多繞組諧振式無線電能傳輸技術(shù)耦合性能研究

崔若昕 鄧亞峰 任建琦 禚安琪 汪梓玉

摘要：中繼繞組對無線電能傳輸技術(shù)耦合性能的影響是該領(lǐng)域的重要研究方向，通過文章研究希望揭示中繼繞組個(gè)數(shù)、位置對無線電能傳輸技術(shù)耦合性能的影響規(guī)律。介紹了諧振耦合理論，分析了多繞組諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);利用Ansoft Maxwell有限元軟件對電磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的耦合性能進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明中繼繞組的加入能有效地提高耦合模塊的傳輸性能;設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。研究結(jié)果表明中繼繞組能有效地提高無線電能傳輸系統(tǒng)的耦合性能。

關(guān)鍵詞：多繞組;諧振;無線電能傳輸;耦合性能;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 引言

無線電能傳輸技術(shù)是通過電磁場或電磁波實(shí)現(xiàn)能量從電源到負(fù)載以空間作為傳輸介質(zhì)的輸電方式^[1-2]。近些年，無線電能傳輸技術(shù)成了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)^[3]。2007年7月，美國麻省理工學(xué)院 Marin Soljacic 教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在《Science》科技雜志上發(fā)表了名為《Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetical Resonances》的文章，提出了一種全新的諧振式無線電能傳輸方法，這種方法被稱作“WiTricity（Wireless electricity transfer）”技術(shù)^[4]。2008年，美國英特爾（Intel）公司的 J.R.Smith 在的英特爾信息技術(shù)峰會上展示了基于磁耦合諧振技術(shù)所獲得的研究成果，該系統(tǒng)不僅能進(jìn)行電能的無線傳輸，而且能實(shí)現(xiàn)聲音信息傳遞^[5]。斯坦福大學(xué)利用數(shù)值模擬的方式展示了無線電能傳輸?shù)那闆r，并研究了線圈間的能量傳輸狀態(tài)^[6-7]。韓國科學(xué)技術(shù)院對多負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究^[8-9]。天津工業(yè)大學(xué)對無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了建模方式、頻率分裂的特征^[10-11];重慶大學(xué)對無線電能傳輸建模、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、損耗建模等方面進(jìn)行了研究^[12-13]。

本文首先對諧振式無線電能傳輸技術(shù)的耦合諧振理論、多繞組諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹;然后，通過Ansoft Maxwell有限元軟件的電磁場功能對兩繞組和帶中繼繞組的無線電能傳輸系統(tǒng)耦合性能進(jìn)行仿真研究，在仿真過程中建立兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)彈簧式立體線圈模型;最后，通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)對諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸特性進(jìn)行分析，從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了理論與仿真分析的正確性。

2 諧振式無線電能技術(shù)傳輸原理

2.1耦合諧振理論

兩個(gè)諧振體間利用磁場當(dāng)作介質(zhì)，通過耦合諧振來傳遞能量這就叫做磁耦合諧振技術(shù)，耦合諧振能量轉(zhuǎn)移時(shí)傳輸效率很高，所以使得系統(tǒng)的性能得到了極大的提升。能量傳輸過程中能量最集中的高度輻射區(qū)間是處于系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈間之間，因此特別適合傳遞能量。諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組：

式中：D為電位移;E為電場強(qiáng)度;B為磁感強(qiáng)度;H為磁場強(qiáng)度。

2.2 多繞組電磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為改善初、次級回路的供電性能，需要對電磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)初、次級回路的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)初、次級端補(bǔ)償方式不同，四個(gè)繞組的電磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為SSSP、SSSS、PSSP、PSSS（注：P為并聯(lián)，S為串聯(lián)）。高頻諧振狀態(tài)下，輻射損耗電阻R_r遠(yuǎn)小于線圈損耗電阻R_o，故對于SSSP和PSSP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在高頻諧振模式下，輻射損耗可以忽略不計(jì)。本文以SSSP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行多繞組電磁諧振式無無線電能傳輸理論分析，如圖1所示。

3 電磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的電磁場仿真

3.1中繼繞組個(gè)數(shù)對系統(tǒng)耦合性能的影響

本節(jié)將通過Ansoft Maxwell有限元軟件的電磁場功能對兩繞組和帶中繼繞組的無線電能傳輸系統(tǒng)耦合性能進(jìn)行仿真研究，在仿真過程中建立兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)彈簧式立體線圈模型，以銅作為材料，設(shè)置半徑為50 mm，線徑為1 mm，線圈10匝。初、次級繞組的傳輸距離設(shè)置為100 mm。在仿真過程中，系統(tǒng)其他條件不變的情況下，改變中繼繞組的個(gè)數(shù)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在初、次級繞組之間加入一個(gè)中繼繞組時(shí)，磁場強(qiáng)度得到了有效加強(qiáng)，能量傳輸更具有方向性;比較圖2c與2a、b可知，增加二個(gè)中繼繞組后，系統(tǒng)的磁場得到了更加有效的加強(qiáng)，能量傳輸?shù)姆较蛐愿?。由仿真結(jié)果可知，中繼繞組能有效地提高初、次級繞組之間的磁耦合強(qiáng)度，增加系統(tǒng)能量傳輸?shù)姆较蛐裕瑐鬏斶^程中能量的損耗更小，對于提高無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率有較好的效果，并且隨著中繼繞組個(gè)數(shù)的增加能更好地提高系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸距離。

3.2中繼繞組位置對系統(tǒng)耦合性能的影響

在電磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中加入1個(gè)中繼繞組，保持初、次繞組傳輸距離150 mm不變，改變中繼繞組與初級繞組之間的距離，用Ansoft Maxwell有限元軟件仿真的結(jié)果顯示，傳輸性能隨著中繼繞組與初級繞組的距離增大而增大，當(dāng)中繼繞組與初級繞組之間的距離增大到90 mm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度開始降低。在這個(gè)傳輸過程中，電源經(jīng)過高頻逆變驅(qū)動初級繞組，將電能轉(zhuǎn)換成諧振繞組中的電場能和磁場能，電場能量儲存在電容中，磁場能量儲存在電感中。初級繞組產(chǎn)生的磁場能量通過磁場耦合轉(zhuǎn)換成中繼繞組中電場能量，電場能量和磁場能量在中繼繞組的電容和電感之間彼此交換。中繼繞組的磁場能量通過磁場耦合轉(zhuǎn)換成次級繞組的電場能量，電場能量在次級繞組的電容和電感之間相互交換，電場能量供給負(fù)載。由于初、次級繞組和中繼繞組諧振頻率相同，故能量可以從電源傳輸?shù)截?fù)載。