許非凡，魏曙光，袁 東，李嘉麒

（陸軍裝甲兵學院兵器與控制系，北京 100072）

無人平臺作為軍用車輛領(lǐng)域重要的發(fā)展對象，能改變未來陸軍裝備作戰(zhàn)形式[1-2]。當前，無人平臺通常采用有線電能傳輸?shù)姆绞竭M行充電，這種方式存在線路易老化、接頭易損壞和插拔有風險等問題，且事故隱患大、維護成本高、環(huán)境適應(yīng)性弱[3]。此外，無人平臺攜帶的電池容量有限，其存在續(xù)航里程低、載荷功率限制大、應(yīng)急機動能力弱等問題。無線電能傳輸技術(shù)可以有效克服無人平臺存在的上述問題，通過非物理接觸方式實現(xiàn)安全、高效、可靠的電能傳輸，提高無人平臺的續(xù)航時間和充電自主性，使野外環(huán)境下無人平臺車組間的電能再分配成為可能。

耦合線圈的抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)能力長期制約著無人平臺野外無線充電的應(yīng)用，對此，國內(nèi)外相關(guān)研究提出了大量耦合線圈結(jié)構(gòu)[4]，包括以方形[5]、CP 型[6]、DD 型[7]等為代表的單層平面線圈，以BP型[8]、DDQ 型[9]、雙層正交DD 型[10]等為代表的多 層平面線圈和以正四面體型[11]、圓柱體型[12]、三維偶極線圈[13]等為代表的空間結(jié)構(gòu)線圈。文獻[14]提出了一種太極型結(jié)構(gòu)線圈，相比于CP 型和DD 型線圈，具有更好的抗偏移能力，但該線圈的抗偏轉(zhuǎn)特性較差；文獻[15]提出一種方形雙層線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由兩個方形線圈和十字形鐵氧體組成，可實現(xiàn)大角度偏移下的能量傳輸，但該線圈的抗移轉(zhuǎn)特性較差；文獻[16]提出一種三正交的立體圓形線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生空間全向磁場，具備良好的抗偏轉(zhuǎn)特性，但線圈結(jié)構(gòu)較大，不適用無人平臺無線充電場合。

上述研究設(shè)計的線圈結(jié)構(gòu)不能很好地適應(yīng)野外陸戰(zhàn)背景下無人平臺無線充電場合對耦合線圈抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)性能的要求，因此，本文首先分析野外環(huán)境下無人平臺無線充電的戰(zhàn)技指標；其次，根據(jù)無人平臺戰(zhàn)技指標需求將螺線管SP（solenoid pad）型線圈和DD（double-D）型線圈組合在一起，設(shè)計一種具備良好抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)特性的SP-DDP 雙層組合線圈；最后采用磁場仿真軟件對線圈參數(shù)進行優(yōu)化，并制作樣機驗證仿真結(jié)果。

1 無人平臺野外無線充電的戰(zhàn)技指標

在野外陸戰(zhàn)環(huán)境下，無人平臺進行無線充電的過程中耦合線圈的空間運動方式主要有偏移和偏轉(zhuǎn)兩類。偏移主要包括軸向偏移和徑向偏移2 種，其中，軸向偏移主要是由于無人平臺車組各平臺在充電過程中相對距離發(fā)生變化，引起發(fā)射線圈和接收線圈之間產(chǎn)生沿著與線圈平面垂直的軸線方向上的偏移運動；徑向偏移主要是由于無人平臺車組各平臺在充電過程中前進速度存在偏差、停車位置未對正、車組內(nèi)各平臺之間存在高度差，引起發(fā)射線圈和接收線圈之間產(chǎn)生沿著線圈平面方向上的偏移運動。

偏轉(zhuǎn)主要包括翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)2 種，其中翻轉(zhuǎn)主要是由于無人平臺車組各平臺之間存在側(cè)向的坡度，引起發(fā)射線圈平面和接收線圈平面之間產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)角度；旋轉(zhuǎn)主要是由于無人平臺車組各平臺之間由于沿前進方向地面存在坡度，引起發(fā)射線圈平面和接收線圈平面之間相對于初始狀態(tài)存在旋轉(zhuǎn)的角度差。

經(jīng)過上述分析，野外陸戰(zhàn)環(huán)境下無人平臺無線充電的戰(zhàn)技指標可總結(jié)如下。

（1）無線充電傳輸距離應(yīng)大于無人平臺車組各平臺間的安全距離?？紤]無人平臺無線充電的安全性，應(yīng)根據(jù)無人平臺車型大小不同，設(shè)計傳輸距離合適的耦合線圈，實現(xiàn)無人平臺滿足安全距離的無線充電。

