無線電能傳輸磁耦合系統綜述

謝文燕，陳琪瑯，陳 為

（1.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108；2.福建省電力有限公司泉州電業局，福建 泉州 362000）

0 引 言

隨著社會經濟和科學技術的不斷發展，越來越多的電子產品和設備進入人們的生活，如筆記本電腦、電動車、MP3等。然而傳統的接觸式直接供電中冗長的滿足絕緣要求的導線引線以及電插頭的經常拔插、發熱、燒蝕以及電弧等引起的故障限制了這些移動設備的便攜性、靈活性、安全性和穩定性，也影響了環境的美觀性。人們迫切需要一種新型的電能傳輸技術，來滿足日常生活中一些新型電氣設備及各種特殊環境下的要求。無線電能傳輸技術能有效利用銅、塑料等材料，節約了資源，減少了污染，具有綠色環保、節能、免維護或少維護等優勢。國內外許多科研院所和公司對無線電能傳輸進行了漫長而又執著的研究［1－8］。

本文闡述了無線電能傳輸技術的基本原理及特點，比較系統地綜述了無線電能傳輸系統的關鍵部件——磁耦合元件，并探討了磁耦合元件的關鍵技術、發展趨勢和研究方向。

1 無線電能傳輸系統簡介

無線電能傳輸技術是一種不依靠電導體傳輸電功率的技術。其能量傳輸框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，無線電能傳輸系統的總體架構包括電源側的能量變換環節、能量傳遞環節和負載側的能量調節環節。系統的工作原理是:工頻交流電經過整流濾波電路變換成直流電后經過功率因數校正電路和高頻逆變環節給初級發射線圈（TX）供給高頻交流電，次級接收線圈（RX）與初級發射線圈中高頻交變電流產生的磁鏈相交鏈，產生感應電動勢，該感應電動勢再通過高頻整流濾波和功率調節后給各類用電設備供電。

圖1 無線電能傳輸系統能量傳輸框圖

系統架構中的磁耦合元件是系統非常關鍵的部分，系統通過它才能夠實現電能的無線傳輸。其原理上與傳統變壓器有很多的類似之處，都是通過電磁感應原理實現電能從初級側到次級側傳遞。但該磁耦合元件的初級發射線圈和次級接收線圈是分離的，導致漏磁很大，勵磁電感很小，因此耦合系數很小，這加大了傳輸系統的無功功率，從而增大了電路中功率開關器件的電壓或電流應力，不僅對實現電能的高效、大容量無線傳輸具有很大影響，還會對周圍空間環境造成很大的電磁泄露和干擾。正是由于磁耦合元件的松耦合特性，導致其成為了制約無線電能傳輸系統高效、大容量傳遞的瓶頸，因此研究磁耦合元件，提高耦合系數對于提高無線電能傳輸系統的傳輸效率和減小電磁輻射具有重要的意義。

2 研究現狀

2.1 磁耦合元件的工作原理

圖2給出了無線電能傳輸磁耦合元件的互感等效模型。圖中Ltx，Lrx表示初、次級線圈的自感，Rtx，Rrx表示初、次級線圈的內阻，M表示初、次級線圈之間的互感，ω為高頻逆變電路的工作角頻率，Itx和Irx分別為初、次級線圈電流，jωMItx是初級線圈電流在次級線圈的感應電壓，jωMIrx是次級線圈在初級線圈的反映電壓，Re為次級線圈接的等效負載電阻，Uin為前級高頻逆變電路輸出到初級線圈的電壓（這里假設高頻逆變電路的開關頻率遠遠小于線圈的自諧振頻率，線圈的分布電容忽略）。

圖2 磁耦合元件的互感等效模型

由圖2給出的參考方向可以列出KVL方程:

根據式（1）和式（2）可以推導出如圖3所示的初級側等效電路圖。次級線圈對初級系統的影響可以用反映阻抗Zr來表示。

圖3 初級側等效電路圖

從Rr的表達式可以看出互感M直接影響傳遞到次級的有功功率。而互感的大小是由線圈之間的耦合系數k決定的。兩磁耦合線圈之間耦合系數為:

耦合系數k與磁耦合元件的磁性材料、磁芯結構，線圈布置方式以及氣隙的大小有關。

2.2 磁耦合元件的優化

隨著氣隙的增大，磁耦合元件的耦合系數會減小。如何提高磁耦合元件的耦合系數，并盡可能地減小體積和重量已然成為研究的難點。要想在一定氣隙和占用空間內，獲得更大的耦合系數只能去優化磁性材料、磁芯結構、繞組分布方式等因素。

