多绕组谐振式无线电能传输技术耦合性能研究

崔若昕 邓亚峰 任建琦 禚安琪 汪梓玉

摘要：中继绕组对无线电能传输技术耦合性能的影响是该领域的重要研究方向，通过文章研究希望揭示中继绕组个数、位置对无线电能传输技术耦合性能的影响规律。介绍了谐振耦合理论，分析了多绕组谐振式无线电能传输系统的拓扑结构;利用Ansoft Maxwell有限元软件对电磁谐振式无线电能传输系统的耦合性能进行了仿真，仿真结果表明中继绕组的加入能有效地提高耦合模块的传输性能;设计了相应的实验平台，实验结果验证了仿真结果的正确性。研究结果表明中继绕组能有效地提高无线电能传输系统的耦合性能。

关键词：多绕组;谐振;无线电能传输;耦合性能;拓扑结构

1 引言

无线电能传输技术是通过电磁场或电磁波实现能量从电源到负载以空间作为传输介质的输电方式^[1-2]。近些年，无线电能传输技术成了国内外研究机构的研究热点^[3]。2007年7月，美国麻省理工学院 Marin Soljacic 教授领导的科研小组在《Science》科技杂志上发表了名为《Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetical Resonances》的文章，提出了一种全新的谐振式无线电能传输方法，这种方法被称作“WiTricity（Wireless electricity transfer）”技术^[4]。2008年，美国英特尔（Intel）公司的 J.R.Smith 在的英特尔信息技术峰会上展示了基于磁耦合谐振技术所获得的研究成果，该系统不仅能进行电能的无线传输，而且能实现声音信息传递^[5]。斯坦福大学利用数值模拟的方式展示了无线电能传输的情况，并研究了线圈间的能量传输状态^[6-7]。韩国科学技术院对多负载无线电能传输系统进行了研究^[8-9]。天津工业大学对无线电能传输技术进行了建模方式、频率分裂的特征^[10-11];重庆大学对无线电能传输建模、系统拓扑结构、损耗建模等方面进行了研究^[12-13]。

本文首先对谐振式无线电能传输技术的耦合谐振理论、多绕组谐振式无线电能传输系统的拓扑结构进行了介绍;然后，通过Ansoft Maxwell有限元软件的电磁场功能对两绕组和带中继绕组的无线电能传输系统耦合性能进行仿真研究，在仿真过程中建立两个、三个、四个弹簧式立体线圈模型;最后，通过相应的实验对谐振式无线电能传输系统的传输特性进行分析，从实验的角度验证了理论与仿真分析的正确性。

2 谐振式无线电能技术传输原理

2.1耦合谐振理论

两个谐振体间利用磁场当作介质，通过耦合谐振来传递能量这就叫做磁耦合谐振技术，耦合谐振能量转移时传输效率很高，所以使得系统的性能得到了极大的提升。能量传输过程中能量最集中的高度辐射区间是处于系统的发射线圈和接收线圈间之间，因此特别适合传递能量。谐振式无线电能传输系统的物理基础是麦克斯韦方程组：

式中：D为电位移;E为电场强度;B为磁感强度;H为磁场强度。

2.2 多绕组电磁谐振式无线电能传输系统的拓扑结构

为改善初、次级回路的供电性能，需要对电磁谐振式无线电能传输系统初、次级回路的无功功率进行补偿。根据初、次级端补偿方式不同，四个绕组的电磁谐振式无线电能传输系统拓扑结构可以分为SSSP、SSSS、PSSP、PSSS（注：P为并联，S为串联）。高频谐振状态下，辐射损耗电阻R_r远小于线圈损耗电阻R_o，故对于SSSP和PSSP拓扑结构，在高频谐振模式下，辐射损耗可以忽略不计。本文以SSSP拓扑结构进行多绕组电磁谐振式无无线电能传输理论分析，如图1所示。

3 电磁谐振式无线电能传输系统的电磁场仿真

3.1中继绕组个数对系统耦合性能的影响

本节将通过Ansoft Maxwell有限元软件的电磁场功能对两绕组和带中继绕组的无线电能传输系统耦合性能进行仿真研究，在仿真过程中建立两个、三个、四个弹簧式立体线圈模型，以铜作为材料，设置半径为50 mm，线径为1 mm，线圈10匝。初、次级绕组的传输距离设置为100 mm。在仿真过程中，系统其他条件不变的情况下，改变中继绕组的个数，由实验结果可知，在初、次级绕组之间加入一个中继绕组时，磁场强度得到了有效加强，能量传输更具有方向性;比较图2c与2a、b可知，增加二个中继绕组后，系统的磁场得到了更加有效的加强，能量传输的方向性更好。由仿真结果可知，中继绕组能有效地提高初、次级绕组之间的磁耦合强度，增加系统能量传输的方向性，传输过程中能量的损耗更小，对于提高无线电能传输系统的传输效率有较好的效果，并且随着中继绕组个数的增加能更好地提高系统的传输效率和传输距离。

3.2中继绕组位置对系统耦合性能的影响

在电磁谐振式无线电能传输系统中加入1个中继绕组，保持初、次绕组传输距离150 mm不变，改變中继绕组与初级绕组之间的距离，用Ansoft Maxwell有限元软件仿真的结果显示，传输性能随着中继绕组与初级绕组的距离增大而增大，当中继绕组与初级绕组之间的距离增大到90 mm时，磁感应强度开始降低。在这个传输过程中，电源经过高频逆变驱动初级绕组，将电能转换成谐振绕组中的电场能和磁场能，电场能量储存在电容中，磁场能量储存在电感中。初级绕组产生的磁场能量通过磁场耦合转换成中继绕组中电场能量，电场能量和磁场能量在中继绕组的电容和电感之间彼此交换。中继绕组的磁场能量通过磁场耦合转换成次级绕组的电场能量，电场能量在次级绕组的电容和电感之间相互交换，电场能量供给负载。由于初、次级绕组和中继绕组谐振频率相同，故能量可以从电源传输到负载。