溫艷艷

無線電能傳輸系統(tǒng)線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)

溫艷艷

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津市 300350）

文章基于感應(yīng)耦合型的原理建立了單層錐形線圈、空心錐形線圈和帶鐵芯錐形線圈三種線圈模型，并且利用有限元分析軟件的強(qiáng)大電磁仿真功能，對以上三種線圈各自的耦合系數(shù)進(jìn)行分析，繪制了與線圈結(jié)構(gòu)類型相對應(yīng)的建模圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖、磁力線分布圖，研究了線圈結(jié)構(gòu)形式對耦合系數(shù)的影響，得到了線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一些結(jié)論。

無線電能傳輸；線圈設(shè)計(jì)；有限元仿真；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一、無線電能傳輸技術(shù)概述

無線電能傳輸（Wireless Po wer Transmission）又稱非接觸電能傳輸（Contactless Po wer Trans mission），是一種新型的電能傳輸技術(shù)。無接觸電能傳輸概念最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，是以電磁感應(yīng)耦合方式進(jìn)行電能的傳輸方法。在該系統(tǒng)中電能供應(yīng)側(cè)與電能接收側(cè)之間沒有直接的金屬導(dǎo)體接觸，而是以電磁感應(yīng)耦合方式來進(jìn)行電能傳輸，從而提高了電氣設(shè)備供電的靈活性。在電力系統(tǒng)中，依靠導(dǎo)線來引導(dǎo)電磁場的傳播方向，進(jìn)而控制功率的流向；在傳統(tǒng)變壓器中，利用高磁導(dǎo)率鐵磁材料來約束磁場，進(jìn)而控制功率的傳輸；而在無線電能傳輸中，電磁場的引導(dǎo)只是由初級和次級的固有特性以及配合情況來實(shí)現(xiàn)的。無接觸電能傳輸技術(shù)克服了傳統(tǒng)的導(dǎo)體直接接觸的電能傳輸方式中的缺點(diǎn)，如接觸電火花，器件磨損。無線電能傳輸擺脫了導(dǎo)線的束縛，使得供電和用電之間的聯(lián)系更為自由和便捷，因此在一些特殊場合以及便攜式設(shè)備中有很大的優(yōu)勢。將傳統(tǒng)變壓器鐵芯去掉或者切開，使初級和次級線圈分開，即可構(gòu)成一個簡單的感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（Inductive Contactless Po wer Transmission，ICPT）。

感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)是一種利用電磁感應(yīng)進(jìn)行能量傳輸?shù)男录夹g(shù)，也稱感應(yīng)耦合電能傳輸或無接觸能量傳輸。感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)具有安全性高和靈活性好，無接觸、無磨損的特性，能夠滿足電工設(shè)備的多種用電需求，同時兼顧了信息傳輸功能的需求。特別適用于那些不同部件之間需要相對獨(dú)立運(yùn)動的設(shè)備，諸如電機(jī)、精密儀表，操作臂、機(jī)器人，交通運(yùn)輸中的電車、地鐵，甚至在某些場合下，必須采用無線電能傳輸才能滿足要求。例如在給易燃易爆的裝置供電，水下裝置供電，移動裝置供電，醫(yī)學(xué)裝置供電時，如果采用無線電能傳輸，就可大大提高能量傳輸?shù)暮侠硇?、安全性和可靠性?/p>

與傳統(tǒng)供電方式相比，無線電能傳輸供電具有以下特點(diǎn)：1、便于攜帶，供電和用電設(shè)備可移動，可以無電氣連接直接向移動裝置供電；2、環(huán)境友好，不受污垢、灰塵、水、化學(xué)物質(zhì)影響，可工作于惡劣環(huán)境，無碳積和有害輻射的工作環(huán)境下正常工作；3、操作安全，沒有滑動接觸供電中的電氣接觸及外露電線連接，避免了接觸火花和直接接觸觸電事故的發(fā)生；4、運(yùn)行安全可靠，無線電能傳輸供電系統(tǒng)沒有直接接觸摩擦，使用和維護(hù)方便。

