一種三線圈IPT系統耦合機構設計與仿真

孫宏光

一種三線圈IPT系統耦合機構設計與仿真

孫宏光

（中國人民解放軍海軍裝備部，北京 100000）

無線電能傳輸系統主要包括逆變環節、補償拓撲、耦合器、整流環節四部分。實際中系統的補償元器件出廠前已被確定，但負載變化和耦合器偏移都會影響整個系統的諧振狀態，間接降低傳輸效率。本文提出一種新型的三線圈IPT系統的耦合器，采用在接收線圈增加反串聯線圈的結構，通過maxwell 3D軟件仿真驗證該結構線圈在耦合器發生水平、旋轉偏移時，耦合器自身參數，如自感、互感的變化率相比傳統兩線圈結構有明顯的提升。另外，本文在通過傳統兩極板仿真時，得出了耦合器的自身參數受哪些變量的影響，方便讀者后續工藝設計，并給出了比較適配的極板參數范圍，以提供參考價值。

磁感應式無線電能傳輸 耦合器偏移 反串聯線圈結構 maxwell 3D仿真軟件

0 引言

現如今，全世界已經正式進入新能源的時代，電能作為最基礎的能量在日常生活中已不可或缺。感應式無線電能傳輸技術(inductive power transfer,IPT)[1-2]作為一種高效、便捷、安全的電能傳輸技術，在某些領域已被大量使用，如電力系統、電動汽車、醫療、海上設備以及無人機等領域。

IPT的基本原理是由發射線圈通過激勵電源產生空間中的磁通穿過接收閉合線圈時，在閉合的接收線圈產生感應電流，從而達到無線傳輸電能的效果。實際應用中大多以單線圈-單線圈的耦合器為主，通過不同的諧振補償網絡SS、SP、PP、PS、LCC-LCC、LCC-S[3]實現不受負載影響的恒壓恒流輸出。然而在電動汽車、軌道交通領域，發射線圈往往是固定的，負載的停留隨機，不能保證發射線圈與接收線圈正對，導致耦合器的自感和互感發生偏移，這樣會大大影響系統的傳輸效率，所以在磁感應無線電能傳輸技術中，需要耦合線圈在一定范圍內具有強抗偏移性。例如在電動汽車充電標準SAE J2954規定電動汽車前進方向偏移不超過±70 mm，徑向方向偏移不超過±100 mm[4]。

為實現系統的高效穩定的傳輸[5]，需耦合器在發、接收線圈偏移時，耦合器的自身參數不發生太大的波動，當耦合器線圈發生偏移，其輸出電壓電流受互感變化的影響，不再恒定，因此，目前已有學者對系統補償網絡參數進行優化，可使IPT系統輸出對線圈偏移變得不敏感。此外，可以通過控制器實時控制系統輸出，讓其輸出不受系統偏移參數影響，例如變頻控制和buck變換控制。以上方案，當整個系統發生多處變化時，很難穩定輸出，其控制能力有限。因此，文獻[6-7]中提出將兩個輸出線圈偏移變化呈相反趨勢的 IPT 補償拓撲通過串并聯的方式，構成新的IPT系統，該系統的補償拓撲分別具有與負載無關的恒壓或恒流輸出特性。因需根據實際輸出來選擇對應的拓撲，該拓撲普適性差，且補償元件過多。

若耦合器自身具有強抗偏移性，結合適配的補償網絡，可以快速的解決通用性問題。目前，已有研究使用DDQ、DD、BP等線圈結構[8]，雖能產生均勻的磁場，增強耦合系數，但這些線圈結構在抗偏移特性上仍不足。文獻[9]在S-S補償的IPT系統中增加兩個附加線圈和兩個諧振電容，其中兩個諧振電容也采用 S-S 連接方式，從而提供系統輸出電流的抗偏移能力。兩個附加線圈和主耦合線圈可由一個BP型耦合器實現，但這種拓撲只適用于恒流輸出。

為解決上述耦合器設計的不足問題，本文提出一種新的三線圈的耦合結構，用材簡單，抗偏移性更強，適用于任意的補償網絡，該新型耦合器發射側一個線圈，接收側兩線圈，為反串聯結構。反串聯線圈的接入致使耦合器發接線圈的自感量與互感量減少，但會使得耦合器在發生偏移時，自身參數變化減小，更利于實際應用，同時文章最后通過仿真給出了耦合器發收極板的最適線寬。

文章共分為三部分：

1）傳統兩線圈結構與仿真：介紹了IPT系統傳統發、收兩線圈模型結構，耦合器的自感、耦合系數受各線圈寬度，極板尺寸，距離，水平偏移，旋轉偏移等量變化而發生怎樣程度的改變；

