以δn
m
的步长向增减两个方向扫描n5的所有取值，并根据波动最小原则更新n5的值。
[0130]
第八步：根据迭代次数m的值确定线圈7匝数范围：m等于1时，将线圈7最小匝数n7‑
min
设置为1，最大匝数n7‑
max
根据最大互感m
12_max
设置；m不等于1时，将线圈7最小匝数n7‑
min
设置为n7–3×
δn
m
–1，最大匝数n7‑
max
设置为n7 3
×
δn
m
–1。在n7当前值的基础上，以δn
m
的步长向增减两个方向扫描n7的所有取值，并根据波动最小原则更新n7的值。
[0131]
第九步：根据迭代次数m的值确定螺线管线圈间距扫描步长δl
m
：基本原则是m越小，δl
m
越大，m越大，δl
m
越小。δl
m
为正整数，单位是mm。
[0132]
第十步：根据迭代次数m的值确定线圈1和线圈2间距l
12x
的范围：m等于1时，将线圈1和线圈2最小间距l
12x
‑
min
设置为0，最大间距l
12x
‑
max
设置为d
px
–2×
l
1x
；m不等于1时，将线圈1和线圈2最小间距l
12x
‑
min
设置为l
12x
–3×
δl
m
–1，最大间距l
12x
‑
max
设置为l
12x
3
×
δl
m
–1。在l
12x
当前值的基础上，以δl
m
的步长向增减两个方向扫描l
12x
的所有取值，并根据波动最小原则更新l
12x
的值。
[0133]
第十一步：根据迭代次数m的值确定线圈5和线圈6间距l
56x
的范围。m等于1时，将线圈5和线圈6最小间距l
56x
‑
min
设置为0，最大间距l
56x
‑
max
设置为d
sx
–2×
l
5x
；m不等于1时，将线圈5和线圈6最小间距l
56x
‑
min
设置为l
56x
–3×
δl
m
–1，最大间距l
56x
‑
max
设置为l
56x
3
×
δl
m
–1。在l
56x
当前值的基础上，以δl
m
的步长向增减两个方向扫描l
56x
的所有取值，并根据波动最小原则更新l
56x
的值。
[0134]
第十二步：根据线圈1匝数n1、线圈3匝数n3、线圈5匝数n5、线圈7匝数n7、线圈1和线圈2间距l
12x
、线圈5和线圈6间距l
56x
的值，仿真得到松耦合变压器的互感值m
12_m
，如果其在[m
12_min
,m
12_max
]范围内，跳至第十三步，否则根据公式(5)更新线圈1、线圈3、线圈5、线圈7的匝数。
[0135][0136]
第十三步：如果迭代次数m大于最大迭代次数m
max
，优化结束，否则跳转至第四步。
[0137]
根据本发明给出的松耦合变压器优化设计方法，得到优化的dd
‑
ps松耦合变压器，其主要参数如表2所示。
[0138]
表2优化的dd
‑
ps松耦合变压器主要参数
[0139][0140]
根据表2，在ansys maxwell中搭建了3维仿真模型，图7给出了m
12
、m
s1s2
、m
s1d2
、m
d1s2
和m
d1d2
随x方向偏移变化曲线。当x方向偏移距离不超过150mm时，m
s1s2
、m
s1d2
恒大于0，其值随偏移距离增大而减小，m
d1s2
、m
d1d2
恒小于0，其绝对值随偏移增大而减小，因此，在整个偏移范围内，m
12
变化非常小，松耦合变压器在x方向上抗偏移性能优异。图8给出了m
12
、m
s1s2
、m
s1d2
、m
d1s2
和m
d1d2
随y方向偏移变化曲线，当y方向偏移距离不超过80mm时，各个互感随偏移变化趋势与x方向偏移时相似，当y方向偏移距离在80mm～110mm之间时，m
d1d2
由负变正，且随偏移增大而增大，在整个偏移范围内，m
12
几乎不变，松耦合变压器在y方向上抗偏移性能良好。
[0141]
根据表2实际绕制了一个dd
‑
ps松耦合变压器，如图9所示。对绕制的松耦合变压器进行测试，测试结果如图10所示。x方向偏移在0mm～140mm之间时，m
12
的范围为31.6μh～33.4μh，x方向的偏移距离与松耦合变压器x方向尺寸比值不超过67.6％时，m
12
仅变化5.8％；y方向偏移在0mm～110mm之间时，m
12
的范围为31.4μh～33.6μh，y方向的偏移距离与松耦合变压器y方向尺寸比值不超过44％时，m
