一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法技术

本发明专利技术公开了一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法，涉及电磁线圈系统领域，能够简化受到非铁磁金属介质运动干扰的，同轴多线圈之间的互感计算过程，提高计算速度。本发明专利技术包括：将线圈等效为细线模型；确定相互影响的线圈、非铁磁金属介质并建立空间坐标系；根据非铁磁金属介质位置及运动影响划分空间区域；计算每个通电线圈在空间任意点的矢量磁位；利用磁场的叠加原理得到空间中任意点的总矢量磁位；对线圈进行总矢量磁位的环路积分得到通过线圈的磁链；通过磁链计算线圈之间的互感。本发明专利技术可应用于存在介质阻碍的多线圈互感计算，并能简化计算过程，有效提高计算速度。

【技术实现步骤摘要】
一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法
本专利技术涉及电磁线圈系统领域，尤其涉及一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法。
技术介绍
目前，同轴多线圈系统广泛用于感应加热、无线电能传输、传感器等领域，线圈之间的互感参数是表征这些工程系统的重要参数。在实际应用过程中，常常存在多线圈系统，例如一个原边线圈和多个副边线圈或是多个原边线圈和一个副边线圈的系统。而这样的多线圈系统的线圈之间存在互相影响，也就是系统的中的某一个线圈的存在会对其他线圈之间的互感产生一定的影响，当系统的输出功率较大时，线圈之间的互相影响就会相对比较明显。另一方面，在传感器和无线电能传输等领域，传输通道上不可避免存在一定的非铁磁金属介质或是障碍，例如常见的金属铝、铜等等。这样的非铁磁金属介质的存在会对系统能量和信号的传输产生一定的阻碍和屏蔽，改变信号和能量的传输效率，采用原有的互感计算方法很难考虑到金属介质对系统互感的影响，无法将非铁磁金属介质的影响定量确定。因此，需要提出一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈互感计算方法，简化非铁磁金属介质运动的同轴多线圈之间的互感计算过程，提高计算速度。
技术实现思路
本专利技术提供一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法，能够简化受到非铁磁金属介质运动干扰的，同轴多线圈之间的互感计算过程，提高计算速度。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法，包括以下步骤：S1、将忽略线圈线径的导线等效为细线模型，根据细线模型确定相互影响的线圈的数量、传输通道上的非铁磁金属介质参数；S2、建立空间坐标系，确定线圈、非铁磁金属介质在空间坐标系中的坐标，根据非铁磁金属介质的位置及运动情况，划分空间区域；S3、利用麦克斯韦方程组计算每个通电的线圈在空间任意点的矢量磁位A，利用磁场的叠加原理得到空间中任意点的总矢量磁位；S4、取待计算的线圈进行总矢量磁位的环路积分，得到通过线圈的磁链，再通过求得的磁链计算待计算线圈与其他线圈之间的互感。进一步的，S2具体包括以下步骤：S21、将相互影响的线圈个数标记为n，以同轴线圈的圆心连线为坐标系Z轴，建立右手螺旋坐标系。、将非铁磁金属介质的上表面和下表面投影至Z轴，得到非铁磁金属介质上、下表面投影在Z轴上的坐标；S23、根据所述线圈和非铁磁金属介质在Z轴上的投影坐标，依据包含介质的线圈系统区域划分规则，划分计算区域。进一步的，包含介质的线圈系统区域划分规则为：将线圈和非铁磁金属介质在Z轴上的投影坐标自下而上依次排列，将投影坐标的值标记为zi，i为投影坐标的数量，以投影坐标所在的X-zi-Y平面作为分界面，划分包含介质的线圈系统。进一步的，空间中任意点的总矢量磁位的计算公式为：其中，空间区域被划分为j个区域，依次为Ω1、Ω2…Ωj，A1Φ是Ω1区域的总矢量磁位，k为线圈的标号，k=1,2,3,4,5，ρk是第k个线圈的半径，zk表示线圈k在坐标系中的位置，z1、z2、z3、z4、z5分别为线圈1、2、3、4、5在坐标系中的位置，μ0是真空中的磁导率，J1(λρk)是第一阶贝塞尔函数，Ik表示通过第k个线圈的电流大小，Fk和b为便于计算的变量，无具体的物理意义，均为相应式子的简化表达，C11为在Ω1区域内的计算系数，e为自然常数，中z为任意一点的z轴坐标，λ为被积变量，zi为划分后的空间区域的边界面的Z轴坐标值，uj为区域Ωj的电磁参数常数，j=1,2,3,4,5，u1、u2、u3、u4、u5分别为区域Ω1、Ω2、Ω3、Ω4、Ω5的电磁参数常数。进一步的，在S4中，通过线圈的磁链的计算公式为：其中，k为线圈的标号，ψk表示穿过线圈k的总磁链，Mkm表示第k个线圈和第m个线圈之间互感，k、m的取值为1,2,3,...n，n为系统中线圈的最大数量，φk表示通过第k个线圈的磁通量，ρk是第k个线圈的半径，Aj是线圈所在的划分后空间区域的总矢量磁位，Lk表示第k个线圈的自感，ls表示积分线圈k的环路长度，Ik为线圈k中通过的电流大小，eφ为线圈方向矢量，φ代表的是圆周方向环量积分的积分变量，Im表示线圈m中通过的电流大小。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过对传输通道上存在非铁磁金属介质同轴多线圈进行建模计算，量化表达多线圈能量传输或是信号传输通道存在非铁磁金属介质对传输系统的影响，然后利用空间位置划分，依据时谐电磁场的方法和多线圈系统理论，有效地表示出在传输通道上存在非铁磁金属介质情况下的同轴多线圈互感计算，因此可应用于存在介质阻碍的多线圈互感计算，并能简化计算过程，为设计考虑介质影响的无线能量传输系统、传感器信号传递系统提供理论的计算方法，提高设计优化速度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为实施例中三线圈单非铁磁金属介质计算情况和区域划分；图2为实施例中测量压电材料的阻抗特性，并根据所述阻抗特性和材料本身的损耗特性约束目标函数的范围具体流程图；图3为实施例中将同轴线圈的圆心连线作为坐标系Z轴建立的右手螺旋坐标系；图4为实施例中根据目标函数确定性能参数具体流程图；图5为实施例中对性能参数进行判断具体流程图。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术实施例提供一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法，流程图如图1所示，包括：S1、将忽略线圈线径的导线等效为细线模型，确定相互影响的线圈的数量和存在的非铁磁金属介质的数量。建立同轴线圈空间坐标系，根据线圈位置划分空间区域，同时考虑线圈在非铁磁金属介质的影响下的空间划分，具体步骤如图2所示，包括：S11、忽略线圈导线的截面积，将导线视为理想的细线模型，其具体参数可以通过电流密度来表示。确定系统中相互影响的线圈个数，并确定系统中通道上的非铁磁金属介质的位置和数量，具体来说就是系统中存在的信号或是能量发射线圈，接收线圈以及对系统传输效率带来影响的非铁磁金属介质。S12、将相互影响的线圈个数标记为n，以同轴线圈的圆心连线为坐标系Z轴，建立右手螺旋坐标系。将非铁磁金属介质的上表面和下表面投影至Z轴，得到非铁磁金属介质上、下表面投影在Z轴上的坐标。S13、根据线圈和非铁磁金属介质在Z轴上的投影坐标，依据包含介质的线圈系统区域划分规则，划分计算区域。具体的，计算区域划分规则为：系统中有n个线圈且同轴分布，那么便将空间划分为n+1个区域，将上述n+1个区域按照Z轴坐标值大小由负至正排序，将最下方的区域标记为位置1。当系统仅存一个非铁磁金属介质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、将忽略线圈线径的导线等效为细线模型，根据所述细线模型确定相互影响的线圈的数量、传输通道上的非铁磁金属介质参数；/nS2、建立空间坐标系，确定所述线圈、非铁磁金属介质在所述空间坐标系中的坐标，根据所述非铁磁金属介质的位置及运动情况，划分线圈系统空间区域；/nS3、利用麦克斯韦方程组计算每个通电的所述线圈在空间任意点的矢量磁位

