平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

杜博文，肖伸平，羅昌勝

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

杜博文，肖伸平，羅昌勝

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

針對傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率和效率較低等問題，提出了一種平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)。并運用MATLAB仿真軟件，對平面螺旋型四線圈和傳統(tǒng)四線圈非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率和傳輸距離、傳輸效率和傳輸距離之間的關(guān)系進行了對比分析。結(jié)果表明：在相同距離時，平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率均高于傳統(tǒng)四線圈傳輸系統(tǒng)的，且平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率比傳統(tǒng)四線圈傳輸系統(tǒng)的高3%。

磁耦合；非接觸；平面螺旋型；電能傳輸系統(tǒng)

0 引言

非接觸電能傳輸系統(tǒng)，是一種運用電磁場或者電磁波來傳遞電能的新型電能傳輸系統(tǒng)。為了解決電線腐化、地下布線難、人為操作危險等問題，近年來，非接觸電能傳輸技術(shù)成為了電能傳輸領(lǐng)域的研究熱點。目前，電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸技術(shù)尚處于發(fā)展階段，該傳輸方式存在傳輸距離短、傳輸效率低等缺陷，導致其應(yīng)用受到限制[1-2]。

20世紀90年代，有國外科研團隊發(fā)現(xiàn)并且驗證[3]，可通過共振磁場發(fā)射和接收能量[4-5]，從而開創(chuàng)了基于磁耦合式的非接觸電能傳輸技術(shù)，這是在電磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)上的一次突破。

非接觸電能傳輸系統(tǒng)的主要傳輸參數(shù)是傳輸距離、輸出功率和傳輸效率[6]，但是已有相關(guān)文獻研究中，此類系統(tǒng)的傳輸距離較短，傳輸效率較低。因此，本研究提出了一個平面螺旋型四線圈磁耦合非接觸的電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)中平面螺旋型線圈與傳統(tǒng)型四線圈相比，不僅能夠節(jié)省材料和空間，并且能夠提高傳輸效率。最后，為了驗證所提出系統(tǒng)的有效性，通過建立平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)模型，并且對其輸出功率和傳輸效率進行了分析，且運用MATLAB進行仿真驗證對比，以期為電能的傳輸和非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的理論參考依據(jù)。

1 模型的建立與分析

磁耦合式非接觸的電能傳輸系統(tǒng)，是基于線圈之間發(fā)生磁共振建立可傳遞能量的穩(wěn)定電場，從而完成電能的傳輸過程。本部分內(nèi)容主要基于系統(tǒng)傳遞能量的角度，通過建立等效電路、構(gòu)建等效參數(shù)等，對平面螺旋型接收裝置的四線圈系統(tǒng)模型的構(gòu)建進行理論分析[7-9]。

1.1 傳統(tǒng)四線圈系統(tǒng)傳輸模型

傳統(tǒng)的四線圈傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示。圖中，Us為高頻電壓源；C1～C4為4個線圈的補償電容；L1～L4分別為4個線圈的等效電感；Dmn為線圈m和線圈n之間的距離；RL為負載電阻。

圖1 傳統(tǒng)四線圈傳輸系統(tǒng)模型Fig. 1 Traditional four-coil transmission system

如圖1所示，傳統(tǒng)的四線圈傳輸系統(tǒng)由4個完全相同的線圈組成，每個線圈上接有補償電容，且由發(fā)射線圈和中繼線圈構(gòu)成發(fā)射端，接收線圈和負載線圈構(gòu)成接收端。

1.2 平面螺旋型四線圈系統(tǒng)傳輸模型

本研究所設(shè)計的平面螺旋型四線圈傳輸系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 平面螺旋型四線圈傳輸系統(tǒng)模型Fig. 2 A planar spiral four-coil transmission system mode

由圖2所示平面螺旋型四線圈傳輸系統(tǒng)模型可知，該系統(tǒng)中將接收裝置線圈設(shè)計成平面螺旋型，這樣使得接收線圈的厚度僅為單匝線圈的厚度，而線圈的大小可根據(jù)負載的大小和實際需求確定[10]。

根據(jù)圖2所示平面螺旋型四線圈非接觸電能傳輸系統(tǒng)模型，建立如圖3所示的系統(tǒng)等效電路。

圖3 平面螺旋型四線圈傳輸系統(tǒng)等效電路Fig. 3 Equivalent circuit of the planar spiral four-coil transmission system