（2）耦合線圈具備一定的抗組合空間運動的性能?？紤]野外陸戰(zhàn)環(huán)境下無人平臺車組各車之間停放或運動時地形會變化，發(fā)射線圈和接收線圈之間難以做到正對，因此，耦合線圈在設(shè)計時需要考慮線圈軸向偏移、徑向偏移、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等多種空間運動方式組合的情況，以提高無人平臺耦合線圈的環(huán)境適應(yīng)性。

（3）耦合線圈尺寸應(yīng)進行限制?？紤]無人平臺車型大小不同，對于耦合線圈的設(shè)計尺寸也不相同，應(yīng)該在滿足設(shè)計需求的條件下，盡可能減小耦合線圈尺寸，在耦合線圈性能相同或相近的情況下，應(yīng)選擇耦合線圈總匝數(shù)較小的線圈優(yōu)化方案，以減少耦合線圈的制造成本。

（4）需要考慮電磁屏蔽和電磁兼容。無線充電裝置使用過程中產(chǎn)生的電磁輻射會對無人平臺車組之間的通訊以及周圍人員安全產(chǎn)生影響，因此，需要設(shè)計電磁屏蔽裝置減弱相關(guān)電磁輻射。

2 SP-DDP 雙層組合線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計

SP 型線圈和DD 型線圈是兩種常見的平面耦合線圈結(jié)構(gòu)。SP 型和DD 型耦合線圈在沿X 軸徑向偏移和繞X 軸翻轉(zhuǎn)方向上均具有良好的抗偏移性能，但在軸向偏移和繞Y 軸翻轉(zhuǎn)方向上，DD 型線圈的抗偏移性能優(yōu)于SP 型線圈，在旋轉(zhuǎn)方向上，SP 型線圈的抗偏移性能優(yōu)于DD 型線圈。為實現(xiàn)DD 型和SP 型線圈的優(yōu)勢互補，設(shè)計滿足野外環(huán)境下無人平臺無線充電條件的耦合線圈，本文提出了一種SP-DDP 雙層組合線圈（double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad）。上述3 種耦合線圈結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 3 種耦合線圈結(jié)構(gòu)Fig.1 Three kinds of coupling structure

SP-DDP 雙層組合線圈的等效電路模型如圖2所示。圖中：LPSP為發(fā)射端SP 型線圈自感；LSSP為接收端SP 型線圈自感；LPDD為發(fā)射端DD 型線圈自感；LSDD為接收端DD 型線圈自感；MPSP-PDD為發(fā)射端SP 型線圈和發(fā)射端DD 型線圈之間的互感；MSSP-SDD為接收端SP 型線圈和接收端DD 型線圈之間的互感；MPSP-SSP為發(fā)射端SP 型線圈和接收端SP 型線圈之間的互感；MPDD-SDD為發(fā)射端DD 型線圈和接收端DD 型線圈之間的互感；MPSP-SDD為發(fā)射端SP 型線圈和接收端DD 型線圈之間的互感；MPDD-SSP為發(fā)射端DD 型線圈和接收端SP 型線圈之間的互感；LP為發(fā)射端線圈自感；LS為接收端線圈自感；M 為SP-DDP雙層組合線圈的互感。

圖2 SP-DDP 雙層組合線圈等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

對于耦合線圈的發(fā)射端，電感LPSP和電感LPDD反向串聯(lián)，同名端相連，電流從同名端流入、同名端流出。兩電感兩端電壓分別為

串聯(lián)后發(fā)射端電路兩端電壓為

反向串聯(lián)的電感LPSP和電感LPDD的總電感為

對于耦合線圈的接收端，電感LSSP和電感LSDD同向串聯(lián)，異名端相連，電流從同名端流入、異名端流出。同理可得，同向串聯(lián)的電感LSSP和電感LSDD的總電感為

發(fā)射線圈中的電流變化引起接收線圈的磁通變化，接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。穿過接收線圈的磁通量正比于發(fā)射線圈中電流，比值定義為線圈互感，即

式中：IP為流入耦合線圈發(fā)射端電流的有效值；ΦSP為穿過接收線圈的總磁通量；ΦPSP-SSP為發(fā)射端SP型線圈磁場穿過接收端SP 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦPSP-SDD為發(fā)射端SP 型線圈磁場穿過接收端DD 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦPDD-SSP為發(fā)射端DD 型線圈磁場穿過接收端SP 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦPDD-SDD為發(fā)射端DD 型線圈磁場穿過接收端DD 型線圈產(chǎn)生的磁通。

