磁耦合谐振式无线电能传输系统的仿真与实验

李江，张鹏，马腾，张叶，王义伟，魏超，王彬（.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林0；.东北电力大学自动化学院，吉林吉林0；.安徽省肥西供电公司，安徽合肥00）

磁耦合谐振式无线电能传输系统的仿真与实验

李江1，张鹏1，马腾1，张叶2，王义伟1，魏超1，王彬3
（1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012；2.东北电力大学自动化学院，吉林吉林132012；3.安徽省肥西供电公司，安徽合肥231200）

∶针对无线电能传输系统中传输功率小、传输效率低和传输距离短的问题，提出了一种增加中继线圈的新结构。基于磁耦合谐振式无线电能传输系统的工作原理，为增强系统耦合性能，在电源线圈与负载线圈中增加了中继线圈，并分析了其系统模型及传输功率公式。通过ANSYS有限元分析软件对不同数量中继线圈的实验系统进行电磁仿真，绘制了不同距离的磁感应强度空间分布图。最后，搭建了一个磁耦合谐振式无线电能传输实验台，根据负载功率变化与线圈距离的关系，验证了数值仿真的正确性。仿真和实验结果表明∶增加中继线圈的数量能够有效地增强空间磁感应强度，对提高传输效率和增加传输距离有显著作用。

∶无线电能传输；磁耦合谐振；中继线圈；ANSYS；传输距离

0 引言

无线电能传输（wirelesspowertransfer，WPT），又称为无接触式电能传输（contactlesspowertransfer，CPT），指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式［1-3］。该技术在1890年，由著名物理学家尼古拉.特斯拉提出。在1893年的哥伦比亚世博会上，尼古拉.特斯拉展示了他的无线磷光照明灯。尼古拉.特斯拉利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡［4］。这是人类在无线电能传输初期阶段的重要尝试。2007年美国麻省理工学院（MIT）的MarinSoljacic课题组利用磁耦合谐振式的无线电能传输理论在2m范围内点亮一个60W的灯泡［5］，至此无线电能传输技术的研究迅速成为国内外学者研究的热点。

目前，无线电能传输主要分为三大类［6-9］∶第一类是电磁感应耦合式，主要是利用电磁感应原理，通过采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实现功率无线传输；第二类是微波无线能量传输技术，即直接利用天线实现电磁波能量的发射和接收；第三类是磁耦合谐振方式，也被称之为WiTricity（wireless electricity）技术。作为一个新的无线电能传输技术，磁耦合谐振式基于近场强耦合的概念，基本原理是两个具有相同谐振频率的物体之间可以实现高效的能量交换，而非谐振物体之间能量交换却很微弱［10-12］。目前国内外在电磁耦合谐振式无线电能传输方面的研究都还处于理论研究和初步实验阶段，还有很多问题亟待解决，比如传输功率、距离和效率的问题，中继线圈与传输距离的问题等［13-14］。

本文在已有的对无线电能传输技术研究和综述的基础上，针对中继线圈与传输距离间的问题进行了深人研究。第1部分介绍所研究的磁耦合谐振式无线电能传输的模型结构和工作原理。第2部分仿真不同模型结构的不同距离的磁感应强度分布，并对不同模型进行了分析比较。第3部分设计开发了无线电能传输实验系统，验证了仿真分析的正确性。

1 工作原理和模型结构

1.1 工作原理

首先，信号发生器给功率放大电路提供系统谐振频率的正弦信号，信号经过功率放大电路后产生的高频高压的信号传输到电源线圈上，此时电源线圈发生谐振，建立起较强的电磁场。电源线圈中电容的电场能因为谐振与电源线圈中的磁场能不断地进行交换，而发射端电源线圈中磁场有一部分交链到接收端的负载线圈上，交变的磁场在负载线圈中感应出电流，因此能量传递到接收端。在接收端，电容中的电场能和负载线圈中的磁场能也因为谐振不断地进行能量交换，最终把能量传递给负载。磁耦合谐振式无线电能传输工作原理如图1所示。

图1 磁耦合谐振式无线电能传输的工作原理Fig.1 Theworksofwirelesspowertransmission systemviamagneticresonancecoupling

