基于ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D的MCR-WPT系統仿真

姜建國 曾昭淦 付月豪 占二林 龍大海

（東北石油大學電氣信息工程學院）

無線電能傳輸技術（Wireless Power Transfer，WPT）是一種不需要導線連接，使電能通過無接觸方式從電源傳輸到負載的能量輸送方式［1］。 無線輸電的提出最早可追溯到一百多年前，1889年尼古拉·特斯拉便發明了無線輸電方法［2］。 近年來，隨著WPT的大力發展，在城市電車、電力機車、物流電力機車及無人機等諸多領域展現了巨大的應用潛力，人們對無線電能傳輸的研究與開發也投入了很多精力［3］。而電子設備（如可穿戴設備、手機、平板電腦、筆記本電腦和醫療植入設備）充電需求的不斷增長，對WPT的研究和應用也越來越受到人們的期待。

由于WPT獨特的應用優勢，因此對其運行提出了更高的要求［4］。根據距離發射機構的遠近，可以分為近場和遠場兩個區域，其中近場分布在場源的一個波長范圍內；遠場指距發射機構一個波長范圍之外的區域，遠場無線電能傳輸又被稱為“能量WiFi”［5］。 在中遠距離進行的無線電能傳輸主要依靠的是電磁共振耦合原理［6］。

磁共振無線電能傳輸 （Magnetic Coupling Resonant WPT，MCR-WPT）具有不受導線束縛，能夠實現中等距離無線能量傳輸的特點，在無線充電等領域具有較為廣泛的應用前景［7］。 作為無線傳輸技術領域極為重要的一個分支，在中距離對電能的優秀傳輸效率吸引了國內外學者進行大力研究，在系統特性與傳輸效率方面取得了大量階段性的研究成果。2007年，Marin Soljacic和麻省理工學院的幾位學者首次利用MCR-WPT原理實現了中程無線電能量的傳輸， 并在2 m多的距離內點亮了一個60 W的燈泡，傳輸效率約40%［8］。

目前，對于MCR-WPT的研究主要是通過其電路結構進行仿真， 如基于MATLAB/Simulink對電路進行仿真，獲得傳輸功率、傳輸效率和系統穩定性仿真結果［9］；使用三維電磁仿真軟件HFSS對帶有管狀磁芯的螺旋線圈進行電路結構解析建模［10］；在選擇分析的拓撲模型方面，主要以選取串-串聯（S/S）諧振拓撲結構建立系統的等效電路模型，用以分析影響系統傳輸性能的主要因素［11］。

筆者以S/S拓撲模型對MCR-WPT系統進行分析，采用ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D電路模型進行仿真，進一步觀察系統工作期間線圈磁場的運行情況，最后通過搭建的實際模型對結果進行驗證。

1 MCR-WPT系統分析

MCR-WPT系統主要由發射端和接收端兩個部分耦合而成（圖1），發射端變換電路主要是使輸入電源轉換成與磁耦合諧振器具有相同頻率和相位的高頻電源；接收端變換電路包括高頻整流模塊、變換電路等。

圖1 MCR-WPT系統組成

圖1中， 磁耦合諧振器的功能是發射線圈和接收線圈產生電場與磁場的相互影響效應，從而達到向系統傳輸電能的目的。 在磁感應無線傳輸中， 松耦合的變壓器的耦合度通常由耦合系數k表示，而在磁諧振無線傳輸中，傳輸線圈的耦合度則通常由互感M表示。

1.1 無補償電路傳輸系統模型

在通常情況下傳輸線圈中有內阻，其無補償電路傳輸系統互感模型如圖2所示。

圖2 無補償電路傳輸系統互感模型

或者可以把式（1）簡化為：

由式（9）可知，要想提高系統傳輸效率η，需從以下幾方面改進：

a. 提高ZM， 即提高交流電源角頻率ω和兩側線圈互感M；

b. 通過一定的方式控制Z11的值，通常采取降低發射端線圈的內部阻抗值的大小實現；

c. 通過一定的方式控制Z22的值，通常采取降低接收端線圈的內部阻抗值的大小實現。

由于MCR-WPT是基于近場諧振強耦合的概念，兩個擁有相同諧振頻率的線圈能夠進行高效率的能量傳輸，由式（9）可以得知，會有很大一部分電能消耗在線圈內阻上，這使得傳輸效率遠低于預期。