同理，接收線圈中的電流變化也會引起發(fā)射線圈的磁通變化，互感為

式中：IS為流入耦合線圈接收端電流的有效值；ΦPS為穿過發(fā)射線圈的總磁通量。ΦSSP-PSP為接收端SP型線圈磁場穿過發(fā)射端SP 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦSSP-PDD為接收端SP 型線圈磁場穿過發(fā)射端DD 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦSDD-PSP為接收端DD 型線圈磁場穿過發(fā)射端SP 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦSDD-PDD為接收端DD 型線圈磁場穿過發(fā)射端DD 型線圈產(chǎn)生的磁通，ΦSDD-PSP和ΦSDD-PDD為負值，表示磁通方向與參考方向相反，總磁通仍然為4 個線圈磁通之和。則線圈互感為

綜上所述，SP-DDP 雙層組合線圈電感之間的關(guān)系為

仿真實驗得到SP-DDP 雙層組合線圈在不同偏移、偏轉(zhuǎn)方向上的互感變化曲線，如圖3 所示。由圖3 可見，SP-DDP 雙層組合線圈在偏移和偏轉(zhuǎn)時，發(fā)射線圈和接收線圈之間，均能保持較高的磁場強度，其總互感M由互感MPSP-SSP、MPDD-SDD、MPSP-SDD和MPDD-SSP相加得出，在線圈發(fā)生偏移、偏轉(zhuǎn)時，4 個互感會發(fā)生不同程度變化，但總互感會保持在一個較小的范圍內(nèi)波動。對比6 種偏移、偏轉(zhuǎn)情況下線圈的互感變化，可以發(fā)現(xiàn)SP-DDP 雙層組合線圈在X軸方向上的互感變化明顯小于在Y 軸方向上的互感變化，在X 軸方向上的抗偏移性能明顯優(yōu)于在Y軸方向上的抗偏移性能。此外，該線圈在Z 軸方向上的抗偏移性能，繞X 軸、Y 軸、Z 軸的抗偏轉(zhuǎn)性能均較優(yōu)。

圖3 SP-DDP 雙層組合線圈偏移、偏轉(zhuǎn)的互感變化Fig.3 Changes in mutual inductance with misalignment and deflection of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

3 SP-DDP 雙層組合線圈參數(shù)優(yōu)化

SP-DDP 雙層組合線圈的抗偏移、偏轉(zhuǎn)性能受發(fā)射端SP 型線圈、發(fā)射端DD 型線圈、接收端SP型線圈、接收端DD 型線圈4 個線圈的共同影響。為獲得在X 軸和在Y 軸方向上均具有優(yōu)良抗偏移性能的耦合線圈，通過設(shè)計4 個線圈匝數(shù)進行仿真實驗，以獲得在X 軸和Y 軸方向上抗偏移性能優(yōu)良的SP-DDP 雙層組合線圈的4 個線圈匝數(shù)。

3.1 參數(shù)優(yōu)化實驗設(shè)計

SP-DDP 雙層組合線圈參數(shù)受其匝數(shù)影響較大，故圍繞4 個參數(shù)：發(fā)射端DD 型線圈匝數(shù)NDDP1、發(fā)射端SP 型線圈匝數(shù)NSP1、接收端DD 型線圈匝數(shù)NDDP2、接收端SP 型線圈匝數(shù)NSP2設(shè)計優(yōu)化實驗，參數(shù)優(yōu)化流程如圖4 所示。

圖4 SP-DDP 雙層組合線圈參數(shù)優(yōu)化流程Fig.4 Flow chart of parameter optimization for double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

實驗所用的利茲線直徑為2.4 mm，使用的鐵芯尺寸為200 mm×200 mm×3 mm，因此，選用的線圈匝數(shù)應(yīng)該小于20 匝，即NDDP≤20。先假定NDDP=NSP，由于先前的實驗，發(fā)現(xiàn)所提出的SP-DDP 雙層組合線圈在沿Y 軸方向偏移時，互感出現(xiàn)明顯變化，因此先通過仿真實驗，確定沿Y 軸互感變化與線圈匝數(shù)之間的關(guān)系，以確定線圈匝數(shù)的優(yōu)化范圍。仿真實驗結(jié)果表明，當DD 型線圈和SP 型線圈匝數(shù)從1 增加到20時，沿Y 軸偏移50 mm 內(nèi)，互感隨線圈匝數(shù)的增加而增大，且互感變化幅度逐漸減??；當NDDP=NSP=12，13，14 時，在沿Y 軸偏移100 mm 內(nèi)，互感變化均小于其他各種線圈匝數(shù)對應(yīng)的互感變化，這3 種線圈匝數(shù)對應(yīng)的互感變化如圖5 所示。