1.2 模型结构

利用2个谐振线圈进行无线电能传输的结构，为无线电能传输的第一种基本拓扑结构，称为两线圈结构。在第一种基本拓扑结构的基础上，增加了1个中继线圈，称为三线圈结构。这种采用3个线圈的结构为无线电能传输的第二种基本拓扑结构。另外，为了进行电源匹配和负载匹配，在2个谐振线圈的基础上，增加了2个中继线圈（感应线圈），称为四线圈结构［15-17］，为第三种基本拓扑结构。这三种结构的抽象模型如图2所示。

图2 三种线圈结构模型图Fig.2 Threekindsofcoilstructuremodeldiagram

当相邻两线圈同轴放置时，磁耦合谐振式无线电能传输距离与互感的关系为

式中∶n1、n2为相邻两线圈的匝数；r1、r2为相邻两线圈的半径；D为线圈之间距离。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的功率为

从上述互感和功率公式，文献［18-20］已说明∶当增加中继线圈的数量后，电源线圈和中继线圈，负载线圈和中继线圈距离减小。电源线圈与中继线圈的互感以及与负载线圈的互感使其与负载线圈的耦合性增强，则其传输功率得到提高。

2 仿真分析

本文利用ANSYS有限元软件的电磁场模块对系统两线圈、三线圈以及四线圈耦合的磁场进行了分析，仿真出了不同模型的不同距离的磁感应强度以及磁力线分布图。仿真电路图中，线圈匝数9匝，线圈直径7cm，导线直径1mm，系统频率11.4MHz，激励电压为正弦交流电压。双线圈耦合磁场产生的磁感应强度和磁力线分布图如下图3所示。

图3 双线圈磁感应强度和磁力线分布图Fig.3 Thedistributionofmagneticfluxdensityand magneticlineofforceindoublecoil

在仿真过程中当中继线圈数量改变时，其在相同载荷下所激发的磁感应强度也将发生变化，图4为电源线圈和负载线圈相距10cm时，不同中继线圈数量模型下激发产生的磁感应强度分布图。当电源线圈和负载线圈距离增加到15cm时，不同中继线圈数量的磁感应强度分布图如图5所示。

图4 线圈相距10cm时不同模型的磁感应强度分布图Fig.4 Magneticfluxdensitydistributionofdifferent modelswhen10cmdistancebetweenthecoils

图5 线圈相距15cm时不同模型的磁感应强度分布图Fig.5 Magneticfluxdensitydistributionofdifferent modelswhen15cmdistancebetweenthecoils

当电源线圈和负载线圈相距较远时，其在相同载荷下不同模型的线圈所激发的磁感应强度如图6和图7所示。由图可知，当线圈之间相距较远时，增加中继线圈的数量能够有效地增强磁感应强度，并且能够增加传输的距离和提高传输的功率。而且在图4两线圈模型、图5三线圈模型以及图7四线圈模型中，负载线圈的磁感应强度分别为0.003314T，0.003249T，0.003179T，即为磁感应强度相差不多的情况下，增加中继线圈的数量，显著地增加了系统传输的距离。从中也能看出，增加中继线圈后，使得负载线圈与电源线圈的耦合性显著地增强，从而传输的功率得到提高。

图7 线圈相距30cm时不同模型的磁感应强度分布图Fig.7 Magneticfluxdensitydistributionofdifferent modelswhen30cmdistancebetweenthecoils

在三线圈谐振系统中，当电源线圈和负载线圈相距15cm不变的情况下，使中继线圈的位置距离电源线圈分别为3cm，6cm，9cm，12cm时，仿真分析四种模型的磁感应强度分布。从图8中得出，随着中继线圈与电源线圈距离的不断变大，负载线圈的磁感应强度不断增强，在9cm时磁感应强度达到最大，而后逐渐减小。

图8 三线圈系统中继线圈与电源线圈不同距离时的磁感应强度分布图Fig.8 Magneticfluxdensitydistributionofdifferent distancebetweentherepeatingcoilandthe powercoilinthethreecoilssystem

