磁耦合谐振式无线电能传输线圈的磁聚焦仿真

何亚伟，李 阳，杨庆新，张 献，倪卫涛，刘维娜，张雅希，杨晓博

（天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室，天津 300387）

磁耦合谐振式无线电能传输线圈的磁聚焦仿真

何亚伟，李 阳，杨庆新，张 献，倪卫涛，刘维娜，张雅希，杨晓博

（天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室，天津 300387）

为通过磁聚焦技术提高无线电能传输效率，对磁耦合谐振式无线电能传输系统中的磁场分布特性进行分析，并采用Comsol Multiphysics多物理场软件，对不同类型线圈、不同线圈排列结构的磁场聚焦特性进行仿真.结果表明：本文设计的5线圈结构通过角度、距离、尺寸的逐级优化，其磁场聚焦特性不断增强，最终得到一种结构简单、可靠性高的线圈结构.

无线电能传输；磁场聚焦；线圈类型；排列结构

线圈类型和线圈结构是影响磁耦合谐振式无线电能传输效率的关键因素之一[1-4].目前，国内外对平面螺旋线圈、三层PCB板六边形线圈等电磁场耦合情况进行仿真或实验，旨在让无线电能传输过程中线圈产生的磁场耦合更强，从而提高传输效率和距离[5-9].磁聚焦技术是电磁成像、功能磁刺激及电磁场工程等领域的一种关键技术[10-13].该技术利用不同的线圈结构产生不同的磁场矢量场，从而对目标区域产生较强的磁场.如果在无线传能的过程中，能够在一定的距离处产生较强的磁场区域，那么能量接收的效率势必增高.目前，国内外对磁聚焦特性在无线电能传输领域的研究还相对较少.本文通过对发射端线圈的角度、距离、尺寸进行设计与优化，从而获得磁聚焦特性最优结构；通过对不同形状的线圈和排列结构进行仿真，观测其磁场聚焦效果，得到最优的线圈排列组合，以期为实现磁场在无线电能传输领域的高效利用提供参考.

1 无线电能传输中距离与磁场分布特性的分析

磁耦合谐振式无线电能传输系统一般由高频信号发射源、发射系统、接收系统、负载等部分组成.其中发射系统和接收系统是无线传能整套系统中的核心部分，典型模型如图1所示.在无线传能的整套系统中，激磁线圈A通过直接耦合将能量传递到发射线圈S，发射线圈S和接收线圈D之间通过空间磁场的谐振耦合实现电能的无线传输，接收线圈通过直接耦合将能量传递到负载线圈B.

图1 无线电能传输系统整体模型Fig.1 Whole model of wireless power transfer

文献[6-8]中对磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性、方向特性、距离特性以及功率与效率特性进行了分析，结果表明：在频率一定、负载一定的情况下，接收端电压会随着距离的增大先增大后减小，效率会随着距离的增大而减小；同时，随着距离的增大，磁感应强度也会减小.

由法拉第电磁感应定律分析多匝圆环线圈时，可得到线圈上的感应电压[14-15]如下式所示.

式中：E为接收端感应电动势；f为谐振频率；B为磁感应强度；S为与磁场方向垂直的平面面积；N为线圈匝数.

由公式（1）可知：在发射端功率、负载、谐振频率、线圈匝数、能量发射线圈和接收线圈距离一定的情况下，如果能利用磁聚焦特性提高磁感应强度B，那么接收端电压会增高，同时无线电能传输的功率就会越高.这样，在能量发射线圈和接收线圈距离更远的位置，也能获得和磁场叠加之前大小相同的功率.

在无线电能传输系统中，发射端线圈的排列结构和参数设计对提高无线电能传输过程中的功率和效率有着重要的意义.本文对不同形状的线圈进行仿真，选择出适合磁场聚焦的线圈，然后对此种线圈在不同结构下的磁聚焦特性进行分析，以期为实际提供指导.

2 不同类型线圈的磁聚焦效果仿真

本文利用Comsol软件，对不同类型线圈的磁聚焦特性进行了仿真.为了比较不同类型线圈的磁场分布特性，现对底面积、高度、线圈匝数和通入电流相同的6种不同形状的线圈进行仿真[16-20]，观察轴向方向的磁场分布情况，从而选择出理想的线圈类型.先用Com sol软件进行几何建模，如图2所示，线圈横截面积S1=S2=S3=S4=S5=S6=100 πmm2，竖直高度H1=H2= H3=H4=H5=H6=3 mm，通入电流均为1 A，线圈匝数为10，而且外围正方体区域的边长都为35 mm.材料设置为铜，且均在边长为35 mm的正方体的空气域内，再对几何结构进行剖分，计算，并进行数据处理.

图2 不同种类的线圈比较Fig.2 Comparison of different types of coil

取一条三维截线起点为（0，0，-30），终点为（0，0，30），单位mm，分析这条线上的磁场分布特性，如图3所示.

图3 不同种类线圈时的磁场分布Fig.3 Magnetic field distribution of different types of coils

由图3仿真结果分析可得：椭圆形的整体磁感应强度较小；圆形、正方形、五边形和长方形的磁感应强度分布区别不大；在-2～6 mm处正六边形的变化最大；圆形线圈的变化比较平缓，适合较大范围内的供电，而且圆形线圈设计和制作简便，适合在实际场合中应用.

