一種無人機(jī)無線充電多發(fā)單收去耦合結(jié)構(gòu)的研究

王祖銘，曹 鑫，朱玉穎

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽 621010）

0 引言

自1890年，尼古拉·特斯拉進(jìn)行無線電能傳輸實驗，無線電能傳輸進(jìn)入高速發(fā)展階段，而使用最多的便是磁耦合諧振式無線充電。磁耦合諧振式無線充電基本原理是在發(fā)射線圈通入交變勵磁電流后產(chǎn)生交變磁場，完成電能到磁能的轉(zhuǎn)變，再通過耦合機(jī)構(gòu)使接收線圈收到能量，實現(xiàn)能量的傳輸。

無線傳輸耦合機(jī)構(gòu)已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1]提出了單發(fā)單收的耦合機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)較簡單，為兩平面結(jié)構(gòu)線圈平行對準(zhǔn)耦合，是線圈耦合傳統(tǒng)用法。隨著兩耦合線圈的成熟，學(xué)者們逐漸開始研究多線圈耦合結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[2]中研究了一個線圈作為中繼線圈進(jìn)行能量傳輸?shù)娜€圈耦合形式，該結(jié)構(gòu)中繼能量過程會產(chǎn)生較大能量損耗是很大缺陷。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[5]研究了一發(fā)兩收耦合結(jié)構(gòu)，兩個小線圈作為接收線圈進(jìn)行能量拾取，此結(jié)構(gòu)由于兩個接收線圈之間存在的互感會產(chǎn)生較大損耗。文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]提出了四線圈耦合結(jié)構(gòu)，四個線圈為同心垂直排布，中間兩個線圈作為中繼線圈，該結(jié)構(gòu)對各線圈之間對準(zhǔn)情況要求較大，缺少對準(zhǔn)容錯率。本設(shè)計提出五線圈耦合結(jié)構(gòu)，由處于同平面的四發(fā)射線圈和位于垂直方向的單接收線圈組合而成。由于四個線圈的功率將分擔(dān)發(fā)射總功率，這樣可以降低每個發(fā)射線圈輸出功率級別；并且該結(jié)構(gòu)的磁場覆蓋面積更廣，可以獲得更大的充電區(qū)域和對準(zhǔn)充電容錯性。

本文針對無人機(jī)無線充電多發(fā)射單接收耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行損耗分析，得出了損耗的根本原因，提出了兩種減少多個發(fā)射線圈之間的耦合、同時增加發(fā)射線圈和接收線圈間耦合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并利用ANSYS軟件對新耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗證其可行性。

1 多線圈電路及耦合結(jié)構(gòu)的理論分析與設(shè)計

1.1 無線充電電路及損耗分析

本文以四線圈為例，在補(bǔ)償電路后，四發(fā)射線圈串聯(lián)連接，這樣可以在發(fā)射線圈通過相同大小的電流，保證每個線圈產(chǎn)生相同磁場強(qiáng)度的電磁場。為了更加直接地分析發(fā)射線圈之間的互感產(chǎn)生的損耗，利用互感電動勢等效模型繪制出等效電路如圖1所示。

圖1 耦合部分互感電動勢模型等效電路

五個線圈每兩兩之間都會產(chǎn)生耦合，各線圈互感名稱詳細(xì)如表1所示。

表1 耦合互感名稱表

由于發(fā)射線圈之間存在耦合，即產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電路中U1，U2，U3，U4，U5，U6為各發(fā)射線圈之間的互感電動勢，等效電動勢計算如式(1)所示：

Uf為接收線圈的反射電動勢：

設(shè)發(fā)射線圈之間產(chǎn)生互感消耗的功率為Ploss，其計算為:

將式(1)代入式(4)中可得：

根據(jù)式(4)、式(5)可以得出結(jié)論：要想降低發(fā)射線圈耦合造成的損耗，從根本上就是降低各個線圈之間的互感；又因為在無線充電過程中線圈電感值基本變化不大，即相當(dāng)于降低耦合系數(shù)。

Us1，Us2，Us3，Us4為四個發(fā)射線圈在接收端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢

接收端產(chǎn)生的總感應(yīng)電動勢設(shè)為Us：

設(shè)Pm為接收到的功率：

將式(6)代入式(8)得：

根據(jù)上述理論計算，為了提高無線充電效率，一方面是減少發(fā)射端線圈之間耦合損耗，另一方面是增大各發(fā)射線圈和接收線圈的能量傳輸。從設(shè)計耦合機(jī)構(gòu)角度出發(fā)，即四個發(fā)射線圈互相之間的耦合系數(shù)、互感盡量低，四個發(fā)射線圈與接收線圈之間耦合系數(shù)和互感盡量大。