【技术特征摘要】
1.一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将忽略线圈线径的导线等效为细线模型，根据所述细线模型确定相互影响的线圈的数量、传输通道上的非铁磁金属介质参数；
S2、建立空间坐标系，确定所述线圈、非铁磁金属介质在所述空间坐标系中的坐标，根据所述非铁磁金属介质的位置及运动情况，划分线圈系统空间区域；
S3、利用麦克斯韦方程组计算每个通电的所述线圈在空间任意点的矢量磁位A，利用磁场的叠加原理得到空间中任意点的总矢量磁位；
S4、取待计算的线圈进行总矢量磁位的环路积分，得到通过线圈的磁链，再通过求得的磁链计算所述待计算线圈与其他线圈之间的互感。


2.根据权利要求1所述的一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法，其特征在于，所述S2具体包括以下步骤：
S21、将相互影响的线圈个数标记为n，以同轴线圈的圆心连线为坐标系Z轴，建立右手螺旋坐标系；
S22、将所述非铁磁金属介质的上表面和下表面投影至Z轴，得到所述非铁磁金属介质上、下表面投影在Z轴上的坐标；
S23根据所述线圈和非铁磁金属介质在Z轴上的投影坐标，依据包含介质的线圈系统区域划分规则，划分计算区域。


3.根据权利要求2所述的一种涉及非铁磁金属介质的同轴多线圈的互感计算方法，其特征在于，所述包含介质的线圈系统区域划分规则为：
将所述线圈和非铁磁金属介质在Z轴上的投影坐标自下而上依次排列，将所述投影坐标的值标记为zi，i为投影坐标的数量，以所述投影坐标所在的X-zi-Y平面作为分界面，划分所述包含介质的线圈系统。...

【专利技术属性】
技术研发人员：董洋洋，尚恺，张子建，邵明，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32