劉 偉, 陳俞強(qiáng), 王 赟

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)部，廣東 廣州 511325；2.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系，廣東 東莞 523808)

目前，無(wú)線電能傳輸主要有3種方式[1]：第一種是電磁感應(yīng)耦合方式；第二種是基于微波輻射的傳輸方式；第三種是非輻射磁共振耦合方式，其利用兩個(gè)或多個(gè)具有相同諧振頻率及高品質(zhì)因數(shù)的電磁系統(tǒng)，通過工作于特定頻率諧振系統(tǒng)耦合作用產(chǎn)生電磁諧振，充分利用電磁波近場(chǎng)耦合諧振技術(shù)，耦合方向性強(qiáng)[2]，傳輸效率高.但是，該技術(shù)對(duì)電路、天線設(shè)計(jì)要求比較高，需要設(shè)計(jì)品質(zhì)因數(shù)較高的諧振匹配天線.隨著無(wú)線電能傳輸技術(shù)的廣泛應(yīng)用，公眾對(duì)其非工作區(qū)電磁輻射環(huán)境及安全問題日益關(guān)注，對(duì)無(wú)線電能傳輸電磁問題的研究變得十分重要.通過采取合適的屏蔽措施及頻率控制等優(yōu)化手段，保證系統(tǒng)的電磁環(huán)境符合相關(guān)國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn).但是，電磁屏蔽措施的實(shí)施，會(huì)影響傳輸系統(tǒng)功率和效率，所以，在處理好電磁環(huán)境安全技術(shù)問題同時(shí)，要對(duì)無(wú)線傳輸系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)傳輸功率和效率不受影響.本文分析了電磁屏蔽層對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施.

1 電磁屏蔽層對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的影響

2 多層線圈磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)

2.1 鐵氧體材料提高線圈耦合能力

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)線圈間存在空氣，屬于松耦合，傳輸能量損耗大.為了提高系統(tǒng)耦合能力，根據(jù)互感經(jīng)驗(yàn)公式M≈πμ0μrN2R4/2D3和自感經(jīng)驗(yàn)公式L≈μ0μrN2πR4/2，用鐵氧體(錳鋅)材料填充線圈空心處，增大線圈內(nèi)部介質(zhì)的磁導(dǎo)率，當(dāng)線圈產(chǎn)生高頻電流時(shí)，鐵氧體內(nèi)部的磁疇取向一致，在其他參數(shù)不變的情況下，可以增大傳輸線圈互感和自感系數(shù)[4].可補(bǔ)償因屏蔽層加入對(duì)諧振頻率的影響，使得系統(tǒng)參數(shù)保持穩(wěn)定，優(yōu)化后的屏蔽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示.

2.2 多層線圈諧振器結(jié)構(gòu)的自感和互感

為了減少電磁屏蔽層對(duì)傳輸系統(tǒng)參數(shù)的影響，穩(wěn)定系統(tǒng)諧振頻率，采用多層線圈結(jié)構(gòu)諧振器設(shè)計(jì)，如圖2所示，線圈間的連接方式采用正向串聯(lián)方法.這種線圈的自感可以看作由兩個(gè)相互重疊的電感連接組成，而多層線圈之間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的互感，使得線圈的電感得到很大提升.多層線圈的電感如下：

L≈L1+L2+…+Ln+2(M12+M13+…+M1n+M23+…+M(n-1)n).

(1)

根據(jù)式(1),多層線圈電感隨著層數(shù)的增多，電感值將會(huì)急劇增大，由于層間的距離變大，增速將會(huì)變得緩慢.多層線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于線圈自感系數(shù)的提高.由諧振電路品質(zhì)因數(shù)公式Q=ωL/R可知: 增大自感系數(shù)，有利于諧振電路品質(zhì)因數(shù)的提高，高品質(zhì)因數(shù)的諧振傳輸系統(tǒng)不僅能完成持續(xù)的能量耦合，還能使整體能量衰減速度降低.

采用多層線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可提高線圈互感系數(shù)，多層線圈的互感可以表示為每個(gè)發(fā)射端單層線圈與每個(gè)接收端單層線圈之間的互感疊加，即

M≈M11′+M12′+…+M1n′+M23′+…+Mnn′.

