趙 陽，馬游春，劉鵬媛，何 巧

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

隨著近代航空發(fā)動機的發(fā)展，對機組渦輪葉片工作狀態(tài)測量的遙測系統(tǒng)要求也越來越高了。早期在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件中對部分遙測設(shè)備供電的方法是采用電池供電。由于采用電池供電時，電池的電能存儲有限，不能長時間對部件上的被測參量進行監(jiān)測，而且會給系統(tǒng)增加額外的重量，所以采用非接觸式供電對旋轉(zhuǎn)體遙測設(shè)備供電成為了首選方案[1-2]。

Maxwell是一款常用的電磁設(shè)計軟件，而Maxwell 3D可以分析線圈損耗、指定頻率下的阻抗、電感、互感和耦合系數(shù)等，同時也可以仿真得到B和H分布圖、能量密度和溫度分布等圖形結(jié)果[3]。Maxwell軟件搭配Simplorer軟件使用，通過將Maxwell軟件產(chǎn)生的電路模型提供給Simplorer調(diào)用，可以很好的得到電路的各種狀態(tài)參數(shù)[4]。

根據(jù)實際要求情況和理論分析，利用Maxwell和Simplorer軟件對所設(shè)計的無線充電模型進行電磁場和電路的聯(lián)合仿真，設(shè)計一款無線充電線圈以搭建無線充電平臺。

1 無線充電的理論分析

無線供電系統(tǒng)的能量傳輸部分是由發(fā)射線圈和接收線圈構(gòu)成，發(fā)射端的高頻逆變激勵使得發(fā)射、接收線圈產(chǎn)生交互磁場，通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)能量傳輸，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

圖1為無線充電系統(tǒng)的電路等效模型。其中Up為發(fā)射端的等效交流電壓源，其頻率為W，ip和is分別為發(fā)射端和接收端回路電流，Zp和Zp分別代表發(fā)射端與接收端回路的阻抗;Rp和Rs分別為發(fā)射線圈和接收線圈的等效阻抗；Cp和Cs分別為發(fā)射端和接收端串聯(lián)共振電容；Lp和Ls分別為發(fā)射線圈和接收線圈電感；M為線圈間互感；RL為負(fù)載[6]。

圖1 無線充電系統(tǒng)的電路等效模型示意圖

根據(jù)無線充電的等效原理圖，利用基爾霍夫定律，可以寫出回路方程[7]：

(1)

可以得到電路阻抗方程為：

(2)

由式(1) (2)方程進行聯(lián)立求解，可求得發(fā)射端回路電流ip、接收端回路電流is分別為

(3)

由功率計算公式，可以計算出負(fù)載輸出功率PL和系統(tǒng)輸入功率Ps:

(4)

(5)

線圈傳輸效率為負(fù)載輸出功率PL和系統(tǒng)輸入功率Ps的比值，即：

(6)

線圈的互感M、耦合系數(shù)K、發(fā)射線圈電感Lp和接收線圈電感Ls之間的關(guān)系為

(7)

由于RL/(RS+RL)≈1，將式(7)代入式(6)得：

(8)

由式(8)可以得出，無線充電的充電效率與系統(tǒng)的固有頻率，耦合系數(shù)，發(fā)射端和接收端的電感以及等效阻抗等有關(guān)。

2 Maxwell仿真建模分析

有限元分析是無線充電線圈電磁仿真中最常用的方法，Ansys Maxwell使用高精度的有限元方法來解算穩(wěn)態(tài)、頻域和時變電磁場和電場。Maxwell軟件具有瞬態(tài)磁性、靜磁和電場等求解模式，可以分析不同情況下的電磁場模型。Maxwell軟件可以分析趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、渦流和位移電流影響的模型，同時也可以計算出模型的功率損耗、線圈損耗、電感和阻抗等參數(shù)，得到能量密度和B/H分布圖等結(jié)果。Simplorer軟件可進行系統(tǒng)級別的數(shù)字原型建模、仿真和分析，同時Simplorer軟件具有靈活的建模功能，與Ansys 3D物理仿真緊密集成，廣泛支持裝配和仿真系統(tǒng)級物理模型，還可以進行概念設(shè)計、詳細(xì)分析和系統(tǒng)驗證。

