基于电磁耦合谐振式无线传能技术的研究

孟庆辉，张永刚，姚善化

(1安徽工贸职业技术学院，安徽 淮南 232007 ； 2安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

基于电磁耦合谐振式无线传能技术的研究

孟庆辉1，张永刚2，姚善化2

(1安徽工贸职业技术学院，安徽 淮南 232007 ； 2安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

磁耦合谐振式无线传能传输技术是一种能在中等距离时能够高效率进行能量传输的技术。所以它是目前国内外对此类技术的主要探索研究方向。文章主要通过理论推导、建立电路模型，电路仿真来探索能影响磁耦合谐振式无线能量传输的一些因素和对应的解决方法。

磁耦合谐振；无线能量传输；感应耦合；磁耦合电路模型

无线传输能量一直是科学家研究的热点技术。最早在1899年塞尔维亚裔美籍发明家尼古拉·特斯拉研究出特斯拉线圈，完成了第一次无线能量传输实验。此后世界上各国的科学家前赴后继的在此技术投入了大量的精力来进行研究。并提出了很多有创意的设想。在1968年一个美国工程师P Glaser提出了一种利用太阳能的发电卫星，它利用微波来来电能传输到地面，再将其转换为日常生活所使用的电能。在上个世纪八十年代后期，加拿大的一个科研团队尝试搭建一个能在高空中漂浮的平台。它利用超远的距离无线通信信号的来进行转接。但是因为其能量传输的方向无法确定、传输效率的低下、平台本身的电磁辐射较大、传输距离达不到实际使用标准和其穿越障碍时衰减较大等缺陷而没有成功。但经过科学家不断在理论和实践上继续研究，并在2006年11月在美国物理学会工业物理论坛上首次正式提出了磁耦合谐振式无限能量传输技术。居于此理论与次年6月，成功地完成了一项远距离点亮灯泡的实验。虽然还存在一些问题，但是可以看出无线电能传输未来前景〔4〕。

1 磁耦合谐振无线传能的基本原理及特点

无线传能传输技术目前主要有三种方式来实现：电磁感应耦合式、电磁波辐射式和磁耦合谐振式〔1〕。它们的工作原理、传输距离、优缺点和适用场合如表1：

表1 三种主流无线传能技术比较

磁耦合谐振无线传能系统的典型结构图如图1所示，它主要由发送端和接收端两块组成。发送端里有220V交流输入，高频电源， 发射天线和闭环控制部分1组成。接收端主要包括接收天线，闭环控制部分2，负载驱动电路和负载组成〔4〕。

首先由220V交流输入给高频电源供电，高频电源输出高频正弦交变电流。高频电流通过发射天线在其周围空间产生对应的交变磁场，其谐振线圈感应到交变磁场而发生对应的谐振。而发射天线和接收天线中的与谐振线圈结构中的相关参数是一样的。接收端的接收天线通过磁耦合谐振作用发生对应的谐振，并通过感应耦合作用来接收传输过来的电能。负载驱动电路将传输过来的电能进行整流滤波处理，再送给负载给其供电。当发送端和接收端之间的间距发生变化，或者改变其负载时，可以通过闭环控制部分1和2来调节其工作频率，使该系统能够一直处于最大的传输功率和传输效率的工作状态。

图1 磁耦合谐振无线传能系统的典型结构图

2 磁耦合谐振无线传能的电路模型和传输特性

磁耦合谐振无线传能的电路图如图2所示，该模型的发送端和接收端都采用了端LC并联方式。R1、R2为线圈的损耗等效电阻，M为线圈互感，US为高频交流电源〔2〕。

图2 磁耦合谐振无线传能的电路图

图3 联合仿真电路图

根据图2电路模型，可以用网孔法列出方程：

(1)

若设Us=Us<0°，则(1)中2*2矩阵行列式为：

(2)

由此可解出发送端功率和接收端功率的绝对值为

(3)

(4)

而其传输效率η为

(5)

(6)

由上可得出，在发送端和接收端的谐振线圈共振条件下能够影响传输效率的因素如下：

(7)

由此可看出，可通过提高共振频率、线圈互感、功率因数等方法来提高效率。反过来在提高频率时，会造成装置线圈电阻上升，进而使功率因数下降。所以要大幅提高传输效率，要从整体是来协调各个变量〔5〕。