1.2 加入補償結構的傳輸模型

采用補償電容可以在一定程度上減小傳輸側線圈中的回路內部阻抗，用這種方式調整系統的無功功率。將MCR-WPT系統中線圈的兩個繞組分別與合適的補償電容串聯組成S/S諧振MCRWPT系統，互感模型如圖3所示。

圖3 S/SMCR-WPT互感模型

根據網孔電流法，可寫出網孔方程：

由于加入了補償電容， 傳輸系統發生了諧振，因此有：

將式（17）除以式（15）可得兩側傳輸電壓之比為：

由式（18）和式（14）相乘可得系統傳輸效率η為：

2 MCR-WPT仿真

使用ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D V18.0仿真軟件， 對S/S補償模型MCR-WPT系統進行仿真， 獲取發射側線圈與接收側線圈電流的變化曲線、 發射側線圈與接收側線圈之間的磁場分布。

首先，搭建發射側線圈模型（圖4），并設定仿真線圈的模擬數值，線徑（半徑）4.00 mm、內徑（半徑）75.00 mm、節距10.00 mm、圈數3，如圖5所示。

圖4 接收線圈與發射線圈

圖5 線圈參數設置

鑒于MCR-WPT系統的工作環境，采用的線圈要求諧振頻率要盡可能地接近，所以接收線圈的設計應該與發射線圈采用完全一致的構造進行搭建設計（圖4）。

將發射線圈命名為TX，接收線圈命名為RX，將它對應到S/S拓撲結構的磁共振無線傳輸電路中，并進行仿真，仿真電路如圖6所示。 設定各元件參數：激勵電源10 A、頻率500 kHz、補償電容800 nF，仿真時間為10 μs，即使仿真波形顯示為系統運行10 μs過程中電流波形。

圖6 S/S的MCR-WPT電路仿真

仿真模擬得到的發射線圈與接收線圈的電流仿真波形如圖7所示。 可以看出，發射側的電量經過發射側線圈傳遞到了接收側線圈，傳遞過程中存在電能損耗，所以電流值有所減小。

圖7 發射線圈與接收線圈的電流波形

使用ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D特有的仿真模型磁場分布的分析能力， 對發射線圈和接收線圈周圍的磁場進行模擬仿真，結果如圖8所示。 可以看出，電能在傳輸過程中，磁場在線圈線纜附近的場強越大， 越往線圈圓心越小； 反射線圈的磁場向著接收線圈的線纜傳遞， 使接收線圈獲得發射線圈的磁場， 進而轉換為電能。 根據磁場強度分布能夠看出，隨著兩線圈之間的距離增大而磁場強度減小，所以發射線圈與接收線圈之間距離增大， 傳輸效率會降低。

圖8 發射線圈與接收線圈之間的磁場分布

3 實物搭建

基于MCR-WPT原理，對其拓撲模型進行模擬仿真， 用已有的電路搭建S/S拓撲結構的MCRWPT裝置，如圖9所示。

圖9 MCR-WPT裝置

MCR-WPT裝置處于額定工作環境下，能穩定地實現10 cm以上的無線電能傳輸。 在不考慮裝置固件的影響，傳輸效率受多種外力因素的影響時，則距離成為最大的影響因素，隨著發射線圈與接收線圈幾何間距的變大，系統的傳輸效率逐漸降低。

4 結束語

使用電路互感強耦合理論對MCR-WPT系統的原理進行理論分析， 采用ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D對MCR-WPT發射端與接收端的能量傳遞和發射線圈與接收線圈周圍磁場分布進行模擬仿真，選擇典型的S/S拓撲結構，為S/S拓撲結構MCR-WPT模型的設計提供了一種參考方法。 通過搭建實物裝置，觀察發現無線電能傳輸效果與ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D的仿真結果較為一致，表明系統的整體硬件電路能夠進行正常的電能無線傳輸，整個系統的硬件電路能夠進行正常的無線傳輸，證明了筆者設計的無線電源在實際應用中具有可行性和實用性。