1.2 耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的線圈材質(zhì)為利茲線600股，直徑3.4mm。鐵氧體為MnZn材料，在85khz工作頻率下磁導(dǎo)率為2700，MnZn鐵氧體可以實現(xiàn)聚合磁通的作用，既能提高線圈的自感，還能實現(xiàn)耦合機(jī)構(gòu)周圍的磁防護(hù)功能[8]。

為了更好地實現(xiàn)區(qū)域性充電，發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用四個線圈的圓心相連能構(gòu)成正方形的等距處理排布，并且四個相同尺寸的發(fā)射線圈處于同一平面放置于邊長為300mm，厚度為10mm鐵氧體塊上方，接收線圈由于是附著于無人機(jī)上，本著降低負(fù)重的原則設(shè)計。接收線圈為單線圈，背面貼上厚度為1mm的MnZn鐵氧體薄片，總體耦合結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 耦合機(jī)構(gòu)模型設(shè)計圖

1.2.1 線圈形狀設(shè)計

耦合線圈形狀有很多種，通過繞線匝數(shù)增加來提高電感值和區(qū)域范圍內(nèi)磁場分布。本次考慮到兩種線圈繞制形狀，線圈矩形倒圓角繞制法如圖3(a)所示，為正方形四個角用四分之一圓弧代替，內(nèi)部正方形邊長為50mm，匝數(shù)為6匝；線圈圓形繞制法如圖3(b)所示，圓形繞制，內(nèi)圓直徑為50mm，匝數(shù)為6匝。兩種形狀線圈繞制方法的電磁場分布圖如圖3所示。線圈矩形倒圓角繞制法磁場分布較均勻，均勻磁場覆蓋面積更大；線圈圓形繞制法磁場主要集中在圓心處，圓心以外區(qū)域磁場較弱。為了實現(xiàn)對準(zhǔn)充電時具有一定的偏移容錯性，選擇具有磁場分布更均勻，且均勻磁場覆蓋面積更大的線圈矩形倒圓角繞制法。

圖3 兩種線圈磁場分布仿真圖

1.2.2 線圈耦合情況仿真

為了保證接收線圈與發(fā)射側(cè)能有足夠的耦合區(qū)域，又考慮減輕無人機(jī)負(fù)重，接收線圈尺寸須稍大于發(fā)射線圈。本次設(shè)計的發(fā)射線圈和接收線圈內(nèi)尺寸一樣，發(fā)射線圈為6匝，發(fā)射線圈為9匝。

耦合機(jī)構(gòu)布局如圖2所示。耦合機(jī)構(gòu)仿真數(shù)據(jù)如表2所示。由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)射線圈之間存在較多磁場交疊，造成發(fā)射線圈間存在較多耦合。并且發(fā)射線圈的耦合使更少的磁場到達(dá)接收線圈，導(dǎo)致發(fā)射和接收線圈的耦合不夠大。根據(jù)上文的理論計算，這樣會造成較大損耗，大大降低了傳輸效率。為了減少損耗，下面將提出兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

表2 線圈耦合系數(shù)表

2 耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本設(shè)計提出兩種耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，第一種方案是在發(fā)射線圈間加上一定高度的鐵氧體塊分隔開發(fā)射線圈，第二種方案是在接收線圈鐵氧體薄片上打孔。

2.1 鐵氧體分隔發(fā)射線圈方案分析

通過十字形排布的鋅錳鐵氧體分隔開四個發(fā)射線圈，來減少四個發(fā)射線圈之間的磁場交疊，模型圖如圖4所示。通過圖4(a)和圖4(b)的磁場分布對比，由于鐵氧體的高磁導(dǎo)率，對發(fā)射線圈平面進(jìn)行磁場分隔。可以明顯地看出發(fā)射線圈水平面上基本沒有磁場交疊部分，各發(fā)射線圈的磁場均在其各自對應(yīng)的空間。