圖3中：Mmn為線圈m和線圈n之間的互感；Rs為電源內(nèi)阻；R1～R4分別為4個線圈的等效電阻；為系統(tǒng)的角頻率。

由等效電路可得4個線圈的自阻抗Z11，Z22，Z33，Z44分別為：

耦合互阻抗為：

互感為：

Nm和Nn為線圈m和線圈n的匝數(shù)；

rm和rn為線圈m和線圈n的半徑。

當平面螺旋型四線圈傳輸系統(tǒng)發(fā)生諧振時，4個線圈的電流分別為i1，i2，i3，i4，由等效電路可以列出KVL（Kirchhoff laws）方程，為

各線圈的品質(zhì)因數(shù)Qm為：

將式（5）和（6）代入式（4），可得：

四線圈非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率Pout和傳輸效率為：

2 仿真分析

為了驗證本研究所設(shè)計的系統(tǒng)的有效性，運用MATLAB軟件，對平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)和傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率進行了仿真分析。

2.1 輸出功率

在其他參數(shù)相同的情況下，計算出平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)和傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率與傳輸距離之間的關(guān)系、傳輸效率與傳輸距離之間的關(guān)系，所得結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率與D12、D23的關(guān)系Fig. 4 The relationship between the output power of the conventional four-coil magnetic coupling contactless transmission system andD12,D23

圖5 平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率與D12、D23的關(guān)系Fig. 5 The relationship between the output power of the planar spiral four-coil magnetic coupling contactless transmission system andD12,D23

由圖4與圖5可以得知：兩個磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率均隨著傳輸距離D12的增大而增加，隨著D23的增大出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。當D12一定且較小時，隨著D23的逐漸增大，兩個磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率Pout逐漸變大；當D12=D23時，取得最大輸出功率Pout；當D12和D23取相同參數(shù)時，平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率大于傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率。

2.2 傳輸效率

平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)和傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率與線圈1和線圈2之間的距離D12、線圈3和線圈4之間的距離D34、總的傳輸距離D之間的關(guān)系如圖6～8所示。

圖6 傳輸效率和發(fā)射線圈與中繼線圈間距離的關(guān)系曲線Fig. 6 The relationship curve between the transmission ef fi ciency and the distance between the transmitting coil and relay coil

由圖6所示平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)和傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率與發(fā)射線圈到中繼線圈D12之間的關(guān)系曲線，可以得知當發(fā)射線圈到中繼線圈的傳輸距離為0.5 m時，系統(tǒng)的傳輸效率達到最大值。

圖7 傳輸效率和接收線圈與負載線圈間距離的關(guān)系曲線Fig. 7 The relationship curve between the transmission ef fi ciency and the distance between the receiving coil and load coil

由圖7可以看出，隨著線圈3和4之間的距離不斷增大，系統(tǒng)的傳輸效率先增大后減小。在接收線圈與負載線圈距離D34=0.5 m時，系統(tǒng)的傳輸效率達到最大值，且平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率比傳統(tǒng)型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的高3%。其后，隨著線圈3和4之間的距離不斷增大，傳輸效率逐漸降低，且平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的下降速度比傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸傳輸系統(tǒng)的緩慢。

圖8 傳輸效率和總傳輸距離的關(guān)系曲線Fig. 8 The relationship curve between the transmission ef fi ciency and the total transmission distance

由圖8可以得出，當線圈和負載的參數(shù)確定后，平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率比傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的高3%。

3 結(jié)論

本文提出了一種平面螺旋型的四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)，并且對平面螺旋型四線圈和傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率的表達式進行了分析；最后，通過仿真驗證，得出了平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)和傳統(tǒng)四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的最大傳輸效率與線圈間距離D12和D34的關(guān)系。通過對比得出：

1）當兩線圈在相同的距離、取相同的參數(shù)時，平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率比傳統(tǒng)型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的高；

2）當發(fā)射線圈到中繼線圈的傳輸距離、接收線圈與負載線圈間距離均為0.5 m時，2個傳輸系統(tǒng)的傳輸效率均達到最大值，但平面螺旋型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率比傳統(tǒng)四線圈螺旋型磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的高3%。

本研究所提出的新型四線圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)的四線圈傳輸系統(tǒng)相比，不僅能節(jié)省材料和空間，并且能提高傳輸效率，增大傳輸距離，可望被應(yīng)用于解決電線腐化、地下布線難、人為操作危險等問題的電能傳輸系統(tǒng)中。

[1] 張?zhí)煊瑁瑥埲鸪桑约t，等. 接收端并聯(lián)諧振的耦合式無線供電系統(tǒng)[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1) ：123-125，132．ZHANG Tianyu，ZHANG Ruicheng，GENG Xiaohong，et al. The Coupled Resonances Wireless Power Transfer System Based on Parallel Resonance Receiver[J]. Application of Eletronic Technique，2016，42(1) ：123-125，132.

