磁耦合机构拾取线圈平面金属的影响及其抑制方法

苏玉刚 刘家鸣 王智慧 戴 欣 阳 剑

磁耦合机构拾取线圈平面金属的影响及其抑制方法

苏玉刚1,2刘家鸣2王智慧2戴 欣2阳 剑2

（1. 复杂系统安全与自主控制教育部重点实验室（重庆大学） 重庆 400044 2. 重庆大学自动化学院 重庆 400044）

针对磁耦合机构中与拾取线圈同一平面的金属对磁耦合无线电能传输（MC-WPT）系统带来的涡流损耗与系统失谐问题，通过建模与仿真分析，给出了不同材料、尺寸、位置的金属对耦合机构参数和MC-WPT系统性能的影响规律。并在此基础上提出了一种主动抑制线圈平面的金属对系统影响的耦合机构，给出其参数设计方法。最后通过仿真与实验验证所提耦合机构及其参数设计方法的正确性与有效性。

无线电能传输 磁场耦合 金属影响 耦合机构

0 引言

近年来，随着无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术的发展，WPT技术在国内外备受关注[1-5]。WPT技术中目前应用最广泛的为磁耦合无线电能传输（Magnetic field Coupled Wireless Power Transfer, MC-WPT）技术，该技术已在多个技术领域推广应用[6-8]，但同时也带来一系列的挑战，尤其是在一些特殊的工作环境内。航天器供配电系统担负着向航天器平台和负载提供、储存、调节和分配电能的重要任务，一旦出现故障可能需要航天员在轨维修。为防止航天员拔插接插件等遭电击，供配电系统维修更换需要持续数小时的复杂操作过程，磁耦合无线电能传输技术可凭借其可靠性、灵活性和安全性[9-10]，解决有线供电系统中存在的连接器插接精度要求高、插拔次数有限、插拔机构复杂等问题[11]。同样得益于MC-WPT技术的可靠性、灵活性和安全性，该技术被应用于海洋领域，典型案例是水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）的无线充电[12]。航天器与AUV等设备多采用金属材料作为密封壳，拾取线圈通常采用在金属壳体上镶嵌安装的方式，同时为保证壳体结构强度，开窗尺寸不宜过大。这会导致在WPT系统能量传输中，金属壳体与拾取线圈经磁场形成较强的耦合，在壳体上形成涡流热损，影响系统传输性能，甚至导致系统失谐。

金属对MC-WPT系统的影响目前已有较多研究，如金属对线圈参数的影响[13-14]、金属异物对电动汽车无线充电系统的影响[15]等，但大多是针对线圈之间或者线圈底部金属板的影响分析，目前尚未发现与拾取线圈同一平面的金属对MC-WPT系统影响的研究分析。而在抑制金属对MC-WPT系统影响的方面，主要的方法为增加空隙、设计线圈结构。增加空隙常常需要较大的开窗面积以确保金属与线圈之间有足够的空隙，不适宜本文的研究背景。而现有的设计线圈结构方法主要针对线圈底部的金属板[16-17]，也不适用于本文的研究问题。

本文针对磁耦合机构中与拾取线圈同一平面的金属对耦合机构的影响，研究金属对耦合机构线圈参数及MC-WPT系统的影响规律。在此基础上，提出一种能主动抑制拾取线圈平面金属对MC-WPT系统性能影响的耦合机构，并给出其参数设计方法。通过仿真与实验对该耦合机构在金属影响下的规律、抑制效果及其参数设计方法进行验证。

1 金属对线圈参数及系统性能的影响

1.1 金属对线圈参数的影响

针对航天、AUV等应用背景，拾取线圈一般镶嵌于设备上并与金属同平面，发射线圈置于金属体外，且与拾取线圈尺寸相同。图1为耦合线圈与金属的结构图，考虑到应用背景中存在振动、重量、体积等限制，耦合机构中没有在线圈背部加磁心。为分析不同形状金属对线圈参数的影响，选择圆环形与正方形金属板作为对比，为金属圆环的宽度或者以该金属环直径为边长的正方形金属板宽度，3为金属板与线圈之间的空气间隙宽度，为传输距离，与为拾取线圈外径与内径，1与1为发射线圈外径与内径。按图1所示的结构在COMSOL中建立仿真模型，得到图2和图3所示耦合机构参数随、、3变化的仿真结果，其中取发射与拾取线圈内径为40mm，外径为100mm，金属环厚度与导线直径均为2mm，频率85kHz，金属材料电导率等参数见文献[14]，仿真数据均以无金属影响且传输距离=50mm时拾取线圈的内阻、自感、互感为标准进行归一化处理。图2中线圈参数为归一化之后的内阻、自感、互感。