2）三線圈耦合結構與仿真：主要介紹了新型三線圈的結構，制作尺寸，設計的新型耦合器受偏移量影響后自身參數的變化如何，程度大小，并在maxwell仿真中得到驗證；

傳統兩線圈與三線圈耦合器的比較：通過對比新型三線圈與傳統兩線圈耦合器在同等條件下，發生水平、旋轉偏移時耦合器的自感、互感的變換程度，通過仿真實驗比較，這種新型的三線圈耦合器具有更強的參數穩定性，具有更好的普適性。

1 傳統兩線圈的模型與仿真

1.1 整體設計思路及流程

耦合機構和補償網絡[10-11]是非接觸供電系統設計中最重要和最困難的部分，其性能直接影響著系統的傳輸效率、穩定性、可靠性。本次設計的基本思路和流程如圖1所示。

首先，根據設計要求尺寸在ANSYS Maxwell中建立3D模型進行仿真，對線圈寬度、結構進行優化，實現最大耦合和最好抗偏移特性[12]。接著，根據要求選取合適的補償網絡，并計算相關參數。根據計算參數，在LTSPICE中建立模型進行仿真，校驗傳輸效率、傳輸功率是否滿足要求，如果不滿足要求，對參數、補償網絡進行調整，直至滿足要求。根據LTSPICE中線圈電流設置ANSYS Maxwell中的激勵電流，進行電磁仿真，確定磁芯尺寸。將ANSYS Maxwell中偏移后的線圈參數代入LTSPICE進行仿真，校驗傳輸效率、傳輸功率是否滿足要求，如不滿足對參數進行調整直至不同偏移情況均滿足要求。根據LTSPICE的仿真，設置Maxwell中的電流進行電磁仿真校驗，如磁芯損耗大，對磁芯進行調整，降低損耗。最后對線圈外殼進行設計，并進行熱仿真優化，直至溫升滿足要求，線圈耦合機構和補償網絡設計結束。

1.2 雙線圈耦合機構電磁仿真設計

為了分析耦合機構的磁場，在ANSYS Maxwell中建立3D模型進行仿真分析，仿真模型如圖2所示。由圖2(a)可知，發射器由發射線圈、發射鋁板、發射磁芯組成；由圖2(b)可知接收器由接收線圈、接收鋁板、接收磁芯組成。

發射磁芯和接收磁芯由磁導率高、損耗小的鐵氧體材料組成，是無線電能傳輸系統的主磁路。

線圈中電流激勵的磁場的一部分磁通泄漏到空氣中，形成漏磁通。為了減小漏磁通產生的電磁干擾，在發射端和接收端分別加裝發射鋁板和接收鋁板。漏磁通在鋁板中形成的感應磁場抵消漏磁通，實現電磁屏蔽。

圖1 耦合機構設計流程圖

發射線圈和接收線圈的寬度會影響耦合機構的特性。不同的線寬，抗偏移特性不同，耦合系數不同，電感量不同。優化線圈寬度是仿真設計的重要環節。

圖2(c)整體模型，發射器尺寸580mm×580mm×32mm，接收器仿真模型尺寸360mm×360mm×32mm。仿真中，接收線圈將沿水平方向偏移和z方向偏移，水平方向偏的偏移范圍為0-100 mm，z方向的偏移距離50-100 mm。除了偏移外，接收線圈還會進行翻轉10°的仿真，仿真模型如圖3所示。

圖2 仿真模型

圖3 翻轉10°的仿真模型

發射器與接收器之間的偏移，會引起線圈電感量[13-16]、耦合系數的變化，影響傳輸的效率與功率。為了實現電能的高效、穩定傳輸，通過線圈優化減小線圈偏移引起的參數變化是耦合機構設計的重要環節。本設計要求水平偏移0-100 mm，z偏移50-100 mm，偏轉角10°，為了滿足設計要求，在仿真中設置了變量進行仿真，仿真結果如表1~表4。

表1為不同偏移下的接收線圈電感量。由表1可看出，接收線圈越寬，電感量越小。接收線圈寬度相同時，水平方向和z方向發生偏移時，線圈電感量變化較小。

表2為同偏移下的發射線圈電感量。由表2看出，發射線圈越寬，電感量越小。發射線圈寬度相同時，z方向偏移相同時，水平方向發生偏移，電感量變化較小。y方向偏移相同時，z方向偏移由50-100 mm時，電感量偏移10%左右。

