感应电能传输中矩形螺线线圈互感耦合的解析建模与分析

线圈之间的互感是感应电能传输(IPT)系统设计的一个关键参数,准确地计算两个线圈之间的互感是优化IPT系统结构及提高传输效率的理论依据。该文利用二阶矢量位建立了两个矩形螺线线圈之间互感的解析模型。首先,将矩形螺线线圈简化为一系列矩形截面的同轴单矩形线圈,从而将矩形螺线线圈的磁场分布及其互感计算问题转为多个同轴单矩形线圈相应问题的叠加。然后,基于二阶矢量位公式,推导了矩形发射线圈的标势表达式,并在此基础上计算了穿过矩形接收线圈的磁通量。最后,推导了含有二重广义积分项的矩形螺线线圈互感的解析表达式,并以两个相同形状的矩形螺线线圈为例进行了模型验证,计算结果与实验测量值吻合良好。该方法可以为使用矩形螺线线圈作为耦合器件的IPT系统提供参数优化依据。     

利用单端口阻抗测量值和灵敏度分析的耦合线圈参数辨识

在无线电能传输技术中,电磁耦合线圈的电路模型参数是设计阻抗补偿电路、计算功率损耗、研究频率特性的关键参数。该文利用单端口阻抗和灵敏度分析,提出了一种电磁耦合线圈模型参数的离线辨识方法。将电磁耦合线圈连接成单端口网络,利用阻抗分析仪的测量值和基于模型参数的理论计算结果,构造了以阻抗误差模的平方和为最小的目标函数;利用单端口等效阻抗对模型参数的灵敏度,计算目标函数的寻优方向;借助双端口网络的T形等效电路,提出了计算灵敏度的单位电流源激励法。该方法根据单位电流源相量作用下,元件上的电流相量或电压相量的平方,或它们的乘积,便可计算出阻抗对不同参数的灵敏度,避免了难以求解的阻抗解析表达式及其偏导数。在实验研究中,将耦合线圈置于海水槽中,在参数辨识中考虑了海水的电磁作用和导线的集肤效应与内电抗。     

三维探伤涡流场的研究与线圈阻抗的计算

本文研究了均匀半空间导体内含有任意形状三维缺陷时放置式线圈阻抗增量的数值模型，提出了一种计算阻抗增量的“半解析体积分方程法”。它包括本文首次导出的不含微分项和积分项的均匀半空间导体并矢格林函数解析式，缺陷区域的剖分方法，离散方程组的系数矩阵和右端向量的计算，非对称复系数方程组的求解以及阻抗增量计算等。用ＴＥＡＭＷｏｒｋｓｈｏｐ问题１５作为验证模型，对比结果表明，计算值和测量值吻合良好。     

无线电能传输系统带磁屏蔽任意位置矩形线圈的互感计算

互感是无线电能传输系统的一个关键参数,在电动汽车线圈耦合机构中添加磁屏蔽材料,可以有效减少磁泄漏,增强线圈之间的互感。目前还没有方法计算带磁屏蔽任意位置矩形线圈之间的互感。为此该文基于双傅里叶变换和麦克斯韦方程组推导了带磁屏蔽条件下的磁通密度。并在此基础上,利用空间直角坐标变换法,得到了任意相对位置两个矩形线圈的互感计算式。与传统的近似计算方法不同,所提出的方法是计算互感的解析方法,可以对线圈间互感进行精确的数值求解。最后,以两个具有多种位置变化情况的矩形螺旋线圈为例进行了模型验证,互感的理论计算值和有限元仿真结果及实验结果吻合良好,验证了所提方法的有效性。     

无接触传能谐振线圈参数及频率的分析计算

以无接触传能系统中的平面螺旋线圈为研究对象,对其分布参数和工作频率的计算方法进行研究。从电磁场理论出发,提出线圈分布参数的计算模型和方法,并建立整个线圈的等效电路模型。在此基础上,分析计算线圈的阻抗特性和变化规律,并确定线圈工作的谐振频率。谐振线圈实测结果表明所提方法合理有效。     

基于有限元仿真电涡流传感器的结构优化

传感器性能受线圈形状及其几何参数影响。为优化传感器性能,运用COMSOL Multiphysics建立了有限元仿真模型。通过有限元数值仿真分析,研究了传感器的结构,优化并实验验证了有限元模型的合理性。通过有限元仿真分析发现双正交矩形柱型传感器比单正交矩形柱型传感器具有更高的检测灵敏度。此外,进一步研究分析了在线圈匝数密度不变情况下,双正交矩形柱型传感器辅助线圈厚度、外形状系数、内形状系数、激励电流、外形状比例系数对其检测灵敏度的影响,为合理选择线圈参数提高传感器性能提供参考。     