图1 耦合线圈与金属结构

图2 耦合机构参数随传输距离d的变化趋势

从图2可见当传输距离＜50mm时，金属对发射线圈影响较大，发射线圈阻抗较大，激励电流小，传输性能差；当传输距离＞50mm时，金属对发射线圈的影响较小，但此时的互感较低，意味着维持接收端的感应电压不变需要更大的激励电流，发射端的损耗将增大，影响到系统传输性能。因此需要选择合适的传输距离，尽量减少金属对发射线圈影响的同时，保证传输功率对互感的基本要求。从图2中可见，随着传输距离的增大，互感降低，线圈内阻降低，当互感与内阻的比值存在极大值时，选择极大值或者其周边的点作为最佳传输距离。如图2中极大值点约在=40mm处，但此处发射线圈电阻较大，为降低金属对线圈内阻，在图2中取=50mm处。当互感与内阻的比值不存在极大值时，根据需求综合选取发射线圈参数受金属影响较小且互感较大的点作为最佳传输距离。

图3a～图3c为金属开窗半径和拾取线圈外径为100mm时，即空隙宽度3=0时，金属宽度增大对拾取线圈参数的影响趋势，图3d～图3f为金属外径3=800mm时，金属与拾取线圈之间空气间隙宽度3增大对拾取线圈参数的影响趋势。从图3a～图3c可知，随着金属环宽度的增加，线圈等效内阻先升后降，线圈等效自感与互感单调递减。当金属宽度大于40mm时，同材质的金属对线圈参数的影响趋于一致。当金属宽度大于400mm时，金属宽度增加对线圈参数的影响基本不变。从图3d～图3f可知，随着空气间隙宽度3增加，金属对线圈等效内阻、等效自感与互感的影响逐渐降低，在空隙达到200mm，金属板对线圈参数的影响基本为零。从图3a可知，对线圈内阻影响最大的是线圈边界处的小金属环，当金属宽度为0.2mm，线圈等效内阻甚至是无金属影响时线圈内阻的上百倍。

总的来说，本模型中随着金属宽度增加，金属对线圈等效内阻的影响先增后减，对线圈等效电感与互感的影响逐渐增大，金属铁与铝对线圈参数的影响趋势相同，但幅值不同，铁对线圈参数幅值的影响大于铝。在金属宽度小于10mm时，环形金属对线圈参数的影响大于正方形金属，当金属宽度大于10mm时，环形或正方形对线圈参数的影响趋于一致。对线圈参数影响最大的为线圈边界处的金属环，仿真表明此处金属宽度较小时，线圈等效内阻较大，可能会带来较大的涡流热损，在实际工程中应当尽量避免这种情况的出现。研究中，将图3中的电流频率在10k～100kHz改变后，金属对线圈参数的影响趋势与图3基本一致。

图3 线圈参数随金属与空气间隙宽度变化趋势

从上述分析可知，金属板中对线圈参数影响最大的位置位于线圈边界处，而距离线圈越近，线圈产生磁通越强，从图3可以看出，将靠近线圈边界的金属用空隙取代可降低金属对线圈参数的影响，即降低线圈边界处经过金属的磁通可削弱金属对线圈参数的影响。因此可通过耦合机构设计来削弱线圈边界的磁通，降低该部分金属与拾取线圈的耦合，实现抑制金属对线圈参数影响的效果。

1.2 金属对系统性能的影响

图4 金属板影响下MC-WPT系统电路拓扑

图5 MC-WPT系统等效电路模型

由基尔霍夫定律分析图5a可得

解方程推导出金属物体在接收端的反射阻抗为

图6 系统功率与效率

从图6可知，当补偿了金属造成的线圈等效自感偏移后，系统的效率随金属宽度增加而增加，系统功率有增有降。当金属宽度＞400mm时，系统功率与效率基本不不随宽度增加而改变。金属铁与铝对系统性能的影响趋势相近，但是幅值不尽相同，铁对系统的影响大于铝。当金属宽度＞10mm时，环形或正方形对系统性能的影响趋于一致。对系统性能影响最大的为线圈边界处的金属环，即金属宽为0.1～0.2mm时，此时线圈内阻最大，系统效率最低。图6中功率与效率变化趋势与1.1节金属对线圈的影响规律分析相吻合。