3 用Maxwell和Simplorer软件进行电路仿真

Maxwell是一个三维电磁场仿真软件，可以用它来分析涡流、位移电流、集肤效应和邻近效应等。在这里可以用它来设计仿真出线圈的自感、互感和耦合系数等有限元的计算。最终做出一个发送端和接收端之间的磁耦合谐振Maxwell3D工程模型。

Simplorer是一个功能强大的跨学科多领域的高性能系统仿真软件。它强大的仿真耦合技术将非SPICE线路仿真技术、框图仿真技术和状态机仿真技术集成在同一软件之中，允许多工程领域模型同时进行仿真求解。同时提供了对外部仿真器的联合仿真接口，能够灵活地对现有其他软件进行集成。

如图3这是利用Maxwell和Simplorer这两个软件设计出来的一个联合仿真电路。其中1是Maxwell3D工程模型,2是电压源输出功率，3是发送线圈的输出功率，4是接收线圈的输出功率。5和6是Mosfer管。在这个仿真电路中我们可以改变可能影响传输效率的各项参数，来进行研究能够影响磁耦合谐振无线传能效果的有那些关键因素〔3〕。

4 影响磁耦合谐振无线传能效果的关键因素

由上文的磁耦合谐振无线传能的电路模型可以看出，能够影响无线传输效果，又可以被控制的关键因素主要有电源频率、线圈间距、线圈线径、线圈直径、线圈匝数、谐振电容、线圈相对位置和负载类型等。

电源频率，在其他参数都固定不变时，电源频率为发送端或者是接收端频率的1，1/2，1/3....时，传输效率最好。

线圈间距，在其他参数都固定不变时，发送端和接收端的距离不是越近越好，而是保持一定距离时传输效率最好。

线圈线径，在其他参数都固定不变时，发现线圈线径对传输效率影响很大。其线径越大传输效率越好。

线圈直径，在其他参数都固定不变时，线圈直径越大，能量传递效果越好。其能传输的最大功率也越大。但是线圈直径越大，其能量传递最大点也越远。

线圈匝数，在其他参数都固定不变时，在近距离情况下线圈匝数越多传输效率越好。当距离增加到一定远时，由于，接收端电压衰减较快，线圈匝数较少时反而有较好的效果。

谐振电容，在其他参数都固定不变时，谐振电容的数值在一定范围里越大传输效率越好。但是影响并不是很大。

5 结束语

本文介绍了磁耦合谐振无线传能基本原理，搭建了一个磁耦合谐振无线传能的电路模型，分析了其能影响传能效果的关键因素。为该技术的未来研究方向提供有益的参考。

〔1〕范兴明,莫小勇.张鑫.磁耦合谐振无线电能传输的研究现状及应用〔J〕.电工技术学报,2013,(12):75-83.

〔2〕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,2014,4(28):167-172.

〔3〕陈新,张桂香.电磁感应无线充电的联合仿真研究〔J〕.电子测量与仪器学报,2013,28(1):434-440.

〔4〕周甜,万隆君,徐轶群.磁耦合谐振式无线能量传输系统特性研究〔J〕.中国科技信息,2012,(24):43-44.

〔5〕张旭.感应耦合式电能传输系统的理论与技术研究〔D〕.北京:中国矿业大学,2011,4:34-38.

StudyontheWirelessPowerTransmissionbasedonMagneticCouplingResonant

MENG Qing-hui1，ZHANG Yong-gang2，YAO Shan-hua2

(1.HefeiVocationaltechnicalCollegeofIndustryandTrade,Huainan, 232001； 2.AnhuiUniversityofScienceandEngineering,Huainan,Anhui, 232001,China)

The magnetic coupling resonant in wireless transmission technology is a technique which can efficiently carry out energy transmission at medium distance. So it is the major research direction for this king of technology at home and abroad In this paper, a theoretical derivation and circuit model are established to explore some factors and corresponding solution that influence the magnetic coupling resonant in wireless energy transmission.

Coupled magnetic resonant; Wireless power transfer; Inductive coupling; Coupled magnetic circuit model

2017-09-05

2016年度安徽高校自然科学研究重点项目“基于电路模型的人工电磁材料近场耦合的研究”(KJ2016A195).

孟庆辉(1981-)，男，安徽淮南人，安徽工贸职业技术学院讲师，硕士.研究方向：智能化电器.

1008-3723(2017)05-004-03

10.3969/j.issn 1008-3723.2017.05.002

TP27

A