磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)

李江，張鵬，馬騰，張葉，王義偉，魏超，王彬（.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林0；.東北電力大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，吉林吉林0；.安徽省肥西供電公司，安徽合肥00）

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)

李江1，張鵬1，馬騰1，張葉2，王義偉1，魏超1，王彬3
（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012；2.東北電力大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，吉林吉林132012；3.安徽省肥西供電公司，安徽合肥231200）

∶針對(duì)無線電能傳輸系統(tǒng)中傳輸功率小、傳輸效率低和傳輸距離短的問題，提出了一種增加中繼線圈的新結(jié)構(gòu)。基于磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的工作原理，為增強(qiáng)系統(tǒng)耦合性能，在電源線圈與負(fù)載線圈中增加了中繼線圈，并分析了其系統(tǒng)模型及傳輸功率公式。通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)不同數(shù)量中繼線圈的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行電磁仿真，繪制了不同距離的磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布圖。最后，搭建了一個(gè)磁耦合諧振式無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)負(fù)載功率變化與線圈距離的關(guān)系，驗(yàn)證了數(shù)值仿真的正確性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明∶增加中繼線圈的數(shù)量能夠有效地增強(qiáng)空間磁感應(yīng)強(qiáng)度，對(duì)提高傳輸效率和增加傳輸距離有顯著作用。

∶無線電能傳輸；磁耦合諧振；中繼線圈；ANSYS；傳輸距離

0 引言

無線電能傳輸（wirelesspowertransfer，WPT），又稱為無接觸式電能傳輸（contactlesspowertransfer，CPT），指的是電能從電源到負(fù)載的一種沒有經(jīng)過電氣直接接觸的能量傳輸方式［1-3］。該技術(shù)在1890年，由著名物理學(xué)家尼古拉.特斯拉提出。在1893年的哥倫比亞世博會(huì)上，尼古拉.特斯拉展示了他的無線磷光照明燈。尼古拉.特斯拉利用無線電能傳輸原理，在沒有任何導(dǎo)線連接的情況下點(diǎn)亮了燈泡［4］。這是人類在無線電能傳輸初期階段的重要嘗試。2007年美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的MarinSoljacic課題組利用磁耦合諧振式的無線電能傳輸理論在2m范圍內(nèi)點(diǎn)亮一個(gè)60W的燈泡［5］，至此無線電能傳輸技術(shù)的研究迅速成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

目前，無線電能傳輸主要分為三大類［6-9］∶第一類是電磁感應(yīng)耦合式，主要是利用電磁感應(yīng)原理，通過采用松耦合變壓器或者可分離變壓器方式實(shí)現(xiàn)功率無線傳輸；第二類是微波無線能量傳輸技術(shù)，即直接利用天線實(shí)現(xiàn)電磁波能量的發(fā)射和接收；第三類是磁耦合諧振方式，也被稱之為WiTricity（wireless electricity）技術(shù)。作為一個(gè)新的無線電能傳輸技術(shù)，磁耦合諧振式基于近場(chǎng)強(qiáng)耦合的概念，基本原理是兩個(gè)具有相同諧振頻率的物體之間可以實(shí)現(xiàn)高效的能量交換，而非諧振物體之間能量交換卻很微弱［10-12］。目前國(guó)內(nèi)外在電磁耦合諧振式無線電能傳輸方面的研究都還處于理論研究和初步實(shí)驗(yàn)階段，還有很多問題亟待解決，比如傳輸功率、距離和效率的問題，中繼線圈與傳輸距離的問題等［13-14］。

本文在已有的對(duì)無線電能傳輸技術(shù)研究和綜述的基礎(chǔ)上，針對(duì)中繼線圈與傳輸距離間的問題進(jìn)行了深人研究。第1部分介紹所研究的磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)哪Ｐ徒Y(jié)構(gòu)和工作原理。第2部分仿真不同模型結(jié)構(gòu)的不同距離的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，并對(duì)不同模型進(jìn)行了分析比較。第3部分設(shè)計(jì)開發(fā)了無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了仿真分析的正確性。