3 不同线圈排列结构的磁聚焦效果仿真

3.1 线圈间角度优化

在对不同线圈排列结构的磁聚焦效果进行仿真时，设计5线圈结构[21-22]，线圈均为圆形，底面积为100π mm2，高度为3 mm，匝数为10，材料为铜，且均在边长为35 mm的正方体空气域中.中心线圈的圆心位于原点，其余4个线圈的圆心分别位于xOy平面的（-30，0）、（30，0）、（0，-30）、（0，30）处，单位为mm，因为以对称形式排列，为简化分析，简化示意图如图4所示，d1=30 mm.4个线圈与xOy平面角度为α，角度α分别取0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°时，观测z轴方向的磁场分布情况.

图4 不同角度时简化示意图Fig.4 Simplified schematic of different angles

因为该结构是对称结构，所以研究z轴方向的磁感应强度分布时，取一条三维截线，起点为（0，0，-30），终点为（0，0，30），单位mm.观察与z轴垂直平面上的磁感应强度分布情况时，取一条三维截线，起点为（0，-30，15），终点为（0，30，15），单位mm.仿真结果如图5所示，由仿真结果分析可知：当α取90°时，此线圈排列结构的磁场聚焦特性最好.

3.2 线圈间距离优化

对以上5线圈结构进行优化，除中心线圈外其余4线圈与xOy平面成90°，位置不变，调整中心线圈与xOy平面的距离d2，如图6所示，分别取-15、-10、-5、0、5、10、15 mm.然后取一条三维截线，起点为（0，0，-30），终点为（0，0，30），单位mm；取另一条三维截线，起点为（0，-30，20），终点为（0，30，20），单位mm，分析这两条线上的磁场分布特性，结果如图7所示.

图5 不同角度时的磁场分布Fig.5 Magnetic field distribution of different angles

图6 不同距离时简化示意图Fig.6 Simple diagram of different distances

由图7结果可知，当中心线圈与xOy平面的距离为-15～5 mm时，z轴方向的磁感应强度最高点一直往z轴正方向增大，但是y轴方向的磁感应强度相对较低；虽然当距离到达15 mm时，z轴方向的磁感应强度分布移动到z轴正方向更远处，而且y轴方向磁感应强度数值较大，但是这种情况波动较大，说明此时这一位置的磁感应强度变化几乎是由中心线圈主导的，而其余4个线圈的影响很小，这样就不是多线圈的排列结构分析，而只是单线圈的影响了；而当距离位于10 mm处，z轴方向的磁感应强度分布位于z轴正方向较远处，而且y轴方向的磁感应强度分布比较均匀且数值较大.综合以上分析，所以最后选取距离10 mm为最优结果.

图7 不同距离时的磁场分布Fig.7 Magnetic field distribution of different distances

3.3 线圈尺寸优化

继续对以上5线圈结构进行优化[23]，除中心线圈外其余4线圈均与xoy平面成90°且位置不变，当中心线圈位于10 mm处时，调整中心线圈的体积大小，示意图如图8所示.当体积放大倍数分别取其1.2、1.4、1.6、1.8、2倍时，取一条三维截线，起点为（0，0，-30），终点为（0，0，30），单位mm，取另一条三维截线，起点为（0，-30，20），终点为（0，30，20），单位mm，分析这两条线上的磁场分布特性，结果如图9所示.

图8 不同体积的线圈结构比较Fig.8 Copararation of the different scale

由图9仿真结果可得，随着中心线圈体积的增大，y轴方向的较大磁感应强度分布范围逐渐增大，但是变化不是很大，而z轴方向的磁感应强度逐渐变小.为同时兼顾y轴方向和z轴方向的磁场分布特性，中心线圈取1.4倍时效果最好.

图9 不同尺寸组合时的磁场分布Fig.9 Magnetic field distribution of different scale

4 结束语

本文通过运用Comsol Multiphysics软件对不同类型的线圈进行仿真，然后设计了5线圈结构，并对5线圈结构的角度、距离、尺寸进行优化并仿真，由仿真结果得：合理的设计线圈排列结构的角度、线圈间的距离以及不同线圈的尺寸，可以在发射端功率、负载、谐振频率、线圈匝数，能量发射线圈和接收线圈距离一定的情况下，有效增加相同距离下的磁感应强度，从而提高接收端电压，改进无线电能传输效率.

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Simulation of focus magnetic field of magnetically coupled resonant wireless power transfer coil

HE Ya-wei，LI Yang，YANG Qing-xin，ZHANG Xian，NI Wei-tao，LIU Wei-na，ZHANG Ya-xi，YANG Xiao-bo
（Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to improve the efficiency of the wireless power transmission via focusing magnetic distribution，the magnetic distribution during the magnetically coupled resonant wireless power transmission was analyzed.Comsol Multiphysics simulation software was used to simulate the properties of the magnetic field of different types of coils and coil arrangement.The result shows that 5 coil structure designed was optimized step by step by angle，distance and size，the property of magnetic field focusing turns stronger and stronger，finally a coils structure which was simple and reliable was obtained.

wireless power transfer；focus magnetic field；coil type；coil arrangement

TM72

A

1671－024X（2015）02－0075－05

2014-12-10

国家自然科学基金资助项目（51207106，51477117，51207120）

何亚伟（1990—），男，硕士研究生.

李 阳（1979—），男，博士，副教授，研究方向为无线电能传输.E-mail：liyang@tjpu.edu.cn