（1）磁芯材料的選擇

由于在無線電能傳輸系統中，磁耦合元件是松耦合的，初、次級線圈之間的漏感比較大，耦合系數比較小。為減小整個裝置的體積，提高系統的能量密度和傳輸效率，通常系統工作的頻率都比較高，但隨著頻率的提高，磁芯的損耗越來越大。因此無線電能傳輸系統磁性材料的選擇對磁耦合元件實現高效、高功率和體積小型化顯得尤為重要。在實際系統中，為了防止磁芯飽和，減小體積，降低磁芯損耗，選取軟磁材料一般要求［9］:①高的磁導率；②很小的矯頑磁力和狹窄的磁滯回線；③高的電阻率；④足夠大的飽和磁感應強度。

一般鐵氧體、鐵鎳軟磁合金、非晶合金三種軟磁材料都能滿足無線電能傳輸磁耦合元件對磁性材料的要求，但總體性能上，非晶合金的各項指數大體優于其它軟磁材料。實際應用中，磁材的選擇要對成本、性能、工作環境等進行綜合考慮。

（2）磁芯結構的優化

提高磁耦合元件的耦合系數是提高系統電能傳輸效率的關鍵所在。而如何提高耦合系數并盡可能地減小其體積和重量，卻是無線電能傳輸技術的研究難點。為此，各國學者進行了很多的研究。為了提高磁耦合線圈耦合系數，文獻［10］不惜以加大磁芯的體積和重量為代價，用體積366 cm3、重量為17.2 kg的磁芯制作變壓器，但過大的體積和重量降低了它的實用價值。文獻［11］在文獻［10］的基礎上，將圓形磁芯分割成扇面，如圖4所示。分割后，耦合系數與原來相當，而磁芯重量大大減小，大大增加了它的適用性。此外，新西蘭奧克蘭大學以Boys教授為核心的課題組也采用分割磁芯方法來優化無線電能傳輸的磁耦合元件，已達到減輕重量的目的［12］，優化的磁芯結構如圖5所示。

圖4 圓形磁芯分割成扇面示意圖

圖5 Boys教授課題組優化的磁芯結構

雖然采用磁芯的磁耦合元件能夠提高耦合系數，但由于磁芯的存在，不僅增加磁件的重量，限制了電氣設備的便攜性還帶來了磁損。近年來，隨著無芯變壓器的發展，無線電能傳輸的磁件也采用了無芯變壓器。空心變壓器具有重量輕和無磁芯損耗等優點，缺點是傳輸的功率等級較小，線圈之間的耦合系數較小。目前對空心線圈的研究主要集中在耦合系數與初、次級線圈的空間布局上，初、次級的線圈結構、匝數的關系以及漏感引起的鄰近效應、趨膚效應等。空心線圈能夠為多個負載同時供電，為了使接收線圈與發射線圈之間的耦合系數不隨負載位置的變化而發生很大的變化，希望在發射線圈的上方產生盡可能均勻分布的磁場。比較有代表性的是香港城市大學許樹源教授（S.Y.R.Hui），提出的三層六邊形螺旋PCB線圈［13］，如圖6所示，圖中每一個六邊形代表一個六邊形螺旋線圈。雖然這種結構能夠在發射線圈的上方產生較為均勻分布的磁場，但由于各線圈緊密或是交替排列，產生的磁場相互抵消了一部分，因而產生的總磁場強度與單個線圈相比，大大減弱了。文獻［14］利用集中線圈產生的“凹形磁場”（圖7（a）所示）和螺旋線圈產生的“凸形磁場”（圖7（b）所示）相互疊加形成較均勻的磁場（圖7（c）所示）。采用這種方法雖能夠在發射線圈上方得到較為均勻的磁場，但這種線圈的設計過程較為繁瑣，需要通過計算機程序，詳細地搜索每一匝線圈的位置和大小。

圖6 三層六邊形PCB線圈結構

（3）繞組優化

為減小磁耦合元件的體積和提高電能的傳輸能力，一般磁耦合元件都是工作在較高的頻率下，但高頻會帶來磁耦合線圈由鄰近效應和趨膚效應引起的損耗，因此為了減小該損耗，線圈多采取多股細線或Liz線交叉換位的繞法。此外，也可以從繞組的分布方式出發，進行優化無線電能傳輸的磁耦合元件。

圖7 均勻磁場合成示意圖

圖8 繞組分布方式及其Ansoft磁場仿真圖

圖8給出了U型磁芯分布式繞組和集中式繞組及其Ansoft磁場仿真圖，從中可以看出，當采用分布式繞組時，由于初、次級線圈接觸比較緊密，磁力線可以在初、次級線圈之間垂直通過，因此漏磁通比較少，耦合系數比較高。因此，在選擇繞組分布時，為提高磁耦合線圈的耦合系數應采用分布式繞組［15］。