圖5 SP-DDP 雙層組合線圈沿Y 軸偏移的互感變化與線圈匝數(shù)之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between changes in mutual inductance with misalignment along Y axis and the number of turns of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

因此，本文實驗將以上3 種匝數(shù)進行組合，得到實驗方案如表1 所示。根據(jù)上述實驗方案，進行有限元仿真實驗，限定互感變化范圍為±20%，求解互感變化范圍內(nèi)SP-DDP 雙層組合線圈沿X 軸、Y軸偏移的最大距離，實驗結(jié)果如表2 所示。

表1 SP-DDP 雙層組合線圈匝數(shù)優(yōu)化實驗方案Tab.1 Experimental schemes for turn optimization of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

表2 SP-DDP 雙層組合線圈匝數(shù)優(yōu)化實驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of turn optimization of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

由表2 可知，在互感變化范圍±20%的條件下，SP-DDP 雙層組合線圈沿X 軸偏移距離最大值為180 mm，最小值為150 mm；沿Y 軸偏移距離最大值為120 mm，最小值為40 mm。綜合考慮SP-DDP雙層組合線圈沿X 軸、Y 軸方向上的最大偏移距離，選擇沿X 軸方向上的最大偏移距離為160 mm、沿Y 軸方向上的最大偏移距離為120 mm 且使用線圈總匝數(shù)最少的方案55。

3.2 優(yōu)化后的線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)

SP-DDP 雙層組合線圈尺寸標識如圖6 所示。lA和lB分別為發(fā)射端DD 型線圈的長和寬；lM和lN分別為發(fā)射端DD 型線圈內(nèi)部空心矩形的長和寬；lP、lQ和lH分別為發(fā)射端單個SP 型線圈的長、寬和高；lC為發(fā)射端2 個SP 型線圈的間距；la和lb分別為接收端DD 型線圈的長和寬；lm和ln分別為接收端DD型線圈內(nèi)部空心矩形的長和寬；lp、lq和lh分別為接收端單個SP 型線圈的長、寬和高；lc為接收端2 個SP 型線圈的間距。

圖6 SP-DDP 雙層組合線圈尺寸標識Fig.6 Dimensioning of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

根據(jù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，選擇方案55，即發(fā)射端DD型線圈匝數(shù)NDDP1=14、發(fā)射端SP 型線圈匝數(shù)NSP1=12、接收端DD 型線圈匝數(shù)NDDP2=12、接收端SP 型線圈匝數(shù)NSP2=12。方案55 的尺寸標識如表3 所示。

表3 SP-DDP 雙層組合線圈尺寸標識（方案55）Tab.3 Dimensioning of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad（Scheme 55）（mm）

3.3 耦合性能分析及比較

SP-DDP 雙層組合線圈沿X 軸、Y 軸、Z 軸偏移時的磁場分布云圖如圖7 所示。圖7（a）～（c）為YOZ坐標平面下SP-DDP 雙層組合線圈沿X 軸偏移不同距離的磁場分布云圖，隨著偏移距離的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍基本不變，中低磁感應(yīng)強度范圍也基本不變；圖7（d）～（f）為XOZ坐標平面下SP-DDP 雙層組合線圈沿Y 軸偏移不同距離的磁場分布云圖，隨著偏移距離的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍有所減小，中低磁感應(yīng)強度范圍有所增加；圖7（g）～（i）為XOZ 坐標平面下SP-DDP 雙層組合線圈沿Z 軸偏移不同距離的磁場分布云圖，隨著偏移距離的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍先增大后減小，中低磁感應(yīng)強度范圍先減小后增大。

圖7 SP-DDP 雙層組合線圈沿X 軸、Y 軸、Z 軸偏移時的磁場分布云圖Fig.7 Magnetic field cloud images under misalignment of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad along X,Y and Z axes