12
仅变化5.0％。为方便比较，将仿真结果亦绘于图10中，实测的互感值和仿真的互感值随x方向和y方形偏移的变化趋势完全一致，且数值上十分接近。
[0142]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神
和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

技术特征：
1.一种dd
‑
ps强抗偏移松耦合变压器，其特征在于，包括原边耦合机构和副边耦合机构；所述原边耦合机构和副边耦合机构相对设置；所述原边耦合机构包括原边平面螺线管线圈(a)、原边dd线圈(f)和原边铁氧体磁芯(b)；原边铁氧体磁芯(b)为矩形，原边dd线圈(f)设置在原边铁氧体磁芯(b)临近副边耦合机构侧，与原边铁氧体磁芯(b)平行；原边平面螺线管线圈(a)分为两部分绕设在原边铁氧体磁芯(b)上，且两部分原边平面螺线管线圈(a)匝数相同；原边平面螺线管线圈(a)与原边dd线圈(f)采用反接的方式连接；副边耦合机构包括副边平面螺线管线圈(e)、副边dd线圈(d)和副边铁氧体磁芯(c)；副边铁氧体磁芯(c)为矩形，副边dd线圈(d)设置在副边铁氧体磁芯(c)临近原边耦合机构一侧，与副边铁氧体磁芯(c)平行；副边平面螺线管线圈(e)分两部分绕设在副边铁氧体磁芯(c)上，且两部分副边平面螺线管线圈(e)匝数相同；副边平面螺线管线圈(e)与副边dd线圈(d)采用顺接方式连接。2.根据权利要求1所述的一种dd
‑
ps强抗偏移松耦合变压器，其特征在于，原边平面螺线管线圈(a)的两部分绕设方向均垂直于原边铁氧体磁芯(b)的长度方向；副边平面螺线管线圈(e)的两部分绕设方向均垂直于副边铁氧体磁芯(c)的长度方向。3.根据权利要求2所述的一种dd
‑
ps强抗偏移松耦合变压器，其特征在于，原边平面螺线管线圈(a)的两部分关于原边铁氧体磁芯(b)的中心对称；副边平面螺线管线圈(e)的两部分关于副边铁氧体磁芯(c)的中心对称。4.根据权利要求3所述的一种dd
‑
ps强抗偏移松耦合变压器，其特征在于，原边dd线圈(f)和副边dd线圈(d)的外轮廓尺寸分别等于原边磁芯和副边磁芯的外轮廓尺寸。5.抗偏移松耦合变压器的参数确定方法，其特征在于，该方法包括：步骤一、根据抗偏移松耦合变压器实际应用的无线电能传输系统的参数，确定原边耦合机构和副边耦合机构的固定尺寸参数和互感值的范围；步骤二、根据抗偏移松耦合变压器实际应用对尺寸的限制，设置待优化参数的范围和优化算法的迭代次数最大值；所述待优化参数包括：原边平面螺线管线圈(a)的匝数、副边平面螺线管线圈(e)的匝数、原边dd线圈(f)的匝数、副边dd线圈(d)的匝数、原边平面螺线管线圈(a)两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈(e)两部分之间的距离；步骤三、根据当前迭代次数m的值，设置该次迭代待优化参数的扫描步长和范围；步骤四、根据步骤三所述该次迭代待优化参数的扫描步长及范围，利用波动最小原则依次更新待优化参数，获得该次迭代松耦合变压器的互感值m
12_m
；步骤五、判断该次迭代松耦合变压器的互感值m
12_m
是否满足所述范围[m
12_min
,m
12_max
]；若是，执行步骤七，否则，执行步骤六；步骤六、利用公式：
依次更新待优化参数中原边平面螺线管线圈(a)的匝数、副边平面螺线管线圈(e)的匝数、原边dd线圈(f)的匝数、副边dd线圈(d)的匝数，然后更新松耦合变压器的互感值m
12_m
，执行步骤七；其中，round表示取整函数，i等于1、3、5、7时，n
i