因此可通过抑制经过金属物体的磁通，降低线圈与金属物体的互感，实现抑制金属对线圈参数的影响，达到抑制金属对MC-WPT系统影响的目的。

2 带抑制线圈的耦合机构仿真分析

图7为在金属板影响下带抑制线圈的耦合机构的结构，相较于图1，在主线圈外增加了反绕线圈，其内径为，外径为，反绕抑制线圈与主线圈之间间隙为4。为分析抑制线圈在各角度宽度不同的金属影响下的抑制效果，选择金属板形状为正方形，参考图3选取=150mm，金属板开孔半径与传输距离分别为100mm与50mm，电流取1A，其他参数不变。按上述参数与图7所示结构，建立COMSOL仿真模型，仿真得到图8所示的线圈磁通分布图。

图7 带抑制线圈的耦合机构结构

图8 线圈磁通空间分布

从图8中可以看出，线圈平面与分界线交点处的磁通密度从10-4T降低到了10-5T，降低至约1/10，表明抑制线圈的加入可以很好地削弱线圈边界外的磁通量。

为了分析带抑制的拾取线圈与金属之间互感的削弱程度，考虑到带抑制的拾取线圈在金属影响下的LCC/S拓扑，得到图9所示等效电路。图9中s1与s2分别代表拾取线圈的主线圈与抑制线圈的自感，s1s2为拾取线圈中主线圈与抑制线圈的互感，发射线圈与拾取线圈的互感psps1ps2拾取线圈与金属的互感sms1ms2m。建立Kirchhoff电压方程可得

图9 金属影响下带抑制MC-WPT系统等效电路

结合式（2）和式（6），可以分析抑制线圈对金属与拾取线圈之间的互感的抑制效果，遏制金属对线圈参数的影响。

为了分析抑制线圈的绕制方法对金属影响的抑制效果，采用层叠式绕制方式，对比分析不同的绕制方法对线圈参数的影响。以金属影响下等效内阻最小为原则，选择不同匝数时最合适的绕制方式。

表1 不同绕制方法时线圈等效内阻

Tab.1 coil resistance with different winding methods

图10 抑制线圈结构与参数变化趋势

从图10中可以看出，随着抑制线圈匝数的增加，在金属影响下，在5匝与7匝时分别达到内阻与自感的极小值，可见抑制线圈匝数适宜时可极大地抑制金属对线圈参数的影响。

图11 线圈匝数比与内阻在受金属影响下的变化趋势

图例中标记代表金属板的开窗半径，考虑到研究背景对开窗尺寸的限制，设计开窗半径仿真范围为50～150mm。分析图11可知，本模型中抑制线圈的最佳匝数比约在1/6～1/4之间。

3 耦合机构参数设计方法

从前文分析中得知，需要在主线圈外反向绕制抑制线圈来削弱经过金属的磁通，减小拾取线圈与其同平面金属的耦合，实现抑制金属对拾取线圈参数的影响，同时通过合理地选择传输距离，在尽可能保证发射与接收端互感较大的情况下减少拾取线圈平面的金属对发射线圈的影响，使得金属对MC-WPT系统传输性能的负面影响得到抑制。根据前文研究成果，可以得到从空间几何约束角度出发的带抑制线圈的磁耦合机构参数设计方法，其流程如图12所示。

图12 带抑制线圈的耦合机构参数设计流程

S1：首先由应用需求确定金属板的开窗半径与频率，再由确定利兹线的单股导线线径，然后由功率等级确定利兹线股数，得到发射线圈与拾取线圈利兹线的用线半径1和2。

S2：根据耦合机构几何关系给出带抑制的拾取线圈参数设计公式（7），然后按照应用需求与前文分析确定式中参数，得到带抑制拾取线圈的尺寸参数。

式中，1～4为可调参数，其中1为线圈内径与外径的比值，选取方法在后续线圈内径对品质因数的分析中给出。2=1-，为抑制线圈与主线圈匝数比值，由图11所示分析方法确定。确定抑制线圈匝数后，由表1所示方法分析得到最佳绕制方法。3为线圈与金属之间的间隙宽度，由绝缘要求与图3联合确定。4为主线圈与抑制线圈之间的空隙宽度，该空隙的设置是避免主线圈与抑制线圈在该区域的磁场叠加出现磁饱和而增加线圈内阻，空隙宽度按需确定，一般约为1～2匝线径宽度即可。