3 实验验证

为验证上述磁共振电能传输仿真分析的正确性，搭建了一个磁共振无线电能传输实验平台，其工作原理图如图2所示，实验电路如图9所示。给定系统参数∶导线直径1mm，线圈直径7cm，线圈同轴放置，匝数9匝，负载为普通白炽灯泡，直流稳压电源12V。对于高频实验，考虑高频集肤效应影响，线圈采用表面光滑、耐高温且导电性能好的铜导线材质。为获得更好的传输效果，将线圈制作成螺旋状并同轴放置，所绕制线圈如图10所示。

图9 无线传输系统实验原理图Fig.9 Experimentaldiagramforwireless powertransmission

图10 螺旋状线圈Fig.10 Thespiralcoil

根据电磁理论，实验系统的电容、电感以及系统频率可以通过式（3）～式（5）计算得到

式中∶ε0为真空介电常数；μ0为真空磁导率。

在实验过程中，保持电源线圈和负载线圈之间的距离一定时，分别增加中继线圈的个数，磁共振无线电能传输系统的功率显著地提高了。如电源线圈与负载线圈相距20cm时，系统实验图如下图11所示。从图中能够看出，双线圈模型的负载白炽灯泡没有亮度，三线圈模型的负载灯泡亮度不高，而四线圈模型的负载灯泡亮度很高。这验证了仿真分析的正确性，即增加中继线圈能够增强其磁感应强度，从而能够有效地提高传输的功率和效率。

灯泡功率相同时，不同模型的系统实验图如图12所示。在两线圈模型中，线圈之间的距离是10cm；三线圈模型中，电源线圈与负载线圈的距离是16cm；四线圈模型中，电源线圈和负载线圈的距离是27cm。从实验图中能够清楚地看到在功率相同的情况下，增加中继线圈的数量，能够有效地增加传输距离，这进一步验证了仿真分析的正确性。三种模型的负载电压峰峰值与传输距离的关系如图13所示。由实测数据可知在相同电压等级下，即相同功率下，增加中继线圈的数量，能明显的提高无线输电的距离，也验证了仿真正确性。

图11 电源线圈与负载线圈相距20cm时，不同模型的系统实验图Fig.11 Theexperimentalanalysisofsystemofdifferent modelswhen20cmdistancebetweenthepower coilandtheloadcoil

图12 灯泡功率相同时，不同模型的系统实验图Fig.12 Theexperimentalanalysisofsystemofdifferent modelsforthesamepower

在三线圈系统中电源线圈与负载线圈相距分别为8cm和12cm时，改变中继线圈与电源线圈距离，测量得到负载线圈电压峰峰值实验图如下图14所示。结合图8得出∶随着中继线圈与电源线圈距离的不断变大，负载线圈的电压不断增大，当中继线圈与电源线圈之间的距离比电源线圈与负载线圈之间的距离等于0.6到0.7时负载线圈电压值达到最大，而后逐渐减小。

图13 三种模型的负载正弦电压峰峰值与距离实测关系Fig.13 Therelationshipbetweensinusoidalvoltage peakofloadanddistanceofthreemodels

图14 三线圈系统中继线圈与电源线圈相距不同距离时的负载线圈电压峰峰值Fig.14 Thevoltagepeakofloadcoilindifferent distanceoftherepeatingcoilandpower coilinthreecoilsystem

4 结论

本文利用ANSYS有限元软件对磁耦合谐振式无线电能传输系统的两线圈，三线圈和四线圈三种模型进行了电磁仿真，得出了不同距离的磁感应强度的空间分布图，并结合系统实验的结果分析得出了中继线圈的增加不仅能够增强系统磁感应强度，提高系统传输的功率和效率，而且中继线圈能够显著地提高无线输电的距离。此外，当中继线圈处于电源线圈和负载线圈中间偏负载线圈位置时具有传输功率和传输效率最优的特性。因此，增加中继线圈对改进磁耦合式无线电能传输系统的机构具有积极的指导作用。

∶

［1］FENGAming，QINHaihong，MAOZhixin.etal.Analysisofbifurcationphenomenabasedonoptimizedtransformerinlooselycou-pledinductivepowertransfersystem［C］//ElectricalandControl Engineering，Wuhan，China.2010∶3324-3327.