SP-DDP 雙層組合線圈繞X 軸、Y 軸、Z 軸偏轉(zhuǎn)時的磁場分布云圖如圖8 所示。圖8（a）～（c）為XOZ坐標平面下SP-DDP 雙層組合線圈繞X 軸偏轉(zhuǎn)不同角度的磁場分布云圖，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍逐漸增大，中低磁感應(yīng)強度范圍逐漸減小；圖8（d）～（f）為YOZ 坐標平面下SP-DDP 雙層組合線圈繞Y 軸偏轉(zhuǎn)不同角度的磁場分布云圖，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍基本不變，中低磁感應(yīng)強度范圍也基本不變；圖8（g）～（i）為XOZ 坐標平面下SP-DDP 雙層組合線圈繞Z 軸偏轉(zhuǎn)不同角度的磁場分布云圖，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍逐漸減小，中低磁感應(yīng)強度范圍逐漸增大。

圖8 SP-DDP 雙層組合線圈繞X 軸、Y 軸、Z 軸偏轉(zhuǎn)時的磁場分布云圖Fig.8 Magnetic field cloud images under deflection of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad around X,Y and Z axes

為了比較所提SP-DDP 雙層組合線圈與方形線圈、DD 型線圈、SP 型線圈的抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)性能，選擇與優(yōu)化后的SP-DDP 雙層組合線圈面積相近的方形線圈、DD 型線圈、SP 型線圈進行仿真實驗，以減小線圈面積對實驗結(jié)果的影響，實驗結(jié)果如圖9 所示。

圖9 4 種耦合線圈偏移、偏轉(zhuǎn)的互感變化Fig.9 Changes in mutual inductance with misalignment and deflection of four kinds of coupling coils

仿真實驗結(jié)果表明，所提SP-DDP 雙層組合線圈在發(fā)生偏移和偏轉(zhuǎn)時，互感變化程度明顯小于方形線圈、DD 型線圈、SP 型線圈。結(jié)合圖7 和圖8 的線圈磁場分布云圖可知，SP-DDP 雙層組合線圈在偏移距離、偏轉(zhuǎn)角度較大時均能保持較高的磁通量范圍，且與方形線圈、DD 型線圈、SP 型線圈相比，SP-DDP 雙層組合線圈在發(fā)生偏移、偏轉(zhuǎn)時，線圈互感變化較小，具有良好的抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)性能。

3.4 實驗驗證

為了驗證方案55 的線圈匝數(shù)優(yōu)化方案，使用利茲線制作SP-DDP 雙層組合線圈，耦合線圈參數(shù)與表3 中仿真參數(shù)一致，實驗裝置如圖10 所示。實驗中模擬耦合線圈發(fā)生沿X 軸、Y 軸方向上的偏移，使用LCR 數(shù)字電橋測量耦合線圈自感、互感，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比如圖11 所示。

實驗結(jié)果表明，在發(fā)射線圈和接收線圈之間的傳輸距離為50 mm 且線圈保持正對條件下，用LCR 數(shù)字電橋測得發(fā)射線圈自感為214.3 μH，內(nèi)阻為0.19 Ω，接收線圈自感為352.3 μH，內(nèi)阻為0.26 Ω。沿著X 軸偏移250 mm 的過程中，互感從287.78 μH 逐漸降低到107.25 μH；沿著Y 軸偏移250 mm 的過程中，互感從287.78 μH 先增加到333.32 μH，而后逐漸降低到-13.76 μH；各線圈自感及互感與仿真值近似相等，各數(shù)值關(guān)系符合式（8），所提SP-DDP 雙層組合線圈在沿X 軸和Y 軸方向具備良好的抗偏移性能。

4 結(jié)語

本文針對野外環(huán)境下無人平臺無線充電對耦合線圈的需求，結(jié)合SP 型線圈和DD 型線圈的優(yōu)勢，設(shè)計了一種SP-DDP 雙層組合線圈的耦合線圈結(jié)構(gòu)，使用磁場仿真軟件對線圈參數(shù)進行優(yōu)化，并分析優(yōu)化后線圈發(fā)生偏移、偏轉(zhuǎn)時的磁場變化情況，最后通過搭建實驗樣機驗證所提結(jié)構(gòu)的抗偏移性能。優(yōu)化后的線圈尺寸為200 mm×200 mm×7.8 mm，實驗結(jié)果表明，傳輸距離50 mm、沿X 軸方向偏移160 mm、沿Y 軸方向偏移120 mm 的條件下，線圈互感變化幅度小于20%，所提SP-DDP雙層組合線圈具備良好的抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)特性，滿足野外環(huán)境下無人平臺無線充電需要。