表3為無水平偏移情況下，z方向發生偏移時耦合系數的仿真結果。發射線圈寬度相同時，接收線圈寬度增加，耦合系數增加。接收線圈寬度相同時，發射線圈寬度增加，耦合系數幾乎不變。

表1 接收線圈電感量/μH（s為發射線寬度，y為平偏移，z為方向偏移，單位：mm）

表2 發射線圈電感量/μH（r為接收線寬度，y為平偏移，z為方向偏移，單位：mm）

表3 無水平偏移, 耦合系數仿真結果（s為發射線寬度，y為平偏移，z為方向偏移，單位：mm）

當接收線圈寬度為80 mm時，相同的發射線圈寬度，z方向由50 mm變到100 mm時，耦合系數變化減小22%左右；當接收線圈寬度為110 mm時，相同的發射線圈寬度，z方向由50 mm變到100 mm時，耦合系數變化減小27%左右；當接收線圈寬度為110 mm時，相同的發射線圈寬度，z方向由50 mm變到100 mm時，耦合系數變化減小31%左右；當接收線圈寬度為180 mm時，相同的發射線圈寬度，z方向由50 mm變到100 mm時，耦合系數變化減小34%左右。因此，接收線圈寬度較小時，z方向的抗偏移特性好[17-18]。

接收線圈寬度為80 mm，發射線圈寬度為60 mm時，z方向偏移由50 mm變到100 mm時，耦合系數減小24%左右；接收線圈寬度為80 mm，發射線圈寬度為90 mm時，z方向偏移由50 mm變到100 mm時，耦合系數22.4%左右；接收線圈寬度為80 mm，發射線圈寬度為120 mm時，z方向偏移由50 mm變到100 mm時，耦合系數21.4%左右；因此，相同條件下，發射線圈大時，z方向的抗偏移特性好。

其中β是稀疏懲罰項的權重。在學習過程中，通過BP算法對神經網絡的W和b的逐步修正，代價函數逐漸被最小化。在此過程中，必須計算隱藏層的每個神經元對輸出層誤差的貢獻。此外，還應該計算代價函數對W和b的偏導數。文獻[16]指出，L-BFGS算法在深度學習中訓練維度較低的情況下，效果比較好且收斂速度快，運行穩定，因此本文采用L-BFGS算法求解。

表4 水平偏移100 mm，耦合系數仿真結果

表4為水平偏移100 mm時，z方向發生偏移時耦合系數的仿真結果。由表可以看出，接收線圈寬度小，發射線圈寬度大時，z方向的偏移特性好。

對比表3和2.4可知，接收線圈寬度80 mm，發射線圈為120 mm時，水平方向偏移由0變到100 mm時，耦合系數變化小于接收線圈寬度110 mm，發射線圈為120 mm的耦合系數變化量。接收線圈寬度80 mm，發射線圈為120 mm時，水平方向偏移由0變到100 mm時，耦合系數變化小于接收線圈寬度80 mm，發射線圈為90 mm的耦合系數變化量。因此，發射線圈寬度大，接收線圈寬度小時，水平偏移特性好。

綜上所述，為了減小由于偏移產生的變化量，發射線圈寬度應大于90 mm，接收線圈寬度不應超過110 mm。

2 三線圈耦合機構仿真

為了進一步減小偏移中，線圈電感和耦合電感的變化，提高抗偏移特性，在接收線圈中加入一個線圈，與接收線圈反向串聯，仿真模型如圖4所示。

由于反向線圈L3與原接收線圈L2反向串聯，所以L3與L2串聯后的總電感量L23根據(1)進行計算；L2與發射線圈L1為正向耦合，耦合系統的互感M計算式為(2)，等效耦合系數k計算為(3)。

(1)

(2)

(3)

其中，k23為線圈L3和L2之間的耦合系數，k13為線圈L3和L1之間的耦合系數，k13為線圈L3和L1之間的耦合系數。

圖4 帶反向線圈的仿真模型

圖5為發射線圈寬度設置為110 mm，接收線圈寬度設置為100 mm，反向線圈設置為25 mm的電感量仿真結果，從圖中可以看出單匝電感量變化較小。多匝電感量根據式（4）進行計算。

圖5 帶反向線圈的仿真模型

3 新型三線圈與傳統兩線圈的參數對比

圖6為接收線圈設置為13匝，反向線圈設置為3匝的接收線圈總電感量和接收線圈設置為13匝，無反向線圈的電感量對比圖，從圖中可以看出，加了反向線圈后，電感量減小，變化趨勢和變化量基本相同。