介于以上諸多優(yōu)勢，無線電能傳輸技術(shù)已經(jīng)在一些商業(yè)化產(chǎn)品和供電系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。如無接觸電能傳輸系統(tǒng)可以應(yīng)用于給海底設(shè)施供電。日本研制了采用錐形繞組的無接觸電能傳輸系統(tǒng)，為海底設(shè)備傳輸電能。日本大福株式會社的單軌行車和無電平自動運(yùn)貨車、德國穩(wěn)孚勒公司的200 k W載人電動火車及電動游船的水下驅(qū)動、新西蘭奧克蘭大學(xué)所屬奇思公司開發(fā)的高速公路發(fā)光分道貓眼系統(tǒng)（目前運(yùn)行于惠靈頓大隧道中）、新西蘭國家地?zé)峁珗@的30 k W感應(yīng)電動汽車以及最近海爾的“無尾電視”和迅猛發(fā)展的用于手機(jī)充電的無線充電器等。

可以預(yù)測在未來幾年里，隨著電力電子、電子變壓器、新型電磁材料技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，無線電能傳輸技術(shù)必將取得長足的進(jìn)步并應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域，發(fā)揮更加重要的作用。

目前的無線電能傳輸主要有三種類型：第一種是電磁波型，利用的是天線發(fā)射和接收的原理，發(fā)射電路把電能轉(zhuǎn)換為磁場能量發(fā)射，通過前后級繞組的電磁感應(yīng)將磁場能量傳輸?shù)浇邮针娐罚?jīng)過相應(yīng)的能量調(diào)節(jié)裝置，將能量變換為應(yīng)用場合負(fù)載可以直接使用的電能形式，從而達(dá)到了非接觸式電能傳輸?shù)哪康?。特點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)，但傳輸功率小，主要為便攜式終端設(shè)備提供待機(jī)功率；第二種是感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT），利用變壓器原理進(jìn)行功率傳輸，特點(diǎn)是傳輸功率大，但傳輸距離很小，僅在毫米級，這種方式目前研究比較多，相對其他方式較為成熟。

以感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)來定義無接觸電能傳輸技術(shù)：該系統(tǒng)包含兩個互感線圈，其中一次側(cè)線圈與二次側(cè)線圈無直接的物理接觸，系統(tǒng)通過一次側(cè)線圈與二次側(cè)線圈的電磁感應(yīng)耦合傳輸電能。一次側(cè)線圈與電源相連接從而得到相應(yīng)供電電源，二次側(cè)線圈與負(fù)載相連接，一次側(cè)線圈與二次側(cè)線圈可以保持相對靜止，也可以相對運(yùn)動。第三種是諧振耦合型，利用的是共振原理，即當(dāng)初級和次級有相同的諧振頻率時，能量就可在初級和次級間有效地傳輸，而在非共振環(huán)境中的損耗很小。在這三種傳輸方式中，感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）無論從技術(shù)成熟度上還是從實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)上，均較其他兩種更適合于小功率電氣設(shè)備。例如，電磁波型當(dāng)前能夠傳輸?shù)墓β侍?，還不足以支持用電設(shè)備的要求，諧振耦合型雖然在傳輸效率和傳輸距離上更具發(fā)展前景，更能滿足便攜性要求，但還需進(jìn)一步發(fā)展，而且其原理復(fù)雜，需要設(shè)置諧振器，增加了系統(tǒng)的體積和成本，以麻省理工學(xué)院的研究為例，2 m范圍實(shí)現(xiàn)了大約60 W能量的傳輸，但其線圈直徑太大，且傳輸效率低，并不適合小功率設(shè)備。因此如果小功率設(shè)備要求的距離在mm級或稍大一點(diǎn)，感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）以高效率實(shí)現(xiàn)無線電能的傳輸。

無線電能傳輸是依靠初級和次級的固有特性以及配合情況來約束電磁場，進(jìn)而傳遞能量的，因此線圈的結(jié)構(gòu)形式和耦合對傳輸效率和傳輸功率就起著基礎(chǔ)性的決定作用。本文基于感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）對小功率無線電能傳輸系統(tǒng)中線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

二、感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸原理

感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）主要以磁場為媒介，利用變壓器耦合，以實(shí)現(xiàn)無電氣連接的能量傳輸。感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）的傳輸功率大，能達(dá)幾百k W；而傳輸距離較短，約為1c m以下。

感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）系統(tǒng)包括：整流濾波電路、原邊補(bǔ)償電路、高頻逆變器電路、松耦合變壓器電路、一次側(cè)線圈及二次側(cè)線圈、電感補(bǔ)償器件、二次側(cè)功率調(diào)節(jié)電路、等效負(fù)載電路等組成部分。