1 工作原理和模型結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

首先，信號(hào)發(fā)生器給功率放大電路提供系統(tǒng)諧振頻率的正弦信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過功率放大電路后產(chǎn)生的高頻高壓的信號(hào)傳輸?shù)诫娫淳€圈上，此時(shí)電源線圈發(fā)生諧振，建立起較強(qiáng)的電磁場(chǎng)。電源線圈中電容的電場(chǎng)能因?yàn)橹C振與電源線圈中的磁場(chǎng)能不斷地進(jìn)行交換，而發(fā)射端電源線圈中磁場(chǎng)有一部分交鏈到接收端的負(fù)載線圈上，交變的磁場(chǎng)在負(fù)載線圈中感應(yīng)出電流，因此能量傳遞到接收端。在接收端，電容中的電場(chǎng)能和負(fù)載線圈中的磁場(chǎng)能也因?yàn)橹C振不斷地進(jìn)行能量交換，最終把能量傳遞給負(fù)載。磁耦合諧振式無線電能傳輸工作原理如圖1所示。

圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)墓ぷ髟鞦ig.1 Theworksofwirelesspowertransmission systemviamagneticresonancecoupling

1.2 模型結(jié)構(gòu)

利用2個(gè)諧振線圈進(jìn)行無線電能傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，為無線電能傳輸?shù)牡谝环N基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，稱為兩線圈結(jié)構(gòu)。在第一種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了1個(gè)中繼線圈，稱為三線圈結(jié)構(gòu)。這種采用3個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)為無線電能傳輸?shù)牡诙N基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外，為了進(jìn)行電源匹配和負(fù)載匹配，在2個(gè)諧振線圈的基礎(chǔ)上，增加了2個(gè)中繼線圈（感應(yīng)線圈），稱為四線圈結(jié)構(gòu)［15-17］，為第三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)的抽象模型如圖2所示。

圖2 三種線圈結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Threekindsofcoilstructuremodeldiagram

當(dāng)相鄰兩線圈同軸放置時(shí)，磁耦合諧振式無線電能傳輸距離與互感的關(guān)系為

式中∶n1、n2為相鄰兩線圈的匝數(shù)；r1、r2為相鄰兩線圈的半徑；D為線圈之間距離。

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的功率為

從上述互感和功率公式，文獻(xiàn)［18-20］已說明∶當(dāng)增加中繼線圈的數(shù)量后，電源線圈和中繼線圈，負(fù)載線圈和中繼線圈距離減小。電源線圈與中繼線圈的互感以及與負(fù)載線圈的互感使其與負(fù)載線圈的耦合性增強(qiáng)，則其傳輸功率得到提高。

2 仿真分析

本文利用ANSYS有限元軟件的電磁場(chǎng)模塊對(duì)系統(tǒng)兩線圈、三線圈以及四線圈耦合的磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，仿真出了不同模型的不同距離的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及磁力線分布圖。仿真電路圖中，線圈匝數(shù)9匝，線圈直徑7cm，導(dǎo)線直徑1mm，系統(tǒng)頻率11.4MHz，激勵(lì)電壓為正弦交流電壓。雙線圈耦合磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁力線分布圖如下圖3所示。

圖3 雙線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁力線分布圖Fig.3 Thedistributionofmagneticfluxdensityand magneticlineofforceindoublecoil

在仿真過程中當(dāng)中繼線圈數(shù)量改變時(shí)，其在相同載荷下所激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也將發(fā)生變化，圖4為電源線圈和負(fù)載線圈相距10cm時(shí)，不同中繼線圈數(shù)量模型下激發(fā)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。當(dāng)電源線圈和負(fù)載線圈距離增加到15cm時(shí)，不同中繼線圈數(shù)量的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖如圖5所示。

圖4 線圈相距10cm時(shí)不同模型的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.4 Magneticfluxdensitydistributionofdifferent modelswhen10cmdistancebetweenthecoils

圖5 線圈相距15cm時(shí)不同模型的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.5 Magneticfluxdensitydistributionofdifferent modelswhen15cmdistancebetweenthecoils

當(dāng)電源線圈和負(fù)載線圈相距較遠(yuǎn)時(shí)，其在相同載荷下不同模型的線圈所激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖6和圖7所示。由圖可知，當(dāng)線圈之間相距較遠(yuǎn)時(shí)，增加中繼線圈的數(shù)量能夠有效地增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，并且能夠增加傳輸?shù)木嚯x和提高傳輸?shù)墓β省６以趫D4兩線圈模型、圖5三線圈模型以及圖7四線圈模型中，負(fù)載線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.003314T，0.003249T，0.003179T，即為磁感應(yīng)強(qiáng)度相差不多的情況下，增加中繼線圈的數(shù)量，顯著地增加了系統(tǒng)傳輸?shù)木嚯x。從中也能看出，增加中繼線圈后，使得負(fù)載線圈與電源線圈的耦合性顯著地增強(qiáng)，從而傳輸?shù)墓β实玫教岣摺?/p>

