磁耦合谐振式无线电能传输系统四线圈结构研究.pdf

工矿自动化 In d u s t ryan d Mi n eAu t o mat i o n 第45卷第5期 2019年5月 Vo l . 45 No . 5 May 2019 文章编号1671-251X201905-0073-06 DOI10. 13272/j . i ssn . 1671-251. 17385 磁耦合谐振式无线电能传输系统四线圈结构研究 冯柳，赫佳峦 中国矿业大学北京机电与信息工程学院％北京100083 扫码移动阅读 摘要针对传统的四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统的四线圈位置相对固定、不得随意改变，从而 导致使用局限性的问题,提出了 一种新型的四线圈结构电源线圈、负载线圈分别与集总电容相连接，形成电 源谐振回路和负载谐振回路，电源线圈可与发射线圈产生磁谐振，负载线圈可与接收线圈产生磁谐振，同时 可以改变4个线圈的相对位置，适当调整4个线圈之间距离。该结构不仅可增加无线电能的传输距离，还可 改善频率分裂，使系统输出功率和传输效率最大。仿真与实验分析了 4个线圈之间的不同耦合系数组合对 系统传输效率和输出功率的影响，结果表明，电源线圈与发射线圈之间的耦合系数越大，系统的传输效率越 高，随着耦合系数的增大，传输效率先增大后减小；输出功率和传输效率随着负载线圈和接收线圈之间的传 输距离的增加而明显减小，针对不同的传输距离，调整负载线圈和接收线圈之间的距离，可使系统获得同一 负载下的最大传输效率及输出功率 关键词磁耦合谐振式无线电能传输；四线圈结构；耦合系数；频率分裂；传输效率；输出功率 中图分类号TD60 文献标志码A Researc h o n f o u r-c o i l st ru c t u reo f mag n et i c alyc o u pl ed res o n an t wi rel es spo wert ran smi s si o n sys t em FENG Li u , HE Ji al u an Sc h o o l o f Mec h an i c al El ec t ro n i c an d In f o rmat i o n En g i n eeri n g , Ch i n a Un i versi t y o f Mi n i n g an d Tec h n o l o g y Bei j i n g , Bei j i n g 100083, Ch i n a Abstract Fo r t h e po si t i o n o f f o u r c o i l s o f t rad i t i o n al f o u r-c o i l mag n et i c al l y c o u pl ed reso n an t wi rel ess po wer t ran smi ssi o n syst em i s rel at i vel y f i xed an d c an n o t be c h an g ed at wi l l , wh i c h l ead s t o l i mi t at i o n o f i t s u se, a n ew f o u r-c o i st ru c t u re was pro po sedpo werc o i an d 7o ad c o i arec o n n ec t ed wi t h t h e7u mped c apac i t o r separat e7y t o f o rm po wer reso n an t c i rc u i t an d 7o ad reso n an t c i rc u i t , t h e po wer c o i c an pro d u c e mag n et i c reso n an c e wi t h t ran s miti n g c o i ,t h e7o ad c o i c an pro d u c e mag n et i c reso n an c e wi t h rec ei vi n g c o i .At t h es amet i me,t h ere7at i vepo s i t i o n o f t h ef o u rc o i s c an bec h an g ed ,t h ed i s t an c ebet ween t h ef o u r c o i sc an bead j u st ed appro pri at e7y,wh i c h n o t o n 7yc an i n c reaset ran smi ssi o n d i st an c eo f wi re7esse7ec t ri c en erg y, bu t al so c an i mpro ve f req u en c y spl i t t i n g , so as t o maxi mi ze o u t pu t po wer an d t ran smi ssi o n efi c i en c y o f ,h e sys,em. Th e efec ,s o f d i feren , c o u pl i n g c o efi c i en ,s be,ween ,h e f o u r c o i l s o n t ran smi ssi o n e fi c i en c y an d o u t pu t po wer o f t h e syst em were an al yzed by si mu l at i o n an d experi men t . Th e res u l t s s h o wt h at t h el arg ert h ec o u pl i n g c o efi c i en t bet ween t h epo werc o i l an d t h et ran smiti n g c o i l i s ,t h e h i g h er t h e t ran smi ssi o n e fi c i en c y o f t h e syst em wil be, wi t h t h e i n c rease o f t h e c o u pl i n g c o e fi c i en t , t h e t ran smi ssi o n e fi c i en c y i n c reases f i rst an d t h en d ec reases. Th e o u t pu t po wer an d t ran smi ssi o n e fi c i en c y d ec reaseo bvi o u sl ywi t h t h ei n c reaseo f t h et ran smi ssi o n d i st an c ebet ween t h el o ad c o i l an d t h erec ei vi n g 收稿日期收稿日期2018-12-20;修回日期修回日期20190223责任编辑张强责任编辑张强。 