基于空心螺线管互感耦合的能量传输效率研究

韩建辉，张威，赵立志

(1．中国人民解放军第91404部队，河北秦皇岛066200; 2．山东蓝孚高能物理技术有限公司，山东济南250000)

基于空心螺线管互感耦合的能量传输效率研究

韩建辉1，张威2，赵立志1

(1．中国人民解放军第91404部队，河北秦皇岛066200; 2．山东蓝孚高能物理技术有限公司，山东济南250000)

依据无线能量传输技术原理，研制了一套能量耦合传输系统，该系统采用空心螺线管组合作为能量耦合传输系统的核心部件(互感耦合器)。通过对36个自制互感耦合器的能量传输效率的实验测量，研究了不同规格与结构的空心螺线管组成的互感耦合器，在不同气隙下的能量传输效率的变化规律，以及互感耦合器原、副边采用电容补偿对能量传输效率的影响。这项研究是为了减小能量耦合传输系统的体积和重量、增强能量耦合传输系统的实用性所做的工作。本文对测量数据进行分析后，找到了一对能量传输效率较高的空心螺线管组合。由该空心螺线管组合构成的互感耦合器，通过对其原、副边进行电容补偿后，其能量传输效率在10mm气隙处达到了33.74%，在20mm气隙处达到了17.37%。使用其制作的能量传输系统，在外加+15V直流电压时，在20mm气隙处进行实测:系统输入功率约16.34W，输出功率约达到2.84W。实际输出功率已经能够满足小功率用电设备需求。

空心螺线管;管径;绕法;气隙;效率

1 引言

无线能量传输技术是一项崭新的技术，它能够实现供电线路和用电设备在非物理连接条件下进行能量传输，弥补接触供电方式存在的供电线路安全性差、接触火花、磨损、碳积等一系列缺陷［1，2］。近年，对无线能量传输技术的研究取得了较大进展，研究成果在逐步向不同的应用环境靠拢。目前，该技术不仅在工业机器人、电动汽车、医疗器械等工业、民用领域具有重要的应用价值，而且在航空航天等军事国防领域也具有广泛的应用前景［3-5］。因此，开展对于此项技术的研究具有重要的科学意义和实用价值。

现阶段的研究成果，大多是依据适用于近距离无线能量传输的“互感耦合”技术展开的［6］。其中，不足之处在于研究者普遍选用大型带磁芯的可分离变压器作为能量耦合传输系统的核心部件。这样研制出的能量耦合传输系统，会因其有较大的体积和重量而严重降低研究成果的实用价值。

为了减小能量耦合传输系统的体积和重量，增强无线能量传输系统的实用性，本文设计了一套能量耦合传输系统，采用空心螺线管(即空心线圈)作为能量耦合传输系统的核心部件(互感耦合器)。该系统在外加+15V直流电压时，在20mm气隙处进行实测:系统输入功率约16.34W，输出功率约达到2.84W。实际输出功率已经能够满足小功率用电设备需求。

2 无线能量耦合传输系统设计

2.1 无线能量耦合传输技术原理

无线能量耦合传输技术的实现，是以可分离变压器为核心，由交流电网提供能量，将交流电整流滤波成直流电之后经过高频逆变，给变压器原边绕组提供高频交流电能。然后通过可分离变压器的电磁耦合，将电能传输至可分离变压器的副边，最后经过整流滤波，为负载提供直流电能［7］。

2.2 无线能量耦合传输系统设计

2.2.1 系统设计框图

系统设计框图如图1所示。本文设计的无线能量耦合传输系统，是以空心螺线管组成的互感耦合器为核心，由外部电源提供直流电能，由频率信号产生模块产生75kHz的PWM波，PWM波经过开关电路将功率放大之后，用作互感耦合器原边螺线管的激励脉冲，能量通过原、副边螺线管的耦合，传输到互感耦合器副边经过整流滤波后，供负载使用。

图1 无线能量耦合传输系统框图Fig．1Framework of wireless energy coupling transmission system

2.2.2 互感耦合器的设计

互感耦合器等效电路如图2所示。

图2 互感耦合器等效电路图Fig．2Equivalent circuits of mutual inductance coupling

式中，VP为互感耦合器的原边绕组电压;ω为开关角频率;LP为互感耦合器的原边电感;ILP为互感耦合器原边绕组电流;M为互感耦合器的互感系数;ILS为互感耦合器副边绕组电流;jωMILS为互感耦合器副边绕组电流在原边的感应电压。