分别表示原边平面螺线管线圈(a)的匝数、原边dd线圈(f)的匝数、副边平面螺线管线圈(e)的匝数和副边dd线圈(d)的匝数；步骤七、判断当前迭代次数m的值是否等于迭代次数最大值，若是，则记录步骤四更新的更新待优化参数,，完成松耦合变压器的参数确定；否则，令当前迭代次数m＝m 1，返回执行步骤三。6.根据权利要求5所述的抗偏移松耦合变压器的参数确定方法，其特征在于，步骤一中所述抗偏移松耦合变压器实际应用的无线电能传输系统的参数包括：电压应力、电流应力、电压增益和输出功率。7.根据权利要求5所述的抗偏移松耦合变压器的参数确定方法，其特征在于，步骤一中所述原边耦合机构和副边耦合机构的固定尺寸参数包括：原边铁氧体磁芯(b)尺寸、副边铁氧体磁芯(c)尺寸、原边dd线圈(f)外尺寸，副边dd线圈(d)外轮廓尺寸，原边平面螺线管线圈(a)线材的直径，原边dd线圈(f)线材的直径、副边平面螺线管线圈(e)线材的直径、副边dd线圈(d)线材的直径，原边dd线圈(f)两部分之间的距离和副边dd线圈(d)两部分之间的距离。8.根据权利要求5所述抗偏移松耦合变压器的参数确定方法，其特征在于，步骤二中所述的迭代次数最大值为5。9.根据权利要求5所述的抗偏移松耦合变压器的参数确定方法，其特征在于，步骤三中待优化参数该次迭代的扫描步长包括：线圈匝数扫描步长δn
m
和螺线管线圈两部分之间距离扫描步长δl
m
。10.根据权利要求5所述抗偏移松耦合变压器的参数确定方法，其特征在于，步骤三中确定待优化参数范围包括：确定原边平面螺线管线圈(a)的匝数范围、原边dd线圈(f)匝数范围、副边平面螺线管线圈(e)匝数范围、副边dd线圈(d)匝数范围、原边平面螺线管线圈(a)两部分之间的距离范围、副边平面螺线管线圈(e)两部分之间的距离范围；其中，确定原边平面螺线管线圈(a)的匝数范围、原边dd线圈(f)匝数范围、副边平面螺线管线圈(e)匝数范围、副边dd线圈(d)匝数范围的方法相同；确定原边平面螺线管线圈(a)的匝数范围的方法为：当m等于1时，将原边平面螺线管线圈(a)最小匝数n1‑
min
设置为1，最大匝数n1‑
max
根据最大互感m
12_max
设置；m不等于1时，将原边平面螺线管线圈(a)的匝数最小匝数n1‑
min
设置为n1–3×
δn
m
–1，最大匝数n1‑
max
设置为n1 3
×
δn
m
–1，其中，δn
m
–1为第m
‑
1次迭代的线圈匝数扫描步长；n1原边平面螺线管线圈(a)的匝数；其中，确定原边平面螺线管线圈(a)两部分之间的距离范围、副边平面螺线管线圈(e)两部分之间的距离范围的方法相同；
确定原边平面螺线管线圈(a)两部分之间的距离范围的方法为：当m等于1时，将原边平面螺线管线圈(a)两部分之间最小间距l
12x
‑
min
设置为0，最大间距l
12x
‑
max
设置为d
px
–2×
l
1x
；m不等于1时，将原边平面螺线管线圈(a)两部分之间最小间距l
12x
‑
min
设置为l
12x
–3×
δl
m
–1，最大间距l
12x
‑
max
设置为l
12x
3
×
δl
m
–1，其中，d
px
为原边磁芯长度，l
1x
为原边平面螺线管线圈(a)的长度，δl
m
–1为第m
‑
1次迭代的线圈两部分之间距离扫描步长。11.根据权利要求10所述抗偏移松耦合变压器的参数确定方法，其特征在于，步骤四中利用波动最小原则依次更新待优化参数的方法为：更新原边平面螺线管线圈(a)的匝数、原边dd线圈(f)匝数、副边平面螺线管线圈(e)匝数、副边dd线圈(d)匝数、原边平面螺线管线圈(a)两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈(e)两部分之间的距离的方法相同；更新原边平面螺线管线圈(a)的匝数的方法为：保持原边dd线圈(f)匝数、副边平面螺线管线圈(e)匝数、副边dd线圈(d)匝数、原边平面螺线管线圈(a)两部分之间的距离、副边平面螺线管线圈(e)两部分之间的距离不变的情况下，使原边平面螺线管线圈(a)的匝数依次等于n1‑
min
、n1‑
min
δn
m
、n1‑
min
2
×
δn
m
、
…
、n1‑
max
‑
δn
m
、n1‑
max
；通过仿真得到每个原边平面螺线管线圈(a)的匝数值对应的松耦合变压器的最小互感值m
12_min_op
和最大互感值m
12_max_op
，利用松耦合变压器的波动系数公式：求得每个原边平面螺线管线圈(a)的匝数值对应的波动系数，将原边平面螺线管线圈(a)的匝数值更新为最小波动系数对应的原边平面螺线管线圈(a)的匝数值。
技术总结
一种DD


技术研发人员：姚友素 庄廷伟 麦建伟 王懿杰 刘晓胜 徐殿国
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2021/6/29