圖7 線圈相距30cm時(shí)不同模型的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.7 Magneticfluxdensitydistributionofdifferent modelswhen30cmdistancebetweenthecoils

在三線圈諧振系統(tǒng)中，當(dāng)電源線圈和負(fù)載線圈相距15cm不變的情況下，使中繼線圈的位置距離電源線圈分別為3cm，6cm，9cm，12cm時(shí)，仿真分析四種模型的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。從圖8中得出，隨著中繼線圈與電源線圈距離的不斷變大，負(fù)載線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，在9cm時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大，而后逐漸減小。

圖8 三線圈系統(tǒng)中繼線圈與電源線圈不同距離時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.8 Magneticfluxdensitydistributionofdifferent distancebetweentherepeatingcoilandthe powercoilinthethreecoilssystem

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述磁共振電能傳輸仿真分析的正確性，搭建了一個(gè)磁共振無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其工作原理圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)電路如圖9所示。給定系統(tǒng)參數(shù)∶導(dǎo)線直徑1mm，線圈直徑7cm，線圈同軸放置，匝數(shù)9匝，負(fù)載為普通白熾燈泡，直流穩(wěn)壓電源12V。對(duì)于高頻實(shí)驗(yàn)，考慮高頻集膚效應(yīng)影響，線圈采用表面光滑、耐高溫且導(dǎo)電性能好的銅導(dǎo)線材質(zhì)。為獲得更好的傳輸效果，將線圈制作成螺旋狀并同軸放置，所繞制線圈如圖10所示。

圖9 無線傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.9 Experimentaldiagramforwireless powertransmission

圖10 螺旋狀線圈Fig.10 Thespiralcoil

根據(jù)電磁理論，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電容、電感以及系統(tǒng)頻率可以通過式（3）～式（5）計(jì)算得到

式中∶ε0為真空介電常數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率。

在實(shí)驗(yàn)過程中，保持電源線圈和負(fù)載線圈之間的距離一定時(shí)，分別增加中繼線圈的個(gè)數(shù)，磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)的功率顯著地提高了。如電源線圈與負(fù)載線圈相距20cm時(shí)，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖如下圖11所示。從圖中能夠看出，雙線圈模型的負(fù)載白熾燈泡沒有亮度，三線圈模型的負(fù)載燈泡亮度不高，而四線圈模型的負(fù)載燈泡亮度很高。這驗(yàn)證了仿真分析的正確性，即增加中繼線圈能夠增強(qiáng)其磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而能夠有效地提高傳輸?shù)墓β屎托省?/p>

燈泡功率相同時(shí)，不同模型的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖如圖12所示。在兩線圈模型中，線圈之間的距離是10cm；三線圈模型中，電源線圈與負(fù)載線圈的距離是16cm；四線圈模型中，電源線圈和負(fù)載線圈的距離是27cm。從實(shí)驗(yàn)圖中能夠清楚地看到在功率相同的情況下，增加中繼線圈的數(shù)量，能夠有效地增加傳輸距離，這進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真分析的正確性。三種模型的負(fù)載電壓峰峰值與傳輸距離的關(guān)系如圖13所示。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知在相同電壓等級(jí)下，即相同功率下，增加中繼線圈的數(shù)量，能明顯的提高無線輸電的距離，也驗(yàn)證了仿真正確性。

圖11 電源線圈與負(fù)載線圈相距20cm時(shí)，不同模型的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖Fig.11 Theexperimentalanalysisofsystemofdifferent modelswhen20cmdistancebetweenthepower coilandtheloadcoil

圖12 燈泡功率相同時(shí)，不同模型的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖Fig.12 Theexperimentalanalysisofsystemofdifferent modelsforthesamepower