式中，VS为互感耦合器的副边绕组电压;LS为互感耦合器的原边电感;jωMILP为互感耦合器原边绕组电流在副边的感应电压［6，8］。

式中，η为互感耦合器的能量耦合传输效率;Po为互感耦合器的输出功率;Pin为互感耦合器的输入功率。

式中，ISC为电路谐振时副边电流。

分析表明，对于固定的能量耦合传输系统，用电容补偿的方式，将系统电路调节到谐振工作状态，系统耦合的能量效率会达到最高。

2.2.3 能量发射部分电路设计

如图3所示，无线能量耦合传输系统中，能量发射部分电路的设计使用TL494产生75kHz的PWM波，功率发射部分使用增强型MOS管IRF9540和IRF540N。外部供电为+12V。输出端接互感耦合器的端子1和端子2。采用适当的设计，以减少非正常耗能［9，10］。

图3 无线能量耦合传输系统发射部分电路Fig．3Circuit of energy emission part of wireless energy coupling transmission system

2.2.4 能量接收部分电路设计

如图4所示，互感耦合器输出的能量通过端子3和端子4提供给能量接收电路，经过全桥整流、滤波后，提供给负载RS使用。

图4 无线能量耦合传输系统接收部分电路Fig．4Circuit of energy receiving part of wireless energy coupling transmission system

3 空心螺线管互感耦合器的制作

本文实验过程中，绕制了12个空心螺线管，包含6种不同的规格与结构(每种规格与结构包含两个空心螺线管)［11］，依次编号为1-1、1-2至6-1、6-2。具体参数为:1-1、1-2为单层缠绕43匝，管径为110mm;2-1、2-2为单层缠绕64匝，管径为75mm;3-1、3-2为单层缠绕95匝，管径为50mm;4-1、4-2为多层缠绕43匝，管径为110mm;5-1、5-2为多层缠绕64匝，管径为75mm;6-1、6-2为多层缠绕95匝，管径为50mm。实物如图5所示。

绕制的空心螺线管采用PVC做骨架材料，绕线采用单层漆包铜线，线径Φ为0.5mm，可得绕线截面积S为0.1963mm2，若依据导线理论上可承载的最大电流密度J为4A/mm2计算，则文中自制空心螺线管可以承受的最大电流可以达到0.7854A。

图5 自制六对螺线管实物图Fig．5Picture of six pairs of self-made solenoid

任意选择其中两个空心螺线管组成一个互感耦合器，一共可以组成36个不同规格与结构的互感耦合器，为了使两个空心螺线管之间最大程度地传递能量，互感耦合器中两个空心螺线管截面平行、同轴放置［12］。

4 空心螺线管互感耦合器能量传输效率实验测试

4.1 传输效率测试频率选择

螺线管阻抗示意图如图6所示。L为螺线管电感，R为螺线管自身的电阻，C为螺线管层与层之间及匝与匝之间的分布电容。当信号角频率为ω时，并联LC谐振回路阻抗Z为:

图6 螺线管阻抗示意图Fig．6Solenoid impedance sketch map

当ω=ω0时，感抗与容抗相等，阻抗Z为最大，螺线管工作在自身的并联谐振状态，同时调节能量耦合传输系统的整体电路工作在谐振频率f0处，可以使整个系统的工作效率最高，即能量传输效率最高。并联谐振角频率ω0为:

依据上述原理［13］，用TH2817A型精密LCR数字电桥测量螺线管阻抗，在75kHz测试频率处各螺线管的阻抗值达到最大，即各螺线管的自身谐振频率f0为75kHz，所以，实验时信号频率选择为75kHz。

4.2 互感耦合器能量传输效率测试

传输效率测试实验针对无线能量耦合传输系统的核心部件互感耦合器进行［14］。实验电路如图7所示。SP1641D型函数发生器/计数器为互感耦合器原边提供+5V、75kHz的正弦波;GDM-8246型数字万用表测量互感耦合器原边保护电阻RP两端电压，RP阻值为50Ω;TDS2012型泰克示波器测量互感耦合器原、副边电压。