(2)

根據(jù)互感經(jīng)驗(yàn)公式M≈πμ0μrN2R4/2D3可知，在相同距離下，多層線圈的互感值是單層線圈的3～4倍[4].互感系數(shù)的提高，極大地增加了發(fā)射線圈和接收線圈的耦合強(qiáng)度，從而改善了系統(tǒng)的傳輸能力.

3 多層線圈諧振系統(tǒng)的輸出功率與效率分析

3.1 多層線圈無(wú)線傳輸系統(tǒng)建模與分析

基于多層線圈磁耦合諧振技術(shù)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路如圖3所示.采用相同尺寸和機(jī)械結(jié)構(gòu)的發(fā)射和接收線圈，諧振器模塊由發(fā)射線圈、發(fā)射端補(bǔ)償電容、接收線圈，以及接收端補(bǔ)償電容組成.發(fā)射端與接收端一般采用結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)相等的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使兩端保持相同的諧振頻率，接收端由高頻整流穩(wěn)壓和負(fù)載組成[5-6].

RP和RS分別表示發(fā)射線圈和接收線圈的內(nèi)阻，M是兩個(gè)線圈之間的互感，uP為高頻功率放大器提供的等效交流電源，RL為等效負(fù)載阻抗。設(shè)UP為理想的正弦交流電壓，其頻率為ω0，發(fā)射線圈由LP1和LP2正向串聯(lián)而成，串聯(lián)后的自感由式(1)可得 ，同理可得LP≈LP1+LP2+2M12，接收線圈的自感LS≈LS1+LS2+2M12；線圈串聯(lián)后的互感M≈M11′+M12′+…+M22′.

根據(jù)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的互感模型，由基爾霍夫電壓定律(KVL)可得回路方程[9]：

(3)

(4)

系統(tǒng)的傳輸效率公式為：

(5)

3.2 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化對(duì)輸出功率的影響

隨著距離的增加，互感減小，輸出功率將會(huì)減小.當(dāng)ω2M2和(RS+RL)RP共同起作用時(shí)，系統(tǒng)存在一個(gè)最佳互感值.讓?Pout/?M=0，解得該最佳互感值[10]：

(6)

3.3 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化對(duì)傳輸效率的影響

選擇不同耦合系數(shù)得到傳輸效率η與品質(zhì)因數(shù)Q的三種函數(shù)關(guān)系曲線，由圖4分析可得系統(tǒng)傳輸效率隨著品質(zhì)因數(shù)的增大而增大，相同品質(zhì)因數(shù)下耦合系數(shù)越大其傳輸效率越高，系統(tǒng)耦合能力越強(qiáng).根據(jù)耦合系數(shù)與互感的關(guān)系，通過提高互感系數(shù)可以提高系統(tǒng)傳輸效率.

如圖5所示，選擇不同的系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)，得到傳輸效率η與耦合系數(shù)的三種函數(shù)關(guān)系曲線，傳輸效率η隨著耦合系數(shù)k增大而增加.相同耦合系數(shù)下，品質(zhì)因數(shù)大的系統(tǒng)傳輸效率高.

4 結(jié) 論

在無(wú)線傳輸系統(tǒng)發(fā)射與接收線圈外側(cè)加入屏蔽層，會(huì)影響系統(tǒng)參數(shù)，降低系統(tǒng)耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)，影響系統(tǒng)耦合程度.本文提出在多層線圈中加入鐵氧體材料無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效提高系統(tǒng)的耦合系數(shù)k與品質(zhì)因數(shù)Q.從分析中可知,當(dāng)系統(tǒng)互感系數(shù)等于式(6)時(shí)，系統(tǒng)輸出功率達(dá)到最大值.在分析多層線圈與單層線圈對(duì)傳輸效率的影響時(shí)，由圖4和圖5可知,多層線圈耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)越高，傳輸系統(tǒng)傳輸效率越高，說明采用多層線圈中加入鐵氧體材料的發(fā)射與接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以提高無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)，提升系統(tǒng)的頻率抗偏移能力和傳輸效率.

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