圖4 發(fā)射側(cè)磁場分布圖

鐵氧體高度設(shè)為25mm進(jìn)行仿真參數(shù)分析，表3為各耦合系數(shù)的數(shù)值。對比表2和表3的數(shù)據(jù)，可以看出發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)大大明顯降低了，說明鐵氧體隔開發(fā)射線圈平面內(nèi)的磁場，可以有效的減少發(fā)射線圈之間的耦合，但是還是存在一定耦合，說明在發(fā)射線圈和接收線圈耦合過程中，部分磁場越過鐵氧體到達(dá)其他線圈的磁場空間產(chǎn)生耦合。發(fā)射線圈之間的磁場分隔使更多磁場到達(dá)接收線圈，所以各個發(fā)射線圈與接收線圈的耦合增強(qiáng)。

表3 鐵氧體隔磁方案耦合系數(shù)表

2.2 接收線圈鐵氧體薄片打孔方案分析

在發(fā)射線圈側(cè)的鐵氧體薄片上進(jìn)行一定形狀的打孔，在發(fā)射線圈附著的鐵氧體上打孔可以誘導(dǎo)磁場的聚集，使其發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場聚集在該發(fā)射線圈垂直方向映射到的接收線圈區(qū)域，減少其進(jìn)入發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場空間發(fā)生耦合。這樣就可以減少發(fā)射線圈之間的耦合。本次采用了四種打孔方式進(jìn)行仿真分析，如圖5所示，在豎直方向正中位置開一個寬180mm、長5mm的長方形孔，橫向增加一個長寬10mm，180mm的長方形孔，在四個發(fā)射線圈映射的接收線圈區(qū)域，增加邊長為10mm的正方形孔，使其每個映射區(qū)域呈三角形排布。

圖5 接收線圈側(cè)鐵氧體打孔情況圖

得到的數(shù)據(jù)如表4所示。對比表2和表4的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：接收側(cè)鐵氧體打孔解決方案誘導(dǎo)磁場在孔內(nèi)聚集，以降低發(fā)射線圈之間的耦合，但發(fā)射線圈和接收線圈間的耦合影響不大。

表4 四種情況對應(yīng)耦合系數(shù)表

2.3 去耦合機(jī)構(gòu)仿真分析

綜合兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，得出新的耦合結(jié)構(gòu)。如圖6所示，在四個發(fā)射線圈之間加入隔離鐵氧體，并在接收線圈側(cè)鐵氧體上進(jìn)行打孔操作。

圖6 耦合機(jī)構(gòu)XOZ面視圖

2.3.1 對準(zhǔn)情況耦合機(jī)構(gòu)仿真

為了直觀的看出優(yōu)化后的耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果，表5為優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果將優(yōu)化后的各線圈的耦合系數(shù)。

表5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)耦合系數(shù)與優(yōu)化數(shù)據(jù)表

對比表5和表2的數(shù)據(jù)，可以看出新結(jié)構(gòu)能夠大大降低各發(fā)射線圈之間的耦合、還增強(qiáng)了各發(fā)射線圈與接收線圈的耦合。

2.3.2 耦合機(jī)構(gòu)偏移分析

為了模擬線圈從外界進(jìn)入磁場的耦合情況，坐標(biāo)系如圖7所示。先對X方向產(chǎn)生的耦合系數(shù)變化進(jìn)行偏移仿真分析，設(shè)置初始掃描值-200mm，結(jié)束掃描為0mm，每40mm掃描一次，最后得到6組數(shù)據(jù)，繪制出X方向偏移耦合系數(shù)變化曲線如圖7(a)所示。再對XoZ-45°方向進(jìn)行偏移測試，進(jìn)行相同的參數(shù)掃描，得到6組數(shù)據(jù)，繪制出沿XoZ-45°方向偏移耦合系數(shù)變化曲線圖如圖7(b)所示。

圖7 兩種偏移測試曲線圖

根據(jù)圖7的兩張曲線圖，可以看出該耦合機(jī)構(gòu)基本能實現(xiàn)進(jìn)入方形區(qū)域即能夠開始充電。且在對準(zhǔn)充電情況下允許正常充電的偏移量也較大，對準(zhǔn)容錯面積大約在以發(fā)射側(cè)中心為中心，邊長為50mm的正方形區(qū)域，對準(zhǔn)容錯率較高。

3 結(jié)語

本文分析了無人機(jī)多線圈發(fā)射單線圈接收的電路模型，設(shè)計了兩種線圈去耦合的結(jié)構(gòu)。通過有限元仿真，該結(jié)構(gòu)降低了電路的損耗，提高了能量傳輸效率。同時，該結(jié)構(gòu)對充電對準(zhǔn)精度要求不高，具有很高的容錯空間。本文所提出的結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于無人機(jī)區(qū)域無線充電領(lǐng)域中。