倾斜轴空心矩形截面圆柱线圈互感计算

运用等效圆环回路法与任意方位的两圆环之间的互感公式得到了倾斜轴空心矩形截面圆柱线圈的互感公式。由于任意方位圆环互感公式保持了简洁的单重积分形状,本文的公式亦具有简洁的单重积分形状。除了线圈间距很近的情况外,任意方位的矩形截面圆柱线圈的互感可以被足够精确地算出。本文公式在同轴与平行轴的情形与已有文献数据进行了比较以验证本文公式的精度;在线圈轴倾斜的情形与精确公式进行了比较以验证本文公式计算一般情形互感时的精度。比较结果表明这些公式具有足够高的精度,可以用于一般方位矩形截面圆柱线圈互感的计算。同时,两任意线圈的解耦位置也可以运用本文公式求得。     

高速列车屏蔽线转移阻抗与屏蔽效能研究

针对高速动车组屏蔽线缆受电磁干扰问题,在单层屏蔽转移阻抗解析法模型的基础上,考虑双层屏蔽对屏蔽层直流阻抗和小孔电感的影响,提出用于计算高速动车组屏蔽线缆转移阻抗的双层屏蔽解析法优化模型。同时结合传输线与屏蔽效能理论,推导屏蔽效能与转移阻抗的定量关系,以及芯线受到传导干扰后的理论数学模型。最后,以某动车组屏蔽线缆为研究对象进行建模仿真,分析线缆受扰情况,对比CST仿真值与计算值,验证了本文所提优化模型的正确性。优化模型在各频段的计算误差均值低于10%,验证了优化模型的有效性。揭示了高速动车组屏蔽线缆的受扰机理。     

金属管道外放置式偏心弯曲矩形线圈涡流场的解析解

本文得到了偏心弯曲矩形线圈在非铁磁性金属管道侧面放置时涡流场的解析解。求解过程是:用二阶磁矢位建立了涡流问题的数学模型,得到了含待定偏心线圈系数的二阶位函数表达式;根据毕奥-萨伐尔定律和用修正贝塞尔函数表示的距离倒数得到了线圈未偏移时的线圈系数;利用修正贝塞尔函数的加法定理计算出线圈偏移后的偏心线圈系数。在涡流场解析解的基础上,本文计算了偏心弯曲矩形检测线圈上的感应电压。实验表明,理论分析结果与实验结果吻合。     

基于S/SP补偿的整流性负载等效阻抗精确计算方法及逆变器开关损耗优化

基波等效法是无线电能传输(wireless power transfer,WPT)技术的主要研究方法,该方法将整流性负载的基波阻抗等效为某一纯电阻,为系统的建模和分析提供基础。但该方法忽略整流性负载谐波阻抗的影响,使WPT系统的实际响应与理论分析结果存在较大的误差,从而影响系统的模型精度,限制WPT系统的进一步优化设计。该文以基于串/串并(series/series-parallel,S/SP)补偿网络的WPT系统为研究对象,分析利用基波等效法进行建模产生误差的原因,并提出一种基于迭代法的整流性负载基波以及各次谐波等效阻抗的精确计算方法。在此基础上,建立WPT系统的精确电路响应模型,所提模型可以有效表征发射线圈电流的畸变特性,并根据系统响应与补偿网络参数的关系获得系统逆变器开关损耗的优化设计方法。最后,搭建一台3kW的WPT系统样机,实验结果验证理论分析的正确性和可行性。     

线圈高频损耗解析算法改进及在无线电能传输磁系统设计的应用

圆导体环形线圈在磁耦合谐振式无线电能传输系统中应用广泛,线圈高频损耗对磁耦合系统的分析设计和效率至关重要。针对目前解析计算方法在计算邻近效应损耗时的不足以及有限元仿真的局限性,本文以螺旋型线圈为例,深入分析了圆导体线圈的趋肤效应与邻近效应,提出了多匝圆导体线圈高频损耗的通用解析计算方法。该方法适用于任意形状(如螺旋型、涡状)的漆包线以及多股绞线线圈,比目前其他解析计算方法具有更高的精度和适用范围,且计算速度快。本文进一步将该方法应用于线圈Q值的优化,并通过实测验证了所提出的解析计算方法的计算高效性和模型准确性。     

涡流探头提离效应的理论分析与实验研究

推导了线圈置于有限厚度的金属平板上方时其阻抗计算的级数表达式,并以此为基础分析了由线圈的提离改变所引起的线圈阻抗的变化特征.同时采用有限元法对导体平板上有缺陷存在时的复杂三维涡流问题进行计算求解,进一步分析了提离变化对缺陷所引起的线圈阻抗变化的影响.结果表明提离增加会显著降低缺陷信号的幅值,但并不影响缺陷信号和提离轨迹之间的相位差,通过分析相位差随检测频率的变化规律发现:存在一个合适的频率可使缺陷信号和提离干扰之间出现90°的相位差.实验数据说明了阻抗计算模型及其理论分析的正确性,其结论为实际检测中利用相位旋转及信号增强技术消除提离干扰提供了有价值的理论参考.     