3 存在的技術關鍵和發展趨勢

從近年來無線電能傳輸技術理論與實驗的研究成果來看，目前無線電能傳輸磁耦合元件還需要解決下面兩個技術關鍵:一是，如何在大氣隙下盡可能地提高兩磁耦合線圈的耦合系數，保證接收線圈能拾取盡量多的磁場，尤其是當發射線圈和接收線圈發生提離和偏移的時候；二是，為了避免發射線圈發射出來的磁場對周圍空間環境產生電磁干擾，發射線圈產生的磁場必須限制在一定的區域內，使其對周圍空間環境產生盡可能小的電磁干擾。因此對磁耦合元件電磁兼容性和可靠性的設計也是至關重要的。目前對無線電能傳輸技術研究的深度和廣度還不夠，主要局限在較小功率和短距離方面的研究，對于其傳輸電能的容量、效率、距離、電磁干擾等關鍵問題，還有待進一步的研究和開發。無線電能傳輸磁耦合元件的發展趨勢是遠距離、高效化、低成本化，小體積化、輕量化和平面化。

4 結 論

磁耦合元件作為磁感應式無線電能傳輸系統的關鍵部件，其性能對系統的傳輸能力、傳輸效率以及應用便捷性有著至關重要的影響，對其要求也是多方面的。目前，無線電能傳輸系統的研究更多地是集中于電路系統及其控制策略，而對磁耦合系統的關注比較少。磁耦合元件已成為制約無線電能傳輸進一步實現高效和便捷實用的主要技術瓶頸。本文通過無線電能傳輸系統磁耦合元件的關鍵問題的綜述，分析了磁耦合元件的工作原理、特點和優化考慮，并給出了磁耦合元件目前亟待研究和解決的關鍵技術和發展趨勢，這對更加深入的研究無線電能傳輸技術具有重要的理論意義和現實的應用價值。

［1］野澤哲生，蓬田宏樹.偉大的電能無線傳輸技術［J］.電子設計應用，2007，（6）:42－54.

［2］Schuder J，Gold J，Stephenson H.An inductively coupled RF system for the transmission of 1 kW of power through the skin［J］.IEEE Transactions on Biomedical Engineering，1971，18（4）:265－273.

［3］Boys J T，Covic G A，Green A W.Stability and control of inductively coupled power transfer systems［J］.IEEE Proc.Electrical Power Application，2000，147（1）:37－43.

［4］Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances［Z］.Science，2007，317:83－86.

［5］武 瑛，嚴陸光，黃常綱，等.新型無接觸電能傳輸系統的性能分析［J］.電工電能新技術，2003，22（4）:10－13.

［6］孫 躍.非接觸電能傳輸系統的頻率穩定性研究［J］.電工技術學報，2005，20（11）:56－59.

［7］孫 躍，王智慧，蘇玉剛，等.電流型CPT系統傳輸功率調節方法［J］.重慶大學學報，2009，32（12）:1386－1391.

［8］韓 騰，卓 放，劉 濤，等.可分離變壓器實現的非接觸電能傳輸系統研究［J］.電力電子技術，2004，38（5）:28－29.

［9］趙修科.開關電源中的磁性元件［D］.南京:南京航空航天大學自動化學院，2004.

［10］Sakamoto H，Harada K，Washimiya S，et al.Large airgap coupler for inductive charger［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1999，35（5）:3526－3528.

［11］Fumiaki Nakao，Yoshio Matsuo，Mikio Kitaoka，et al.Ferrite core couplers for inductive chargers［C］.Proceeding of the Power Conversion Conference，Osaka.Japan.2002，2:850－854.

［12］Mickel Budhia，Grant A Covic，Boys John T.Design and optimization of magnetic structures for lumped inductive power transfer system ［C］.IEEE Energy Conversion Congress and Exposition，San Jose，California，2009:2081－2088.

［13］Hui S Y R.，Wing W C Ho.A new generation of universal contactless battery charging platform for portable consumer electronic equipment［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，2005，20（3）:620－627.

［14］Liu X，Hui S Y.Optimal design of a hybrid winding structure for planar contactless battery charging platform［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，2008，23（1）:455－463.

［15］張 巍，陳乾宏，Wong S C，et al.新型非接觸變壓器的磁路模型及其優化［C］.中國電子變壓器、電感器第四屆聯合學術年會論文集，2010:29－38.

［16］Chwei－Sen Wang，Grant A Covic，Oskar H Stielau.Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems ［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2004，51（2）:148－157

.