图7 互感耦合器能量传输效率实验电路图Fig．7Circuit of mutual inductance coupling energy transmission efficiency experiment

4.2.1 互感耦合器原、副边不采用电容补偿的效率测试

互感耦合器原、副边不采用电容补偿。调节互感耦合器原边与副边气隙分别为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、50mm、60mm，测量出相应气隙下原、副边螺线管电压，原、副边电阻两端电压等数据，并由此计算出不同规格与结构的空心螺线管组成的互感耦合器，在各气隙下的能量传输效率。测得数据共324组，处理分析后，选出能量传输效率最高的一个互感耦合器，其10mm气隙处能量传输效率达到了24.69%，20mm气隙处能量传输效率达到了11.87%。这个互感耦合器是由4-1和4-2两个空心螺线管组合而成的，这两个空心螺线管属于密集多层缠绕、大管径结构。

4.2.2 互感耦合器原、副边采用电容补偿后的效率测试

选取由4-1、4-2两个空心螺线管组合而成的互感耦合器，对其原、副边进行电容补偿，使能量耦合传输系统整体电路于75kHz频率处工作在谐振状态，再进行传输效率测试［15］。测量数据经过处理后得到的能量传输效率如图8所示。

由图8中数据得出，在对互感耦合器原、副边进行电容补偿后，能量耦合传输系统整体电路于75kHz频率处工作在谐振状态，能量传输效率得到了进一步提高，10mm气隙处能量传输效率达到33.74%，20mm气隙处能量传输效率达到17.37%。此时，互感耦合器原边采用串联补偿，补偿电容为11nF，副边采用并联补偿，补偿电容为13.3nF［6］。

图8 谐振状态能量传输效率图Fig．8Energy transmission efficiency under resonance state

5 能量传输效率测试结果说明及提升能量传输效率方法分析

5.1 能量传输效率测试结果说明

本文所设计的无线能量传输系统，是针对小功率用电设备设计的研究模型。完成整套系统的搭建工作后，给出以下系统正常工作的实测结果，目的是对以上实验结果加以验证和说明。

下面给出的是系统输入电压分别为+10V、+ 12V和+15V，负载RS为6.6 Ω，互感耦合器气隙为20mm的能量传输实测数据:

实测①:输入电压+10V，互感耦合器原边谐振电压为+39.47V，电流为0.176A，互感耦合器原边输入功率约为6.95W。谐振时负载电压为2.82V，电流为0.428A，互感耦合器副边输出负载功率约为1.21W。能量耦合传输效率为17.41%。

实测②:输入电压+12V，互感耦合器原边谐振电压为+47.52V，电流为0.211A，互感耦合器原边输入功率约为10.03W。谐振时负载电压为3.39V，电流为0.514A，互感耦合器副边输出负载功率约为1.74W。能量耦合传输效率为17.35%。

实测③:输入电压+15V，互感耦合器原边谐振电压为+59.21V，电流为0.276A，互感耦合器原边输入功率约为16.34W。谐振时负载电压为4.23V，电流为0.672A，互感耦合器副边输出负载功率约为2.84W。能量耦合传输效率为17.38%。

在忽略测量误差和计算误差的情况下，以上实测数据表明，改变输入能量，互感耦合器输出能量仍然符合能量传输效率实验结果，并且系统实际输出功率已经能够满足小功率用电设备需求。图9给出了本文研制的无线能量耦合传输系统外加+15V直流电压时，在150mm气隙处点亮了四只照明用白光LED的实物照片。

5.2 提升能量传输效率方法分析

图9 无线能量耦合传输系统验证实物图Fig．9Real products for verification of wireless energy coupling transmission system

由空心螺线管组合而成的互感耦合器，负载运行时等效磁路如图10所示。

图10 互感耦合器负载运行等效磁路Fig．10Equivalent magnetic circuit of mutual inductance coupling under load running

图10中，原边产生磁动势为Fp，副边感应磁动势为Fs，原边能量感应到副边经过的气隙磁路磁阻为Rg1，通过互感，副边能量反映到原边经过的气隙磁路磁阻为Rg2，原、副边管径内部空气磁路磁组分别为Rgp和Rgs，Rpc和Rsc分别为原、副边外部漏磁。其中Rg1、Rg2、Rgp和Rgs均为空气磁路磁阻，其磁阻计算公式为:

式中，Rg为空气磁路磁阻;lg为空气磁路长度;μ0为空气磁导率;Sg为磁路截面积。

综上可知，若要提升互感耦合器的能量传输效率，必定要减小磁阻损耗，实际方式是减小空气磁路磁阻。而式(7)中空气磁导率μ0为定值，如果要减小空气磁路磁阻Rgp、Rgs、Rpc和Rsc，则需要以下条件:①增大磁路截面积Sg，即增大空心螺线管管径;②减小空气磁路长度lg，即减小空心螺线管长度和互感耦合器的气隙值。因为大气隙传输能量是希望达到的目标，所以减小互感耦合器的气隙值固然能够提高能量的传输效率，但这一点不可取。所以采取的方法是增大空心螺线管管径和减小空心螺线管长度，即选用密集绕法绕制的多层、大管径螺线管组合成互感耦合器［16］。6组空心螺线管中，4-1与4-2这组螺线管就是密集绕制的大管径、多层螺线管。实验中，由4-1与4-2所组成的互感耦合器在经过谐振补偿后，10mm气隙处能量传输效率能够达到33.74%，它是所有不同规格的空心螺线管组合而成的互感耦合器当中，能量传输效率最高的一个，这与本节的理论分析是完全相符的。

6 结论

为了减小能量耦合传输系统的体积和重量，增强能量耦合传输系统的实用性，本文使用空心螺线管组合成能量耦合传输系统的核心部件互感耦合器，并通过对36个自制互感耦合器的能量传输效率的实验测量，研究了不同规格与结构的空心螺线管组成的互感耦合器，在不同气隙下的能量传输效率的变化规律，以及互感耦合器原、副边进行电容补偿对能量传输效率产生的影响。得出以下结论:首先，互感耦合器原、副边均采用密集缠绕的多层、大管径螺线管时，系统的能量耦合传输效率较高;其次，通过对互感耦合器原、副边进行电容补偿，将能量耦合传输系统整体电路调整到谐振点附近时，可以进一步提高系统的能量耦合传输效率。

本文设计的能量耦合传输系统，工作在75kHz的谐振频率点，在10mm气隙处，所能达到的能量耦合传输效率为33.74%。而且，我们认为，在气隙相对不变的情况下，继续采用密集缠绕、多层等结构的空心螺线管，进一步增大空心螺线管管径，并对互感耦合器原、副边进行更好的补偿，能量耦合传输效率还可以得到进一步的提高。

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Research on energy transmission efficiency based on air-core solenoid mutual inductance coupling

HAN Jian-hui1，ZHANG Wei2，ZHAO Li-zhi1
(1．No．91404 Troop PLA，Qinhuangdao 066200，China; 2．Shandong Vanform High Energy Physics Technology Co．Ltd．，Jinan 250000，China)

According to the principle of wireless energy transmission technique，this paper studied a set of energy coupling transmission system whose core component is air-core solenoid combination(mutual inductance coupling)．Through the experimental measurement to the energy transmission efficiency of 36 self-made mutual inductance couplings，this paper studied the mutual inductance coupling composed of air-core solenoid of different specifications and structures，the energy transmission efficiency variations under different air gaps，as well as the impact of capacitance compensation application by the primary and secondary windings of the mutual inductance coupling on the energy transmission efficiency，aiming to reduce the volume and weight of the energy coupling transmission system and strengthen its practical applicability．Analyzed the measurement data，this paper found a pair of air-core solenoid combination with high energy transmission efficiency．The energy transmission efficiency of the mutual inductance coupling consisted by this air-core solenoid combination reached 33.74%under 10mm air gap and 17.37%under 20mm air gap after its primary and secondary windings receiving the capacitance compensation．The energy transmission system made by this coupling，when applied with additional+15V direct voltage，is measured practically under 20mm air gap，showing an input power of 16.34W and an output power of 2.84W．The practical output power was able to satisfy the need of small power electric equipments．

air-core solenoid;pipe diameter;winding method;air gap;efficiency

TM724

A

1003-3076(2014)10-0028-05

2013-03-07

韩建辉(1979-)，男，黑龙江籍，工程师，硕士，主攻电力电子、雷达对抗技术;张威(1986-)，男，山东籍，技术员，硕士，主攻电力电子技术。