2.1 線圈天線建模

普通多股線纏繞而成的線圈在高旋環(huán)境下很容易出現(xiàn)線圈脫落等問題，PCB線圈可以有效的避免這些情況的發(fā)生。無線充電線圈應(yīng)符合國際無線充電聯(lián)盟(WPC)推出的無線充電標(biāo)準(zhǔn)(Qi)，同時也需符合硬件電路工作時的諧振頻率設(shè)計需求，因此以IDT公司為P9242發(fā)射和P9221接收部分在110 kHz工作時推出的配套線圈MP-A2線圈作為模型標(biāo)準(zhǔn)。為此，在滿足WPC-1.2標(biāo)準(zhǔn)的前提下，所設(shè)計的PCB線圈匝數(shù)應(yīng)在7～10匝，電感值在6～11 μH。

線圈使用Maxwell軟件建立3D模型，PCB線圈高度 35 μm，寬度635 μm,內(nèi)徑17 mm[8]，設(shè)置線圈匝數(shù)為變量值T，T的初始值7，終止值為10。選擇Maxwell軟件求解類型為渦電流模式，激勵為電流激勵、網(wǎng)格采用自適應(yīng)設(shè)置，線圈模型如圖2所示[9]。

圖2 PCB線圈模型示意圖

在添加鐵氧體的情況下，通過Maxwell軟件仿真計算，得到發(fā)射線圈和接受線圈的最優(yōu)解為：匝數(shù)分別為9匝和10匝，電感值分別為6.3 μH和8.0 μH。

2.2 屏蔽材料對線圈間磁場的影響

無線充電線圈的設(shè)計中鐵氧體屏蔽材料可以在增加磁場強度、減少漏磁的同時增加感應(yīng)距離[10]。線圈在距離3 mm 的情況下仿真得到的磁場強度分布圖如圖3所示。從圖中可以看到鐵氧體屏蔽材料起到了減少漏磁的作用，磁通量在集中在了兩個線圈之間，保證了磁場強度的穩(wěn)定。

圖3 線圈磁場的分布示意圖

2.3 耦合系數(shù)的變化

線圈的充電效率受線圈耦合系數(shù)的影響[11]，如圖4所示，X軸為線圈間距，Y軸為線圈間的耦合系數(shù)，從耦合系數(shù)曲線可以看到線圈間的耦合系數(shù)受線圈間距的影響較大，因此距離的增加也造成了充電效率的顯著降低。

圖4 線圈耦合系數(shù)曲線

2.4 Maxwell和 Simplorer聯(lián)合仿真

在進行 Maxwell和 Simplorer的聯(lián)合仿真之前，還需要再對線圈進行瞬態(tài)場求解模式下的電磁場仿真，再將模型導(dǎo)入到Simplorer中，在Simplorer中搭建硬件仿真電路實現(xiàn)特性仿真分析[10]。為了使仿真結(jié)果更貼近與實際無線充電系統(tǒng)，硬件仿真電路中加入了Mosfet半橋，其中電阻Rp和Rs的阻值可在靜態(tài)場仿真時得到。

根據(jù)Qi標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的Simplorer仿真電路圖，其中Mosfet半橋產(chǎn)生的方波信號可以使發(fā)射線圈的頻率從100 kHz調(diào)節(jié)至205 kHz,同時在電路圖中加入電壓表和功率表以實現(xiàn)仿真結(jié)果的查看。根據(jù)仿真得到的發(fā)射和接收線圈電感值，通過式(9)，可以得到合適的諧振電容值實現(xiàn)電路共振：

(9)

Simplorer與Maxwell聯(lián)合仿真總體電路圖如圖5所示。圖5中，發(fā)射端激勵為單相正弦交流電，在諧振頻率為110 kHz，峰值電壓為12 V時，發(fā)射端的諧振電容Cp= 316.7 nf，電阻Rp=0.063 2 ohm，接收端的諧振電容Cs=261.6 nf，電阻Rs=5.53 Ω。

圖5 聯(lián)合仿真總體電路圖

當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈的充電頻率在110 kHz，兩線圈的間距為3 mm時，可以根據(jù)聯(lián)合仿真的瞬態(tài)求解模式得出電壓源的輸出功率、經(jīng)過Mos管半橋輸出功率和負(fù)載功率曲線，如圖6所示。

圖6 電壓源、MOS管半橋及負(fù)載輸出功率圖

通過功率曲線積分比較Mos管半橋輸出功率/負(fù)載功率，可以得到聯(lián)合仿真時無線充電系統(tǒng)的充電效率為94%，據(jù)此使用此系統(tǒng)模型進行無線充電系統(tǒng)的實物設(shè)計。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 無線充電發(fā)射模塊

