无线功率传输系统中用于增强错位容错能力的重新定位逆序串联圆角矩形线圈结构设计与优化

《IEEE Open Journal of Vehicular Technology》：Design and optimization of Repositioned Reverse- Series Rounded-Rectangular Coil Structure for Enhanced Misalignment Tolerance in Wireless Power Transfer Systems

　　摘要：无线电能传输（WPT）系统中的失配对会导致互感（MI）降低，从而引起输出功波动和效率下降。为解决这一关键挑战，本研究提出了一种新型分析方法，用于线圈结构的柔性优化，并设计了一种带铁氧体磁芯的重新定位反串圆角矩形（RRS-RR）线圈结构，其中对RRS-RR线圈结构进行了全局几何优化以增强失配对耐受性。此外，基于多重镜像法建立了一个数学映射框架，系统地量化带铁氧体磁芯的发射线圈（TX）与接收线圈（RX）之间的互感变化。RRS-RR线圈的空间配置由几何参数定义，通过全局几何优化确定横向位置、轴向位置和圆角半径。通过消除发射线圈内径带来的约束，扩展了TX与RX线圈之间的互耦合区域。优化后的耦合器通过增强磁通传输有效抑制了互感波动，在200毫米失配对条件下，变化率仅为3.53%（X轴方向）和5.69%（45°对角线方向）。3.4千瓦原型机的实验结果表明，在完美对位时DC-DC效率为89.05%。在200毫米横向和45°对角线失配对条件下，效率仍保持87.47%和86.78%，分别仅下降了1.58和2.27个百分点。