S4：先根据图2分析得到合适的传输距离。为得到发射线圈几何参数，需要分析线圈内径对品质因数的影响。在COMSOL平台搭建模型，仿真得到1对线圈参数的影响，如图13所示。

图13 线圈内径e1对品质因数Q的影响

图13为线圈内径取值对品质因数的影响，其中线圈外径1为定值100mm。从图中可以看出，随着线圈内径的增加，品质因数先增后减，存在极大值，但是在极值点周围的变化率缓慢。为实现用较短的导线达到较高值的目标，将最佳内径取值由极值点移动到值变化速率开始快速变化的位置，且该位置与值最大点相差不应大于10%，根据上述规律，找到最佳内径取值1约为40mm。同时为便于分析，也为增大线圈互感与品质因数，发射线圈外径1一般尽可能取最大值，即金属板的开窗半径，或者拾取线圈外径。因此本文选择内径取值为外径的2/5作为经验参数1的取值。

最后给出确定的耦合机构几何参数，包括带抑制的拾取线圈的几何参数与、传输距离、发射线圈的几何参数11。

4 实验验证

为验证金属对线圈的影响规律以及带抑制线圈的耦合机构及其参数设计方法的正确性与有效性，根据图4电路原理图及其参考文献中的系统参数设计方法与本文所提出的耦合机构设计方法，建立如图14所示实验装置。系统参数见表2，配谐均以无金属影响时的参数为准，其中MC-WPT参数设计以输出电压34V为目标，即8节4.2V锂电池串联时的电压，负载电阻参考文献[11]设置为9Ω。由于无抑制线圈与带抑制线圈的互感不同，在输出稳压34V时，两种线圈结构的输入电压分别为36V与59V。

图14 实验装置

表2 MC-WPT系统参数

Tab.2 System parameters of MC-WPT

为了贴合航天与AUV的实际情况，实验选用的金属板材质分别为7075铝合金与Q235铁合金，=150mm,=50mm,100mm，金属板厚度2mm。带抑制线圈和无抑制线圈的情况下，耦合机构参数见表3，其中无抑制线圈时，发射线圈和接收线圈尺寸相同，外径为99mm，内径为40mm，线圈匝数30匝。接收端带抑制的拾取线圈几何参数分别为99mm、93mm、90mm和40mm，主线圈匝数25匝，抑制线圈匝数为5匝，导线线径均为1.8mm。

实验测得逆变输出波形如图15所示，其中图15a、图15c、图15e与图15b、图15d、图15f分别为无抑制线圈与有抑制线圈时在无金属影响、Al合金影响与Fe合金影响下的逆变输出波形。图16为两种耦合机构的WPT系统在不同环境下的效率与功率直方图。

表3 耦合机构线圈参数

Tab.3 Coil parameters of coupler

图15 逆变输出波形

图16 系统效率与功率直方图

结合表3分析图15与图16，在无金属影响时，谐振阻抗小、互感大，在恒压输出时发射端的逆变电流幅值大。但是在金属板的影响下，无抑制线圈时参数受到影响使得系统输入阻抗增大，线圈互感的降低，综合导致逆变电流幅值显著降低，传输功率与效率显著降低。相较于无抑制线圈，有抑制线圈的耦合机构参数受到金属的影响小，在金属影响下效率基本不变，功率降低主要由互感的变化引起，适当地提升输入电压即可恢复功率。