金属网电磁屏蔽特性的解析研究

基于金属网表面阻抗模型和全波仿真软件,讨论了金属网对平面波屏蔽效能计算公式的适用范围。在此基础上利用全波仿真软件,计算了金属网网孔形状为菱形时的屏蔽效能,对金属网的屏蔽机理进行了分析。根据传输线理论和金属网表面阻抗模型,将双层无限大金属网用传输线模型进行等效,提出了计算双层无限大金属网屏蔽效能的解析模型,通过解析模型计算结果与全波仿真结果相比较,验证了解析模型的准确性,进一步探讨了双层金属网的屏蔽特性以及与单层金属网屏蔽效能的差异。     

通电矩形线圈周围任意点B向量的计算

对处于均匀介质中的通电矩形线圈周围任意点的磁感应强度进行计算,并给出了几个计算实例。     

高速永磁同步电机线圈与绕组电枢磁场计算方法及其内在联系

为简化和统一复杂绕组磁场的分析问题,提出一种简易的单匝线圈磁场预测绕组磁场计算方法。基于高速永磁同步电机等效同心圆多层模型和涡流场泊松方程,结合各种介质交界面条件和边界条件,建立了稀疏矩阵形式的单匝线圈电枢磁场的解析方程组。从绕组排布组合形式多样性的特点出发,根据线圈位置和同相线圈连接方式,通过线圈代数化和绕组集合化处理,将线圈和绕组之间的递推关系简化和统一,揭示其关联性。线圈和绕组电枢磁场的解析计算方法和内部关系得到有限元仿真和相关文献计算方法的证实,结果表明了使用单匝线圈磁场研究绕组磁场问题的准确性和可行性。最后基于相关计算方法和内部关系的研究,分析了绕组合成磁场时空谐波的规律。     

空心矩形截面圆柱线圈自感计算的新方法

对空心矩形截面圆柱线圈的自感的多重积分表达式进行了分析,指出了该积分难于处理的原因,并对此引入距离倒数的级数展开使被积函数变量去耦,使积分过程大为简化,并据此推出空心矩形截面圆柱线圈自感新的计算公式。特殊情形的单层线圈与盘式线圈的自感公式也一并给出。这些新公式包含Bessel函数、Struve函数、第一类和第二类完全椭圆积分。随后对本文提出的公式进行了数值计算并与已有文献中的结果进行了比较。数值结果表明,相较已有的公式而言,这些新的公式以足够简洁的形式给出高精度的计算结果,使空心矩形截面圆柱线圈以及单层圆柱线圈、圆盘线圈的自感计算效率与精度得以提高。     

适应实际电网阻抗特性的DFIG不平衡电压解耦补偿技术

提出了一种利用双馈感应发电机(DFIG)补偿公共连接点(PCC)不平衡电压的方法。在DFIG负序数学模型基础上,使用基于电网阻抗观测的解耦控制器实现DFIG对PCC负序电压交、直轴分量的解耦控制,确保DFIG系统在任意电网阻抗比下具有优良的负序电压补偿性能。详细介绍了该方法的设计思路,推导了使用该方法的DFIG系统的闭环传递函数,通过研究电网阻抗比变化时系统闭环极点的轨迹分析了所提不平衡补偿方法的稳定运行能力,并分析了所提方法对电网阻抗动态变化及阻抗估计误差的适应能力。搭建了Simulink仿真模型,对比分析了所提解耦补偿方法与传统不解耦补偿方法的控制性能。最后,搭建了单机实验平台,实验结果证明了所提补偿方法的有效性和相比不解耦补偿方法的优越性。     

球和线圈共轴的涡流问题解析解

导电导磁球和轴对称线圈的共轴电磁系统可用于球的涡流无损检测。文章利用磁矢量位和洛化兹规范,建立了均匀导电导磁珠和圆环线圈共轴电磁系统的时谐场边值问题,用分离变量法解得到了球的散射场解析解。在此基础上,导出了球和空芯圆柱线圈共轴电磁系统的电磁场解析解上,导出了球和空芯圆柱线圈共轴电磁系统的电磁场解析解和线圈的阻抗增量解析式。为便于计算,给出了复宗量的球贝塞尔函数的计算方法。实验表明,阻抗增量的理论计     

多激励涡流阵列探头阻抗分析

针对涡流阵列多激励场的理论计算问题,推导无缺陷有限厚无限大平板导体涡流多激励阵列传感器的磁场分布,应用互易定理得到理想裂纹时阵列传感器的阻抗变化解析式,提出阵列传感器线圈单元近似互感的计算式。对双激励、三激励线圈阵列传感器裂纹检测进行阻抗分析,给出了裂纹长度和裂纹中心的近似解。研制涡流阵列无损检测平台,基于实验平台验证了解析解和数值计算结果的正确性。     

高压直流输电系统直流谐波阻抗的解析计算及谐振分析研究

研究了常规高压直流输电系统直流回路谐波谐振问题。采用解析计算的方法,对典型高压直流输电系统的直流回路谐波阻抗进行数学建模。基于状态空间模型得到了直流谐波阻抗的解析表达式,形成了直流回路阻抗频谱,并通过PSCAD软件对所提模型进行了验证。分析了系统各环节参数与直流谐波阻抗的耦合关系。提出了采用调整控制参数实现直流回路谐振宽频抑制的方法,并通过电磁暂态仿真对所提方法进行了验证。结果表明,所提方法可有效提升高压直流系统的直流谐振抑制能力和安全稳定运行水平。