孟慶輝，張永剛，姚善化

(1安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232007 ； 2安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

基于電磁耦合諧振式無線傳能技術(shù)的研究

孟慶輝1，張永剛2，姚善化2

(1安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232007 ； 2安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

磁耦合諧振式無線傳能傳輸技術(shù)是一種能在中等距離時(shí)能夠高效率進(jìn)行能量傳輸?shù)募夹g(shù)。所以它是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此類技術(shù)的主要探索研究方向。文章主要通過理論推導(dǎo)、建立電路模型，電路仿真來探索能影響磁耦合諧振式無線能量傳輸?shù)囊恍┮蛩睾蛯?duì)應(yīng)的解決方法。

磁耦合諧振；無線能量傳輸；感應(yīng)耦合；磁耦合電路模型

無線傳輸能量一直是科學(xué)家研究的熱點(diǎn)技術(shù)。最早在1899年塞爾維亞裔美籍發(fā)明家尼古拉·特斯拉研究出特斯拉線圈，完成了第一次無線能量傳輸實(shí)驗(yàn)。此后世界上各國(guó)的科學(xué)家前赴后繼的在此技術(shù)投入了大量的精力來進(jìn)行研究。并提出了很多有創(chuàng)意的設(shè)想。在1968年一個(gè)美國(guó)工程師P Glaser提出了一種利用太陽(yáng)能的發(fā)電衛(wèi)星，它利用微波來來電能傳輸?shù)降孛?，再將其轉(zhuǎn)換為日常生活所使用的電能。在上個(gè)世紀(jì)八十年代后期，加拿大的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)嘗試搭建一個(gè)能在高空中漂浮的平臺(tái)。它利用超遠(yuǎn)的距離無線通信信號(hào)的來進(jìn)行轉(zhuǎn)接。但是因?yàn)槠淠芰總鬏數(shù)姆较驘o法確定、傳輸效率的低下、平臺(tái)本身的電磁輻射較大、傳輸距離達(dá)不到實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn)和其穿越障礙時(shí)衰減較大等缺陷而沒有成功。但經(jīng)過科學(xué)家不斷在理論和實(shí)踐上繼續(xù)研究，并在2006年11月在美國(guó)物理學(xué)會(huì)工業(yè)物理論壇上首次正式提出了磁耦合諧振式無限能量傳輸技術(shù)。居于此理論與次年6月，成功地完成了一項(xiàng)遠(yuǎn)距離點(diǎn)亮燈泡的實(shí)驗(yàn)。雖然還存在一些問題，但是可以看出無線電能傳輸未來前景〔4〕。

1 磁耦合諧振無線傳能的基本原理及特點(diǎn)

無線傳能傳輸技術(shù)目前主要有三種方式來實(shí)現(xiàn)：電磁感應(yīng)耦合式、電磁波輻射式和磁耦合諧振式〔1〕。它們的工作原理、傳輸距離、優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合如表1：

表1 三種主流無線傳能技術(shù)比較

磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它主要由發(fā)送端和接收端兩塊組成。發(fā)送端里有220V交流輸入，高頻電源， 發(fā)射天線和閉環(huán)控制部分1組成。接收端主要包括接收天線，閉環(huán)控制部分2，負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載組成〔4〕。

首先由220V交流輸入給高頻電源供電，高頻電源輸出高頻正弦交變電流。高頻電流通過發(fā)射天線在其周圍空間產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的交變磁場(chǎng)，其諧振線圈感應(yīng)到交變磁場(chǎng)而發(fā)生對(duì)應(yīng)的諧振。而發(fā)射天線和接收天線中的與諧振線圈結(jié)構(gòu)中的相關(guān)參數(shù)是一樣的。接收端的接收天線通過磁耦合諧振作用發(fā)生對(duì)應(yīng)的諧振，并通過感應(yīng)耦合作用來接收傳輸過來的電能。負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路將傳輸過來的電能進(jìn)行整流濾波處理，再送給負(fù)載給其供電。當(dāng)發(fā)送端和接收端之間的間距發(fā)生變化，或者改變其負(fù)載時(shí)，可以通過閉環(huán)控制部分1和2來調(diào)節(jié)其工作頻率，使該系統(tǒng)能夠一直處于最大的傳輸功率和傳輸效率的工作狀態(tài)。

圖1 磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖

2 磁耦合諧振無線傳能的電路模型和傳輸特性

磁耦合諧振無線傳能的電路圖如圖2所示，該模型的發(fā)送端和接收端都采用了端LC并聯(lián)方式。R1、R2為線圈的損耗等效電阻，M為線圈互感，US為高頻交流電源〔2〕。

圖2 磁耦合諧振無線傳能的電路圖

圖3 聯(lián)合仿真電路圖

根據(jù)圖2電路模型，可以用網(wǎng)孔法列出方程：

(1)

若設(shè)Us=Us<0°，則(1)中2*2矩陣行列式為：

(2)

由此可解出發(fā)送端功率和接收端功率的絕對(duì)值為

(3)

(4)

而其傳輸效率η為

(5)

(6)

由上可得出，在發(fā)送端和接收端的諧振線圈共振條件下能夠影響傳輸效率的因素如下：

(7)

由此可看出，可通過提高共振頻率、線圈互感、功率因數(shù)等方法來提高效率。反過來在提高頻率時(shí)，會(huì)造成裝置線圈電阻上升，進(jìn)而使功率因數(shù)下降。所以要大幅提高傳輸效率，要從整體是來協(xié)調(diào)各個(gè)變量〔5〕。