关于金属对线圈参数的影响规律，为便于验证，选用柔韧性较好的焊锡丝在拾取线圈外缠绕模拟图3中金属厚度的增加，测得数据见表4。

表4 不同金属宽度下耦合机构线圈参数

Tab.4 Coil parameters in different metal widths

表4中实测的数据与图3中仿真参数变化趋势相吻合，且从表4中可以看出带抑制线圈的耦合机构在金属影响下的参数稳定性远大于无抑制线圈。

5 结论

本文研究了磁耦合机构中与拾取线圈同一平面的金属对MC-WPT系统的影响，在有限元仿真软件COMSOL中建立模型，仿真分析并给出了不同材料、尺寸、位置的金属对线圈内阻、自感、互感及MC-WPT系统的影响规律，采用理论分析与实验证明了该规律的正确性。在上述规律的基础上提出了一种带抑制线圈的耦合机构，可有效降低线圈平面的金属对耦合机构参数以及MC-WPT系统的影响；在COMSOL仿真平台与理论推导中分别建立了带抑制线圈的耦合机构模型与带抑制的MC-WPT系统模型对所提耦合机构进行分析，并在此基础之上给出了带抑制线圈的耦合机构参数设计方法；搭建了实验装置对所提耦合机构的抑制效果及其参数设计方法进行了验证，实验结果表明，在Q235铁合金影响下带抑制线圈的耦合机构的拾取线圈内阻仅增加了0.15Ω，而无抑制线圈的耦合机构其拾取线圈内阻则增加了3.30Ω，在金属影响下带抑制线圈的MC-WPT系统效率比无抑制线圈时提高了26%，可见带抑制线圈的耦合机构大大降低了金属对耦合机构参数的影响，特别是对线圈内阻的影响，可有效提高系统的传输性能。本文的研究成果对磁耦合无线电能传输在航天器、AUV等金属外壳设备的应用具有指导作用。

[1] 杨庆新, 章鹏程, 祝丽花, 等. 无线电能传输技术的关键基础与技术瓶颈问题[J]. 电工技术学报, 2015, 30(5): 1-8.

Yang Qingxin, Zhang Pengcheng, Zhu Lihua, et al. Key fundamental problems and technical bottlenecks of the wireless power transmission technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(5): 1-8.

[2] 苏玉刚, 吴学颖, 赵鱼名, 等. 互补对称式LCC谐振网络的电场耦合式无线电能传输系统参数优化[J].电工技术学报, 2019, 34(14):2874-2883.

Su Yugang, Wu Xueying, Zhao Yuming, et al. Parameter optimization of electric-field coupled wireless power transfer system with complementary symmetric LCC resonant network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 2874-2883.

[3] 苏玉刚, 谢诗云, 王智慧, 等. 基于F-F/T变结构谐振网络的恒压-恒流型电场耦合电能传输系统[J]. 电工技术学报, 2019, 34(6):1127-1136.

Su Yugang, Xie Shiyun, Wang Zhihui, et al. An electric-field coupled power transfer system with constant voltage and constant current output based on F-F/T changeable resonant circuit[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(6):1127-1136.

[4] Su Yugang, Zhao Yuming, Patrick H A, et al. An F-type compensated capacitive power transfer system allowing for sudden change of pick-up[J]. IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics, 2019, 7(2): 1084-1093.

[5] Su Yugang, Chen Long, Wu Xueying, et al. Load and mutual inductance identification from the primary side of inductive power transfer system with parallel-tuned secondary power pickup[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(11): 9952-9962.

[6] 孙跃, 廖志娟, 叶兆虹, 等. 基于振动理论的MCR-WPT系统频率分裂特性研究[J]. 电工技术学报, 2018, 33(13): 3140-3148.

Sun Yue, Liao Zhijuan, Ye Zhaohong, et al. Research on frequency splitting characteristic of MCR-WPT systems based on vibration theory[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 3140-3148.

[7] Liao Zhijuan, Sun Yue, Ye Zhaohong, et al. Resonant analysis of magnetic coupling wireless power transfer systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(6): 5513-5523.

[8] 张波, 疏许健, 黄润鸿. 感应和谐振无线电能传输技术的发展[J]. 电工技术学报, 2017, 32(18): 3-17.

Zhang Bo, Shu Xujian, Huang Runhong. The development of inductive and resonant wireless power transfer technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(18): 3-17.

[9] 周念成, 梁清泉, 王强钢, 等. 基于SS型磁耦合谐振无线电能传输频带序列划分[J]. 电力系统保护与控制, 2020, 48(12): 1-12.

Zhou Niancheng, Liang Qingquan, Wang Qiangang, et al. Frequency band sequence allocation of magnetically coupled resonant wireless power transmission systems based on SS type[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(12): 1-12.

[10] 焦宇峰, 李锐杰, 宋国兵, 等. 磁耦合谐振无线传输系统传输特性的研究及优化[J]. 电工技术学报, 2020, 48(9): 112-120.

Jiao Yufeng, Li Ruijie, Song Guobing, et al. Research and optimization of transmission characteristics of magnetically coupled resonant wireless transmission system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 48(9): 112-120.