感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）的基本工作原理如下：50 Hz交流電源電壓在整流濾波電路中獲得相應(yīng)直流電壓，該電壓通過原邊補(bǔ)償向高頻逆變器供電從而進(jìn)行相應(yīng)逆變過程。在逆變過程中所產(chǎn)生的高頻交變電流進(jìn)入一次側(cè)原邊線圈，一次側(cè)原邊線圈中的高頻交變電流產(chǎn)生的磁鏈與二次側(cè)副邊線圈交鏈，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)電動勢通過高頻整流及直流斬波等調(diào)節(jié)電路之后即可向負(fù)載提供參數(shù)合適的直流電源電壓。與緊密電磁耦合系統(tǒng)不同，無接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)屬于松耦合系統(tǒng)，一次側(cè)原邊線圈與二次側(cè)副邊線圈一起組成松耦合變壓器，感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）使用環(huán)境不同，一次側(cè)原邊線圈與二次側(cè)副邊線圈之間既可以保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，又可以相對滑動或者相對轉(zhuǎn)動狀態(tài)。松耦合變壓器既可以采用可分離的鐵芯，也可以不加裝鐵芯。在感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）的松耦合變壓器中，一次側(cè)原邊線圈與二次側(cè)副邊線圈之間存在較大空氣間隙，因此其耦合系數(shù)K值較小，存在較大數(shù)量的漏電感存在。為了提高感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）中的功率因數(shù)，必須在松耦合變壓器的一次側(cè)線圈附加電路補(bǔ)償器件。提高系統(tǒng)向負(fù)載傳輸功率的能力，消除副邊線圈漏感的影響。

感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）屬于疏松耦合系統(tǒng)，傳輸性能一般較差，為了提高系統(tǒng)的傳輸能力，初級變換器通常采用高頻變換器。從感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）中可看出：要實(shí)現(xiàn)大氣隙下，能量高效傳輸關(guān)鍵的是要研制出耦合系數(shù)高，漏感小的可分離變壓器。感應(yīng)耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)（ICPT）中的最重要組成部分是可分離變壓器，它的性能對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效起著至關(guān)重要的作用。

提高初、次級線圈之間的耦合性能是感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，耦合性能越好，傳輸效率就越好。在感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)中，有多個影響電能傳輸效率和傳輸距離的因素，各因素之間相互影響制約。對可分離變壓器，主要是耦合系數(shù)和工作頻率。耦合系數(shù)與變壓器的鐵芯材料、線圈的繞法（線徑、匝數(shù)、位置）以及氣隙的大小有關(guān)。根據(jù)上面可分離變壓器模型的分析和參考文獻(xiàn)的研究可知，采用磁導(dǎo)率高，電導(dǎo)率小，磁滯回線窄的鐵芯可以有效的提高耦合系數(shù)。而采用能量聚焦線圈同樣可以顯著提高傳輸效率和傳輸距離。

所有的可分離變壓器都有一個共同的特點(diǎn)，即氣隙增大時會降低互感從而使傳輸效率降低；對可分離變壓器工作頻率來說，一般在滿足輸出功率的情況下，應(yīng)滿足較高的可分離變壓器工作頻率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，初級電流隨著系統(tǒng)中工作頻率的增加而不斷減小，初級電流越小，系統(tǒng)的功率損失也就越小。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，系統(tǒng)的工作頻率應(yīng)選擇在10k Hz－30k Hz范圍內(nèi)。因此，選擇合適的鐵芯材料和設(shè)計(jì)合適的線圈結(jié)構(gòu)將能從根本上提高可分離變壓器的傳輸能力。本文將從線圈結(jié)構(gòu)方面來說明這一問題。

三、有限元仿真與結(jié)果分析

為得到電能傳輸效果較好的線圈模型，本文選取線圈的耦合系數(shù)為技術(shù)指標(biāo)，利用有限元方法對三種不同形狀線圈模型進(jìn)行建模，求出每個線圈對應(yīng)的耦合系數(shù)，分析得出耦合系數(shù)對氣隙的變化趨勢。在中低頻時電感受頻率變化的影響不大，在本論文中，仿真頻率在1 MHz以下，這種頻率下有限元分析中計(jì)算線圈的電感時，可以采用靜態(tài)法求解［3］。