［2］WANGG，LIUW，SIVAPRAKASAMM，etal.Designandanalysisofanadaptivetranscutaneouspowertelemetryforbiomedical implants［J］.IEEETransactionsonCircuitsandSystems，2005，52（10）∶2109-2117.

［3］ELLIOTTGAJ，COVICLGA.Newconcept∶asymmetricalpickupsforinductivelycoupledpowertransfermonorailsystems［J］. IEEETransactionsonMagnetics，2006，42（10）∶3389-3391.

［4］LIHL，HUAP，COVICGA，etal.Optimalcouplingcondition ofIPTsystemforachievingmaximumpowertransfer［J］.ElectronicsLetters，2009，45（1）∶76-77.

［5］KURSA，KARALISA，MOFFATTR，etal.Wirelesspower transferviastronglycoupledmagneticresonances［J］.Science，2007，317（7）∶83-85.

［6］苏玉刚，王智慧，孙跃，等.非接触供电移相控制系统建模研究［J］.电工技术学报，2008，23（7）∶92-97. SUYugang，WANGZhihui，SUNYue，etal.Modelingofcontactlesspowertransfersystemswithaphase-shiftedcontrolmethod ［J］.TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2008，23（7）∶92-97.

［7］赵争鸣，张艺明，陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展［J］.中国电机工程学报，2013，33（3）∶1-13. ZHAOZhengming，ZHANGYiming，CHENKainan.Newprogressofmagnetically-coupledresonantwirelesspowertransfertechnology［J］.ProceedingsoftheCSEE，2013，33（3）∶1-13.

［8］BARRETTJP.Electricityatthecolumbianexposition［M］.Madison∶RRDonnelley，1894∶168-169.

［9］TESLAN.Systemoftransmissionofelectricalenergy∶US，0645576［P］.1990-03-20.

［10］HANKH，LEEBS.Thedesignevaluationofinductivepowertransformerforpersonalrapidtransitbymeasuringimpedance ［J］.JournalofAppliedPhysics，2008，103（7）∶07E928-1-07E928-3.

［11］杨庆新，陈海燕，徐桂芝，等.无接触电能传输技术的研究进展［J］.电工技术学报，2010，25（7）∶6-13. YANGQingxin，CHENHaiyan，XUGuizhi，etal.Research progressincontactlesspowertransmissiontechnology［J］.TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety，2010，25（7）∶6-13.

［12］ZHANGXian，YANGQingxin，CHENHaiyan，etal.Theapplicationofnon-contactpowertransmissiontechnology（NPT）in themoderntransportsystem［C］//InternationalConferenceon MechatronicsandAutomation（ICMA），Xi'an，China.2010∶345-349.

［13］张献，杨庆新，陈海燕，等.电磁耦合谐振式传能系统的频率分裂特性研究［J］.中国电机工程学报，2012，32（9）∶167-172. ZHANGXian，YANGQingxin，CHENHaiyan，etal.Research oncharacteristicsoffrequencysplittinginelectromagneticcouplingresonantpowertransmissionsystems［J］.Proceedingsofthe CSEE，2012，32（9）∶167-172.

［14］韩腾，卓放，闫军凯，等.非接触电能传输系统频率分叉现象研究［J］.电工电能新技术，2005（2）∶44-47，76. HANTeng，ZHUOFang，YANJunkai，etal.Studyoffrequency bifurcationphenomenonofacontactlesspowertransmissionsystem［J］.AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy，2005（2）∶44-47，76.

［15］IMURAT.Equivalentcircuitforrepeaterantennaforwireless powertransferviamagneticresonantcouplingconsideringsigned coupling［C］//6thIEEEConferenceonIndustrialElectronics andApplications，Beijing，China.2011∶1501-1506.

［16］KIANIM，GHOVANLOOM.Thecircuittheorybehindcoupledmodemagneticresonance-basedwirelesspowertransmission［J］. IEEETransonCircuitsandSystemsI，2012，59（8）∶2065 -2074.