[11] 刘治钢, 朱立颖, 张晓峰. 应用 WPT 的航天器可维修供配电系统设计[J]. 电源技术, 2019, 43(7): 1191-1193, 1222.

Liu Zhigang, Zhu Liying, Zhang Xiaofeng, et al. Design of repairable power supply and distribution system for spacecraft by using WPT technology[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2019, 43(7): 1191-1193, 1222.

[12] 吴旭升, 孙盼, 杨深钦, 等. 水下无线电能传输技术及应用研究综述[J]. 电工技术学报, 2019, 34(8): 1559-1568.

Wu Xusheng, Sun Pan, Yang Shenqin, et al. Review on underwater wireless power transfer technology and its application[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(8): 1559-1568.

[13] 王乃健, 李长生, 曹娟, 等. 金属铝管影响下磁共振耦合线圈特性参数变化[J]. 火力与指挥控制, 2019, 44(1): 23-28, 33.

Wang Naijian, Li Changsheng, Cao Juan, et al. Characteristic parameters of magnetic resonance coupling coil under influence of aluminium tube[J]. Fire Control & Command Control, 2019, 44 (1): 23-28, 33.

[14] 闫孝姮, 李洪蕾, 陈伟华, 等. 金属环境对谐振式无线电能传输系统的影响分析[J]. 测控技术, 2017, 36(12): 136-141.

Yan Xiaoheng, Li Honglei, Chen Weihua, et al. Effect analysis of metal environment on magnetic resonant wireless power transmission system[J]. Measurement & Control Technology, 2017, 36(12): 136-141.

[15] 马中原, 廖承林, 王丽芳. 金属异物对电动汽车无线充电系统影响分析[J]. 电工电能新技术, 2017, 36(2):14-20.

Ma Zhongyuan, Liao Chenglin, Wang Lifang. Analysis of metal foreign object setting on electric vehicle wireless power transfer system[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2017, 36(2): 14-20.

[16] Kevin D’hoe, Anneleen Van Nieuwenhuyse. A new low-cost HF RFID loop antenna concept for metallic environments[C]//16th Internationl Systems, Signals and Image Procesing, Chalkida, 2009, DOI:10.1109/ IWSSIP.2009.5367785.

[17] Wang-Sang Lee, Wang-Ik Son. Close proximity effects of metallic environments on the antiparallel resonant coil for near-field powering[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61(6): 3400-3403.

[18] 赵志斌, 孙跃, 苏玉刚. ICPT系统原边恒压控制及参数遗传优化[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(15):170-176.

Zhao Zhibin, Sun Yue, Su Yugang, et al. Primary side constant input voltage control and parameters optimization of ICPT systems by genetic algorithm[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(15): 170-176.

[19] 梁阗. 基于LCC/S补偿拓扑的感应耦合无线电能传输系统研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2017.

[20] Li Xiaodong, Bhat A K S. Analysis and design of high-frequency isolated dual-bridge series resonant DC/DC converter[J]. IEEE transactions on Power Electronics, 2010, 25(4): 850-862.

Influence Analysis of Metal in the Same Plane with Pickup Coil on Magnetic Coupler and Suppression Method

Su Yugang1,2Liu Jiaming2Wang Zhihui2Dai Xin2Yang Jian2

（1. Key Laboratory of Complex System Safety and Control Ministry of Education Chongqing University Chongqing 400044 China 2. College of Automation Chongqing University Chongqing 400044 China）

Aiming at the eddy current loss and system detuning caused by the metal on the pickup coil plane in the magnetic coupler of MC-WPT system, disciplines that describe the influences on coupler parameters and MC-WPT system caused by different material, size and position of metal are given. Metal influences on coupler parameters and MC-WPT system are analyzed by modeling and simulation. A kind of magnetic coupler based on the influence disciplines that actively suppresses the influence caused by metal in the same plane with pickup coil is proposed, and its parameter design method is given. Finally, simulation and experiment results verify the correctness and effectiveness of the proposed coupler and its parameter design method.

Wireless power transfer, magnetic field coupling, metal influence, coupler

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201542

TM724

国家自然科学基金资助项目（51777022）。

2020-11-21

2021-04-09

苏玉刚 男，1962年生，博士，教授，研究方向为无线电能传输技术，电力电子技术、控制理论应用与自动化系统集成。E-mail：su7558@qq.com（通信作者）

刘家鸣 男，1997年生，硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术与电力电子技术。E-mail：979733940@qq.com

（编辑 郭丽军）