本文所例舉的三種不同形狀線圈模型的基本參數(shù)如下：初級和次級為兩個錐形線圈，次級在初級內(nèi)。初級線圈100匝，次級匝數(shù)100匝，高度為40 mm。所選的次級線圈均為單層錐形線圈，按初級線圈的類型劃分為單層錐形線圈、空心錐形線圈、帶鐵芯錐形線圈三種類型，在有限元分析軟件中應(yīng)用以命令流文件的方式進(jìn)行建模分析，得到各自的線圈模型示意圖、二維軸對稱平面尺寸示意圖、建模圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖、磁力線圖、網(wǎng)格劃分圖。其中二維軸對稱平面尺寸示意圖模型，線圈區(qū)用帶有AZ自由度的PLANE53單元劃分，劃分類型為4邊形映射網(wǎng)格，線圈材料的相對磁導(dǎo)率為1，電阻率為3E－8；線圈周圍空氣區(qū)用PLANE53單元劃分，劃分類型4邊形自由網(wǎng)格，采用自動劃分，空氣相對磁導(dǎo)率1。初級和次級加載電流密度2．5E6 A／m2，在空氣區(qū)域外圍線上施加平行邊界條件，設(shè)置分析類型為靜態(tài)分析。

分析本文的仿真結(jié)果，可以得到的結(jié)論有：

1．在線圈類型和線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，耦合系數(shù)隨兩耦合線圈之間的氣隙增加而降低。

2．選擇合適的線圈結(jié)構(gòu)，可以顯著提高線圈的耦合系數(shù)。本文對氣隙20 mm，具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性和電流密度的三個方案線圈的耦合系數(shù)進(jìn)行分析，加鐵芯的空心線圈比單層線圈的耦合系數(shù)有明顯提高。

3．對比耦合系數(shù)－線圈厚度曲線與耦合系數(shù)－鐵芯厚度曲線，可知錐形線圈如果設(shè)計(jì)合理，在相同條件下，加鐵芯后耦合系數(shù)好于不加鐵芯的錐形圈。

4．分析耦合系數(shù)隨氣隙大小的變化趨勢，加鐵芯錐形線圈的耦合系數(shù)與兩線圈的氣隙成反比。

對比以上的三個方案，選擇加鐵芯的空心錐形線圈，對一次線圈與二次線圈之間的周側(cè)氣隙和頂側(cè)氣隙取盡量小的值，可獲得相同條件下的較高的耦合系數(shù)。錐形線圈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括初級線圈的頂層厚度、初級線圈鐵芯的厚度，初級線圈與次級線圈的氣隙等。本文所做的工作，主要依靠有限元分析的仿真功能完成，建模分析過程中，對線圈參數(shù)與工作環(huán)境做了適當(dāng)?shù)暮喕?，所得的結(jié)果是否具有理想的電能傳輸效果，后續(xù)還需要做大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

［1］李建貴，陳海燕，楊慶新．基于無接觸電能傳輸系統(tǒng)的可分離變壓器傳輸性研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007．

［2］張宗明，孫 躍，蘇玉剛，夏晨陽．非接觸電能傳輸系統(tǒng)互感耦合的仿真研究［J］．磁性材料及器件，2007．

［3］武瑛，嚴(yán)陸光，黃常綱．新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析［J］．電工電能新技術(shù)，2003．

［4］何秀，顏國正，馬官營．互感系數(shù)的影響因素及其對無線電能傳輸效率的影響［J］．測控技術(shù)，2006．

［5］武瑛，嚴(yán)陸光，許善綱．運(yùn)動設(shè)備無接觸供電系統(tǒng)耦合特性的研究［J］．電工電能新技術(shù)，2005．

The Opti mized Design of Coil in Radio Energy Transmission System

WEN Yan－yan

（Tianjin Moder n Vocational and Technical College，Tianjin 300350 China）

Based on the principle of inductive coupling type，this article establishes 3 kinds of coil models，that is，a single cone coil，hollow cone coil and cone coil with a ferrous core．It analyzes coupling coefficient of the 3 kinds of coil models with powerf ul electromagnetic simulation soft ware．In addition，it draws illustrations of the model，the magnetic induction density cloud and the magnetic lines distribution corresponding to the coil structure．It elaborates how coil structure i mpacts on the coupling coefficient and concludes the design of structural opti mization．

radio energy transmission；coil design；finite element si mulation；structural opti mization

TN014

A

1673－582 X（2011）11－0061－04

2011－09－20

溫艷艷（1979－），女，天津人，天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，講師，碩士，主要從事高等職業(yè)教育，電力系統(tǒng)及其自動化技術(shù)教學(xué)研究。