多繞組諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)耦合性能研究

崔若昕 鄧亞峰 任建琦 禚安琪 汪梓玉

摘要：中繼繞組對(duì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)耦合性能的影響是該領(lǐng)域的重要研究方向，通過(guò)文章研究希望揭示中繼繞組個(gè)數(shù)、位置對(duì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)耦合性能的影響規(guī)律。介紹了諧振耦合理論，分析了多繞組諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);利用Ansoft Maxwell有限元軟件對(duì)電磁諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的耦合性能進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明中繼繞組的加入能有效地提高耦合模塊的傳輸性能;設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。研究結(jié)果表明中繼繞組能有效地提高無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的耦合性能。

關(guān)鍵詞：多繞組;諧振;無(wú)線(xiàn)電能傳輸;耦合性能;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 引言

無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)是通過(guò)電磁場(chǎng)或電磁波實(shí)現(xiàn)能量從電源到負(fù)載以空間作為傳輸介質(zhì)的輸電方式^[1-2]。近些年，無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)成了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)^[3]。2007年7月，美國(guó)麻省理工學(xué)院 Marin Soljacic 教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在《Science》科技雜志上發(fā)表了名為《Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetical Resonances》的文章，提出了一種全新的諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸方法，這種方法被稱(chēng)作“WiTricity（Wireless electricity transfer）”技術(shù)^[4]。2008年，美國(guó)英特爾（Intel）公司的 J.R.Smith 在的英特爾信息技術(shù)峰會(huì)上展示了基于磁耦合諧振技術(shù)所獲得的研究成果，該系統(tǒng)不僅能進(jìn)行電能的無(wú)線(xiàn)傳輸，而且能實(shí)現(xiàn)聲音信息傳遞^[5]。斯坦福大學(xué)利用數(shù)值模擬的方式展示了無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)那闆r，并研究了線(xiàn)圈間的能量傳輸狀態(tài)^[6-7]。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院對(duì)多負(fù)載無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究^[8-9]。天津工業(yè)大學(xué)對(duì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了建模方式、頻率分裂的特征^[10-11];重慶大學(xué)對(duì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸建模、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、損耗建模等方面進(jìn)行了研究^[12-13]。

本文首先對(duì)諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的耦合諧振理論、多繞組諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹;然后，通過(guò)Ansoft Maxwell有限元軟件的電磁場(chǎng)功能對(duì)兩繞組和帶中繼繞組的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)耦合性能進(jìn)行仿真研究，在仿真過(guò)程中建立兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)彈簧式立體線(xiàn)圈模型;最后，通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的傳輸特性進(jìn)行分析，從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了理論與仿真分析的正確性。

2 諧振式無(wú)線(xiàn)電能技術(shù)傳輸原理

2.1耦合諧振理論

兩個(gè)諧振體間利用磁場(chǎng)當(dāng)作介質(zhì)，通過(guò)耦合諧振來(lái)傳遞能量這就叫做磁耦合諧振技術(shù)，耦合諧振能量轉(zhuǎn)移時(shí)傳輸效率很高，所以使得系統(tǒng)的性能得到了極大的提升。能量傳輸過(guò)程中能量最集中的高度輻射區(qū)間是處于系統(tǒng)的發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈間之間，因此特別適合傳遞能量。諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組：

式中：D為電位移;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;B為磁感強(qiáng)度;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2.2 多繞組電磁諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為改善初、次級(jí)回路的供電性能，需要對(duì)電磁諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)初、次級(jí)回路的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)初、次級(jí)端補(bǔ)償方式不同，四個(gè)繞組的電磁諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為SSSP、SSSS、PSSP、PSSS（注：P為并聯(lián)，S為串聯(lián)）。高頻諧振狀態(tài)下，輻射損耗電阻R_r遠(yuǎn)小于線(xiàn)圈損耗電阻R_o，故對(duì)于SSSP和PSSP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在高頻諧振模式下，輻射損耗可以忽略不計(jì)。本文以SSSP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行多繞組電磁諧振式無(wú)無(wú)線(xiàn)電能傳輸理論分析，如圖1所示。

3 電磁諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的電磁場(chǎng)仿真

3.1中繼繞組個(gè)數(shù)對(duì)系統(tǒng)耦合性能的影響

本節(jié)將通過(guò)Ansoft Maxwell有限元軟件的電磁場(chǎng)功能對(duì)兩繞組和帶中繼繞組的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)耦合性能進(jìn)行仿真研究，在仿真過(guò)程中建立兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)彈簧式立體線(xiàn)圈模型，以銅作為材料，設(shè)置半徑為50 mm，線(xiàn)徑為1 mm，線(xiàn)圈10匝。初、次級(jí)繞組的傳輸距離設(shè)置為100 mm。在仿真過(guò)程中，系統(tǒng)其他條件不變的情況下，改變中繼繞組的個(gè)數(shù)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在初、次級(jí)繞組之間加入一個(gè)中繼繞組時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度得到了有效加強(qiáng)，能量傳輸更具有方向性;比較圖2c與2a、b可知，增加二個(gè)中繼繞組后，系統(tǒng)的磁場(chǎng)得到了更加有效的加強(qiáng)，能量傳輸?shù)姆较蛐愿?。由仿真結(jié)果可知，中繼繞組能有效地提高初、次級(jí)繞組之間的磁耦合強(qiáng)度，增加系統(tǒng)能量傳輸?shù)姆较蛐?，傳輸過(guò)程中能量的損耗更小，對(duì)于提高無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率有較好的效果，并且隨著中繼繞組個(gè)數(shù)的增加能更好地提高系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸距離。

3.2中繼繞組位置對(duì)系統(tǒng)耦合性能的影響

在電磁諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中加入1個(gè)中繼繞組，保持初、次繞組傳輸距離150 mm不變，改變中繼繞組與初級(jí)繞組之間的距離，用Ansoft Maxwell有限元軟件仿真的結(jié)果顯示，傳輸性能隨著中繼繞組與初級(jí)繞組的距離增大而增大，當(dāng)中繼繞組與初級(jí)繞組之間的距離增大到90 mm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度開(kāi)始降低。在這個(gè)傳輸過(guò)程中，電源經(jīng)過(guò)高頻逆變驅(qū)動(dòng)初級(jí)繞組，將電能轉(zhuǎn)換成諧振繞組中的電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能，電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在電容中，磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在電感中。初級(jí)繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量通過(guò)磁場(chǎng)耦合轉(zhuǎn)換成中繼繞組中電場(chǎng)能量，電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量在中繼繞組的電容和電感之間彼此交換。中繼繞組的磁場(chǎng)能量通過(guò)磁場(chǎng)耦合轉(zhuǎn)換成次級(jí)繞組的電場(chǎng)能量，電場(chǎng)能量在次級(jí)繞組的電容和電感之間相互交換，電場(chǎng)能量供給負(fù)載。由于初、次級(jí)繞組和中繼繞組諧振頻率相同，故能量可以從電源傳輸?shù)截?fù)載。