[2] 樊英杰，張開如，狄東照，等．小型諧振器無線電能傳輸系統(tǒng)研究[J]．工礦自動化，2016，42(3) ：48-51．FAN Yingjie，ZHANG Kairu，DI Dongzhao，et al. Study of Wireless Power Transmission System of Small Size Resonator[J]. Industry and Mine Automation，2016，42(3) ：48-51．

[3] 秦玉偉．電磁耦合諧振式無線電能傳輸實驗研究[J].河南科學，2016，34 (1) ：41-44．QIN Yuwei. Experimental Study on Electro-Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transmission System[J]. Henan Science，2016，34 (1) ：41-44.

[4] 李 江，張 鵬，馬 騰，等. 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的仿真與實驗[J]. 電機與控制學報，2015，19(11) ：72-77. LI Jiang，ZHANG Peng，MA Teng，et al. Simulation and Experimental Analysis of Wireless Power Transmission System via Magnetic Resonance Coupling[J]. Electric Machines and Control，2015，19(11) ：72-77.

[5] 王國東，原璐璐，王允建. 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的四線圈模型研究[J]. 電源學報，2015，13(1) ：101-106．WANG Guodong，YUAN Lulu，WANG Yunjian. Resarch on the Four Coil Model of Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transmission Systems[J]. Journal of Power Supply，2015，13(1) ：101-106．

[6] LI Yang，YANG Qingxin，CHEN Haiyan. Basic Study on Improving Power of Wireless Power Transfer via Magnetic Resonance Coupling[J]. Adcanced Materials Research，2012，459：445-449.

[7] 張 獻，楊慶新，陳海燕，等. 電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的建模、設(shè)計與實驗驗證[J]. 中國電機工程學報，2012，32(21) ：153-158．ZHANG Xian，YANG Qingxin，CHEN Haiyan，et al. Modeling and Design and Experimental Verification of Contactless Power Transmission System via Electromagnetic Resonant Coupling[J]. Proceedings of the CSEE，2012，32(21) ：153-158.

[8] 李 陽，楊慶新，閆 卓，等．磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的頻率特性[J]. 電機與控制學報，2012，16(7) ：7-11．LI Yang，YANG Qingxin，YAN Zhuo，et al. Characteristic of Frequency in Wireless Power Transfer System via Magnetic Resonance Coupling[J]. Electric Machines and Control，2012，16(7) ：7-11.

[9] 陳 明，肖強輝. UC3842雙管正激式單級PFC變換器研究[J]. 湖南工業(yè)大學學報，2014，28(2) ：46-51. CHEN Ming，XIAO Qianghui. Design of Dual-Transistor Forward Single PFC Converter Based on UC3842[J]. Journal of Hunan University of Technology，2014，28(2) ：46-51.

[10] KIANI M，JOW U M，GHOVANLOO M. Design and Optimization of 3-Coil Inductive Link for Efficient Wireless Power Transmission[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and System，2011，5(6) ：579-591.

(責任編輯：廖友媛)

Design of a Planar Spiral Four-Coil Magnetic Coupling Contactless Power Transmission System

DU Bowen，XIAO Shenping，LUO Changsheng
（School of Electrical & Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the low output power and output efficiency exhibited by the conventional four-coil magnetic coupling contactless power transmission system, a planar spiral four-coil magnetic coupling contactless power transmission system has been proposed. A comparative analysis has been made between its output power and transmission distance, as well as its transmission ef fi ciency and transmission distance by using MATLAB simulation software. The results show that,with the distance a constant, the output power and transmission ef fi ciency of the planar spiral four-coil magnetic coupling contactless power transmission system are 3% higher than those of the traditional four-coil transmission system.

magnetic coupling；contactless；planar spiral；power transmission system

TM72

A

1673-9833(2017)02-0061-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.02.011

2016-10-26

國家自然科學基金資助項目（61672225），國家火炬計劃基金資助項目（2015GH712901），湖南省教育廳科研基金資助重點項目（14A038）

杜博文（1991-），男，河北衡水人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為無線電能傳輸，E-mail：386430669@qq.com

肖伸平（1965-），男，湖南東安人，湖南工業(yè)大學教授，主要從事時滯系統(tǒng)魯棒控制，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及網(wǎng)絡(luò)化控制等方面的研究，E-mail：xsph_519@163.com