圖7為接收線圈設置為13匝，反向線圈設置為3匝的三線圈耦合機構耦合系數和接收線圈設置為13匝，無反向線圈的耦合機構耦合系數對比圖，從圖中可以看出，加了反向線圈后，耦合系數減小一些，但是耦合系數的波動明顯減小，三線圈耦合機構具有更好的抗偏移特性。

可變剪接，這個早在20世紀就被提出的概念，在近幾年的研究中，又“火”了起來。科學家們發現，可變剪接不僅豐富了蛋白質組多樣性，還在生物體內起著重要的調控作用。

教師要利用有效手段增加學生學習英語的積極性與主動性，如學習動機、學習態度、學習資源和語言環境等。教師在課堂上開展生動的教學活動可以激發學生用英語交流的意愿，如采用角色扮演、小組活動和語言游戲等。激發了的交流意愿有益于學生養成自主學習的習慣[4]。

圖8為發射線圈設置為17匝，接收線圈設置為13匝，反向線圈設置為3匝的三線圈耦合機構耦合系數和發射線圈設置為17匝、接收線圈設置為13匝，無反向線圈的耦合機構耦合電感對比圖，從圖中可以看出，加了反向線圈后，耦合系數電感一些，但是耦合電感的波動明顯減小，三線圈耦合機構具有更好的抗偏移特性。

圖6 不同偏移情況下，兩種接收線圈電感量對比圖

圖7 不同偏移情況下，兩種耦合機構耦合系數對比圖

圖8 不同偏移情況下，兩種耦合機構耦合電感對比圖

綜上所述，增加反向線圈，線圈電感變小，耦合系數、耦合電感變小，但是耦合電感、耦合系數的變化量可大幅減小，偏移過程中，線圈中電流變化更小，有利于穩定輸出。通過參數設計實現了一定程度的系統被動穩定性，結合主動動態調節，可更好的實現非接觸供電系統的穩定輸出。

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4 結論

耦合器設計在感應式無線電能傳輸中占有很重要的地位，好壞直接決定了系統傳輸能量的能力，原理是發射線圈通過給定的激勵電流在空間中形成磁通，磁通穿過接收線圈閉合面時，接收線圈形成感應電流抵消變化的磁通，并且滿足關系式=Nsφ=LsIs。得出如下幾點結論：

1）傳統兩線圈在接收線圈寬度越小、水平偏離越大、極板距離越遠時，都會導致接收自感增加；在發射線圈寬度越小、水平偏離越小、極板距離越近時，都會導致發射自感增加；在接收線圈寬度越大、發射線圈寬度越小、極板距離越近時，都會導致耦合系數增加；在發射線圈寬度越大、接收線圈寬度越小時，耦合器抗X、Y、Z方向的偏移特性越好；

2）一種新型三線圈在接收側增加串聯反向線圈，線圈電感將變小，耦合系數、耦合電感變小，但耦合電感、耦合系數的變化量大幅降低；

3）為了增加耦合器的穩定性，在工藝設計時，發射線圈線寬應大于90 mm，接收線圈線寬應不超過110 mm。

在電動汽車領域[19-20]，未來有待研究的方向在如何通過耦合器結構設計，又不降低耦合器自身參數，又能提升整體的穩定性。

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Design and simulation of a three-coil IPT system coupling mechanism

Sun Hongguang

(Equipment Department of the People's Liberation Army Navy, Beijing 100000, China)

Abstract: Wireless power transfer system comprises four main components: an inverter module, compensation topology, coupler, and rectifier module. While the compensation components of the system are predetermined before delivery, variation in load and misalignment of the coupler can have a detrimental effect on the overall resonance state, thus indirectly reduce the transmission efficiency. This paper proposes a novel coupler design for a three-coil IPT system. It incorporates an additional anti-series coil in the receiving coil structure. Through simulation using Maxwell 3D software, it is demonstrated that this modified coil structure exhibits a significant improvement in self-inductance and mutual inductance compared to the traditional two-coil structure when horizontal and rotational misalignment of the coupler occurs. Furthermore, this paper outlines the factors that influence its parameters of the coupler during conventional two-plate simulations, facilitating subsequent process design, and provides a range of plate parameters suitable for comparison and reference purposes.

Keywords: inductive power transfer; coupler misalignment; anti-series coil structure; Maxwell 3D simulation software

中圖分類號：TH139

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2023）11-0001-06

收稿日期：2023-05-31

基金項目：國家自然科學基金項目(52077038)

作者簡介：孫宏光（1987-），男，工程師，研究方向為電氣工程。E-mail: 15198243251@163.com