3 用Maxwell和Simplorer軟件進(jìn)行電路仿真

Maxwell是一個(gè)三維電磁場(chǎng)仿真軟件，可以用它來分析渦流、位移電流、集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等。在這里可以用它來設(shè)計(jì)仿真出線圈的自感、互感和耦合系數(shù)等有限元的計(jì)算。最終做出一個(gè)發(fā)送端和接收端之間的磁耦合諧振Maxwell3D工程模型。

Simplorer是一個(gè)功能強(qiáng)大的跨學(xué)科多領(lǐng)域的高性能系統(tǒng)仿真軟件。它強(qiáng)大的仿真耦合技術(shù)將非SPICE線路仿真技術(shù)、框圖仿真技術(shù)和狀態(tài)機(jī)仿真技術(shù)集成在同一軟件之中，允許多工程領(lǐng)域模型同時(shí)進(jìn)行仿真求解。同時(shí)提供了對(duì)外部仿真器的聯(lián)合仿真接口，能夠靈活地對(duì)現(xiàn)有其他軟件進(jìn)行集成。

如圖3這是利用Maxwell和Simplorer這兩個(gè)軟件設(shè)計(jì)出來的一個(gè)聯(lián)合仿真電路。其中1是Maxwell3D工程模型,2是電壓源輸出功率，3是發(fā)送線圈的輸出功率，4是接收線圈的輸出功率。5和6是Mosfer管。在這個(gè)仿真電路中我們可以改變可能影響傳輸效率的各項(xiàng)參數(shù)，來進(jìn)行研究能夠影響磁耦合諧振無線傳能效果的有那些關(guān)鍵因素〔3〕。

4 影響磁耦合諧振無線傳能效果的關(guān)鍵因素

由上文的磁耦合諧振無線傳能的電路模型可以看出，能夠影響無線傳輸效果，又可以被控制的關(guān)鍵因素主要有電源頻率、線圈間距、線圈線徑、線圈直徑、線圈匝數(shù)、諧振電容、線圈相對(duì)位置和負(fù)載類型等。

電源頻率，在其他參數(shù)都固定不變時(shí)，電源頻率為發(fā)送端或者是接收端頻率的1，1/2，1/3....時(shí)，傳輸效率最好。

線圈間距，在其他參數(shù)都固定不變時(shí)，發(fā)送端和接收端的距離不是越近越好，而是保持一定距離時(shí)傳輸效率最好。

線圈線徑，在其他參數(shù)都固定不變時(shí)，發(fā)現(xiàn)線圈線徑對(duì)傳輸效率影響很大。其線徑越大傳輸效率越好。

線圈直徑，在其他參數(shù)都固定不變時(shí)，線圈直徑越大，能量傳遞效果越好。其能傳輸?shù)淖畲蠊β室苍酱?。但是線圈直徑越大，其能量傳遞最大點(diǎn)也越遠(yuǎn)。

線圈匝數(shù)，在其他參數(shù)都固定不變時(shí)，在近距離情況下線圈匝數(shù)越多傳輸效率越好。當(dāng)距離增加到一定遠(yuǎn)時(shí)，由于，接收端電壓衰減較快，線圈匝數(shù)較少時(shí)反而有較好的效果。

諧振電容，在其他參數(shù)都固定不變時(shí)，諧振電容的數(shù)值在一定范圍里越大傳輸效率越好。但是影響并不是很大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了磁耦合諧振無線傳能基本原理，搭建了一個(gè)磁耦合諧振無線傳能的電路模型，分析了其能影響傳能效果的關(guān)鍵因素。為該技術(shù)的未來研究方向提供有益的參考。

〔1〕范興明,莫小勇.張?chǎng)?磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀及應(yīng)用〔J〕.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,(12):75-83.

〔2〕張獻(xiàn),楊慶新,陳海燕,等.電磁耦合諧振式傳能系統(tǒng)的頻率分裂特性研究〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,4(28):167-172.

〔3〕陳新,張桂香.電磁感應(yīng)無線充電的聯(lián)合仿真研究〔J〕.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2013,28(1):434-440.

〔4〕周甜,萬(wàn)隆君,徐軼群.磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)特性研究〔J〕.中國(guó)科技信息,2012,(24):43-44.

〔5〕張旭.感應(yīng)耦合式電能傳輸系統(tǒng)的理論與技術(shù)研究〔D〕.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2011,4:34-38.

StudyontheWirelessPowerTransmissionbasedonMagneticCouplingResonant

MENG Qing-hui1，ZHANG Yong-gang2，YAO Shan-hua2

(1.HefeiVocationaltechnicalCollegeofIndustryandTrade,Huainan, 232001； 2.AnhuiUniversityofScienceandEngineering,Huainan,Anhui, 232001,China)

The magnetic coupling resonant in wireless transmission technology is a technique which can efficiently carry out energy transmission at medium distance. So it is the major research direction for this king of technology at home and abroad In this paper, a theoretical derivation and circuit model are established to explore some factors and corresponding solution that influence the magnetic coupling resonant in wireless energy transmission.

Coupled magnetic resonant; Wireless power transfer; Inductive coupling; Coupled magnetic circuit model

2017-09-05

2016年度安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“基于電路模型的人工電磁材料近場(chǎng)耦合的研究”(KJ2016A195).

孟慶輝(1981-)，男，安徽淮南人，安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士.研究方向：智能化電器.

1008-3723(2017)05-004-03

10.3969/j.issn 1008-3723.2017.05.002

TP27

A