［17］SANGHOONC，YONG-HAEK，SEUNG-YOULK，etal.Circuit-model-basedanalysisofawirelessenergy-transfersystemvia coupledmagneticresonances［J］.IEEETransonIndustrialElectronics，2011，58（7）∶2906-2914.

［18］LIZhongqi，HUANGShoudao，YANGMinsheng，etal.Transfer efficiencyanalysisofmagneticresonancewirelesspowertransfer withmultipleintermediateresonantcoils［J］.Transactionsof ChinaElectrotechnicalSociety，2013，28（2）∶35-41.

［19］蔡涛，沈锦飞.带中继线圈无线电能传输的效率分析方法［J］.电源学报，2014，9（5）∶67-71. CAITao，SHENJinfei.Efficiencyanalysismethodofwireless powertransmissionwithrelaycoil［J］.JournalofPowerSupply，2014，9（5）∶67-71.

［20］罗斌，生茂棠，吴仕闯，等.磁谐振耦合式单中继线圈无线功率接力传输系统的建模与分析［J］中国电机工程学报，2013，7（21）∶170-178. LUOBin，SHENGMaotang，WUShichuang，etal.Modeling andanalysisofmagneticresonancecouplingwirelessrelaypower transfersystemwithsingleintermediatecoilresonator［J］.ProceedingsoftheCSEE，2013，7（21）∶170-178.

（编辑∶张诗阁）

Simulationandexperimentalanalysisofwirelesspowertransmission systemviamagneticresonancecoupling

LIJiang1，ZHANGPeng1，MATeng1，ZHANGYe2，WANGYi-wei1，WEIChao1，WANGBin3
（1.SchoolofElectricalEngineering，NortheastDianliUniversity，Jilin132012，China；2.SchoolofAutomationEngineering，NortheastDianliUniversity，Jilin132012，China；3.FeixiPowerSupplyBureau，Hefei231200，China）

∶Fortheproblemoflowtransmissionpowerlevel，lowtransmissionefficiencyandshorttransmissiondistanceinwirelesspowertransmissionsystem，thenewstructuretoincreasetherepeatingcoilwas presented.Basedontheprinciplesofwirelesspowertransmissionsystemviamagneticresonancecoupling，toenhancethecouplingdegreeofsystem，therepeatingcoilswereplacedbetweenthetransmitting coilandreceivingcoil.Andthesystemmodelandtransmissionpowerformulawereanalyzed.TheelectromagneticexperimentsystemunderdifferentconditionswithrepeatingcoilsweresimulatedbyANSYS finiteelementsoftware.Thespatialdistributionpatternsofmagneticinductionintensityatdifferentdistanceswereplotted.Finally，anexperimentaltest-bedwasestablished.Accordingtotherelationshipbetweenthepowerchangeofloadandthedistanceofcoils，thecorrectnessofthesimulationisverified. Simulationandexperimentalresultsshowthatincreasingtheamountofrepeatingcoilcaneffectivelyenhancethespacemagneticinductionintensity，whichhassignificanteffectonimprovingthetransmission efficiencyandlengtheningtransmissiondistance.

∶wirelesspowertransmission；coupledmagneticresonances；repeatingcoil；ANSYS；transmissiondistance

∶TM72；TM15

∶A

∶1007-449X（2015）11-0072-06

∶2014-07-01

∶国家自然科学基金（51307018）；吉林省省级经济结构战略调整引导资金专项项目（2014Y123）

∶李 江（1979—），男，博士，副教授，研究方向为电力系统的分析与控制；

张 鹏（1989—），男，硕士研究生，研究方向为无线电能传输；

马 腾（1993—），男，硕士研究生，研究方向为无线电能传输；

张 叶（1979—），男，本科，助教，研究方向为自动化检测技术与仪表；

王义伟（1990—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统电压稳定；

魏 超（1989—），男，硕士研究生，研究方向为配电网拓扑结构分析；

王 彬（1982—），男，本科，研究方向为电力系统监测。

∶李 江

DOI∶10.15938/j.emc.2015.11.011