在三線圈系統(tǒng)中電源線圈與負(fù)載線圈相距分別為8cm和12cm時(shí)，改變中繼線圈與電源線圈距離，測(cè)量得到負(fù)載線圈電壓峰峰值實(shí)驗(yàn)圖如下圖14所示。結(jié)合圖8得出∶隨著中繼線圈與電源線圈距離的不斷變大，負(fù)載線圈的電壓不斷增大，當(dāng)中繼線圈與電源線圈之間的距離比電源線圈與負(fù)載線圈之間的距離等于0.6到0.7時(shí)負(fù)載線圈電壓值達(dá)到最大，而后逐漸減小。

圖13 三種模型的負(fù)載正弦電壓峰峰值與距離實(shí)測(cè)關(guān)系Fig.13 Therelationshipbetweensinusoidalvoltage peakofloadanddistanceofthreemodels

圖14 三線圈系統(tǒng)中繼線圈與電源線圈相距不同距離時(shí)的負(fù)載線圈電壓峰峰值Fig.14 Thevoltagepeakofloadcoilindifferent distanceoftherepeatingcoilandpower coilinthreecoilsystem

4 結(jié)論

本文利用ANSYS有限元軟件對(duì)磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的兩線圈，三線圈和四線圈三種模型進(jìn)行了電磁仿真，得出了不同距離的磁感應(yīng)強(qiáng)度的空間分布圖，并結(jié)合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析得出了中繼線圈的增加不僅能夠增強(qiáng)系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)傳輸?shù)墓β屎托剩抑欣^線圈能夠顯著地提高無線輸電的距離。此外，當(dāng)中繼線圈處于電源線圈和負(fù)載線圈中間偏負(fù)載線圈位置時(shí)具有傳輸功率和傳輸效率最優(yōu)的特性。因此，增加中繼線圈對(duì)改進(jìn)磁耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)具有積極的指導(dǎo)作用。

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（編輯∶張?jiān)婇w）

Simulationandexperimentalanalysisofwirelesspowertransmission systemviamagneticresonancecoupling

LIJiang1，ZHANGPeng1，MATeng1，ZHANGYe2，WANGYi-wei1，WEIChao1，WANGBin3
（1.SchoolofElectricalEngineering，NortheastDianliUniversity，Jilin132012，China；2.SchoolofAutomationEngineering，NortheastDianliUniversity，Jilin132012，China；3.FeixiPowerSupplyBureau，Hefei231200，China）

∶Fortheproblemoflowtransmissionpowerlevel，lowtransmissionefficiencyandshorttransmissiondistanceinwirelesspowertransmissionsystem，thenewstructuretoincreasetherepeatingcoilwas presented.Basedontheprinciplesofwirelesspowertransmissionsystemviamagneticresonancecoupling，toenhancethecouplingdegreeofsystem，therepeatingcoilswereplacedbetweenthetransmitting coilandreceivingcoil.Andthesystemmodelandtransmissionpowerformulawereanalyzed.TheelectromagneticexperimentsystemunderdifferentconditionswithrepeatingcoilsweresimulatedbyANSYS finiteelementsoftware.Thespatialdistributionpatternsofmagneticinductionintensityatdifferentdistanceswereplotted.Finally，anexperimentaltest-bedwasestablished.Accordingtotherelationshipbetweenthepowerchangeofloadandthedistanceofcoils，thecorrectnessofthesimulationisverified. Simulationandexperimentalresultsshowthatincreasingtheamountofrepeatingcoilcaneffectivelyenhancethespacemagneticinductionintensity，whichhassignificanteffectonimprovingthetransmission efficiencyandlengtheningtransmissiondistance.

∶wirelesspowertransmission；coupledmagneticresonances；repeatingcoil；ANSYS；transmissiondistance

∶TM72；TM15

∶A

∶1007-449X（2015）11-0072-06

∶2014-07-01

∶國(guó)家自然科學(xué)基金（51307018）；吉林省省級(jí)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整引導(dǎo)資金專項(xiàng)項(xiàng)目（2014Y123）

∶李 江（1979—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的分析與控制；

張 鵬（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸；

馬 騰（1993—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸；

張 葉（1979—），男，本科，助教，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化檢測(cè)技術(shù)與儀表；

王義偉（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電壓穩(wěn)定；

魏 超（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析；

王 彬（1982—），男，本科，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)監(jiān)測(cè)。

∶李 江

DOI∶10.15938/j.emc.2015.11.011