使用IDT P9242作為無線充電發(fā)射部分的主控芯片可以支持高達(dá)15 W的功率[12]。發(fā)射模塊帶有兩個LED指示燈，可以顯示無線充電狀態(tài)，同時發(fā)射模塊還兼具異物檢測、過流保護和溫度檢測等功能，可以保證無線充電的安全性和有效性，無線充電發(fā)射模塊電路圖如圖7所示。

圖7 無線充電發(fā)射模塊電路圖

3.2 無線充電接收模塊

使用IDT P9221作為無線充電接收部分的主控芯片同樣可以支持高達(dá)15 W的功率[13]。該芯片集成了全波同步整流器，低壓差線性穩(wěn)壓器和基于ARM的32位微處理器，以管理符合要求的所有數(shù)字控制與WPC-1.2.3通信協(xié)議。接收模塊轉(zhuǎn)換交流電源信號從諧振回路到可編程的穩(wěn)壓9 V或12 V直流輸出電壓，無線充電接收模塊電路圖如圖8所示。

圖8 無線充電接收模塊電路圖

3.3 無線充電流程

無線充電從接收模塊放置到開始充電要經(jīng)過6個階段，分別是:選擇階段、Ping階段、識別和配置階段、協(xié)商階段、校準(zhǔn)階段和充電階段[14]，無線充電流程如圖9所示。

在選擇階段，發(fā)射模塊在檢測到接收模塊放置后確定是否進入Ping階段。進入Ping階段后，發(fā)射模塊將發(fā)送能量并檢測來自接收模塊的響應(yīng)。識別和配置階段時發(fā)射模塊執(zhí)行協(xié)議的一部分，以識別接收模塊并建立默認(rèn)的能量傳輸合約。協(xié)商階段是為了使發(fā)射模塊和接收模塊進行協(xié)商以微調(diào)能量傳輸合約，而且如果發(fā)射模塊檢測到異物，則返回選擇階段。在校準(zhǔn)階段，接收模塊會提供信息，發(fā)射模塊可以使用這些信息來提高其在充電過程中異物檢測的能力。在充電階段，發(fā)射模塊通過控制數(shù)據(jù)包來控制充電，一旦識別和配置階段完成，發(fā)射模塊便會啟動充電階段，接收模塊的控制電路將錯誤數(shù)據(jù)包發(fā)送至發(fā)射模塊，以將整流器電壓調(diào)整到最大線性穩(wěn)壓器所需的水平，同時實際收到的功率數(shù)據(jù)包發(fā)送給發(fā)射模塊，以進行異物檢測，用于確保充電過程安全有效地進行[15]。

圖9 無線充電流程框圖

4 系統(tǒng)性能測試結(jié)果

通過測量，無線充電系統(tǒng)在輸入電壓VIN為12 V時輸入電流IIN為1.39 A，其輸出電壓VOUT和輸出電流IOUT會因距離的改變,在間距3 mm時，無線充電系統(tǒng)的電壓VOUT和輸出電流IOUT如圖10所示。

無線充電系統(tǒng)的充電效率為

(10)

當(dāng)改變線圈間距后，無線充電的充電效率會隨著距離的增加而逐漸降低，如表1所示。

實際的充電效率要小于仿真充電效率，如圖11所示。因為在實際充電系統(tǒng)中，鐵氧體的類型與仿真時所用有差別，造成的損耗也不相同，且實際電路更加復(fù)雜，與聯(lián)合仿真時所要求的電路簡潔不同，實際電路增加了LED燈等耗能元件，因此也造成了充電效率下降。但無論是仿真還是實物，其充電效率都在3 mm后快速下降，基于渦輪葉片上溫度測量系統(tǒng)的供電要求，最終選擇距離在3 mm時進行15 W的非接觸式無線充電。

圖11 充電效率曲線

5 結(jié)論

通過Maxwell和Simplorer軟件的聯(lián)合仿真，驗證了Qi標(biāo)準(zhǔn)電磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)的有效性，為使用IDT P9242和IDT P9221做無線充電系統(tǒng)增加了可靠性，縮短了實驗周期，最終搭建了一個具有溫度檢測、異物檢測和過流限制等功能的15 W無線充電系統(tǒng)。最終測試確定無線充電效率為90%，證明了該無線充電系統(tǒng)的實用性，可供類似向旋轉(zhuǎn)設(shè)備進行無線供電的應(yīng)用參考。