基金项目基金项目国家重点研发计划专项资助项目“016YFC0801804国家自然科学基金资助项目51674269。 作者简介作者简介冯柳1981-，女，，女，江西景德镇人，博士研究生，主要研究方向为无线电能传输,E-mai lf en g yayal i u 126. c o m。 引用格式引用格式冯柳，赫佳峦磁耦合谐振式无线电能传输系统四线圈结构研究工矿自动化，2019,4557378. FENG Li u, HE Ji al u an . Res earc h o n f o u r-c o i l st ru c t u re o f mag n et i c al l y c o u pl ed reso n an t wi rel ess po wer t ran s mi ss i o n sys t em］〕］. In d u t ryan d Mi n eAu t o mat i o n 2019 45 573-78. ・74・工矿自动化2019年第45卷 c o i l . Fo r d i f f eren t t ran smi ssi o n d i st an c es, ad j u st i n g t h e d i st an c e bet ween t h e l o ad c o i l an d t h e rec ei vi n g c o i l en abl es t h e syst em t o o bt ai n t h e maxi mu m t ran smi ssi o n ef f i c i en c y an d o u t pu t po wer u n d er t h e same l o ad . Key words mag n et i c al l y c o u pl ed reso n an t wi rel ess po wer t ran smi ssi o n; f o u r-c o i l st ru c t u re; c o u pl i n g c o ef f i c i en t; f req u en c y spl i t t i n g ; t ran smi ssi o n ef f i c i en c y; o u t pu t po wer 0引言引言 无线电能传输是借助于电磁场或电磁波进行能 量传递的一种技术。根据传输机理的不同，无线电 能传输可以分为电磁辐射式「1-、电场耦合式⑵和磁 场耦合式「3-3种，目前,磁耦合共振无线电能传输越 来越受到人们的重视。尤其是在2006年美国麻省 理工学院提出了磁耦合共振无线电能传输技术⑷， 从而使得中等距离无线电能传输技术取得了巨大成 就，将无线电能传输技术提升到了一个新的高度，引 起了研究人员的普遍关注「5-。 对于煤矿井下而言，有导线的直接供电方式容 易因为导电绝缘的损坏或老化等导致火灾等情况的 发生，而且煤矿井下有甲烷等易燃易爆气体,遇火容 易发生爆炸，严重威胁到井下人员的安全。无线电 能传输系统借助电磁场或电磁波进行电能传输，使 煤矿井下的工作环境更为安全。而且无线电能传输 系统的研究成果和技术的提高对保障矿井安全监控 系统的长时间正常工作，保证井下人员在灾难发生 时及时被救援具有重要的意义和作用。 磁耦合谐振式无线电能传输系统主要包含两线 圈及四线圈2种模型。两线圈模型的结构相对简 单，只有2个谐振回路发射线圈和接收 线圈距离相对较远，为远距耦合。四线圈磁耦合谐 振式无线电能传输系统工作原理电源线圈在高频 作用 产生 变 磁 发射 圈 和电源线圈发生谐振，能量从电源线圈传输到发射线 圈，产生转移，由于4个线圈具有相同的谐振频率，所 以，能量最终传递给负载线圈，输出给负载供电凹- 电源线圈 发射线圈 接收线圈 负载线圈 高频交流电源 图1四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统结构 Fi g .1 St ru c t u reo f mag n et i c alyc o u pl ed reso n an t wi rel ess po wer t ran smi ssi o n syst em based o n f o u r c o i l s 2系统模型建立与理论分析系统模型建立与理论分析 2. 1 系统传输模型 磁耦合谐振式无线电能传输系统通常有3种分 析方法一种是通过耦合模理论「10「11-建立模型分 2019年第5期冯柳等磁耦合谐振式无线电能传输系统四线圈结构研究・75・ 析，另一种是通过二端口网络「12「13-建立模型分析, 最后一种是通过电路理论建立模型分析。但通过耦 合模理论和二端口网络建模分析不能直观地看出系 统各参数对系统传输效率和输出功率的影响，所以, 本文采用电路理论「⑷建模对磁耦合谐振式无线电 能传输系统进行分析。 根据图1建立如图2所示的系统等效电路。 图2四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路 Fi g .2 Eq u i val en t c i rc u i t o f mag n et i c alyc o u pl ed reo n an t wi rel ess po wer t ran smi ssi o n syst em based o n f o u r c o i l s 图 2 中，R]、R、R3、R4 和 L1、L2、L3、L4 分别为 电源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的损耗电 阻和电感爲为第Z个和第J个线圈之间的耦合系数, / 1,2,3,4。 电源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈同时 谐振，也就是说，系统发生全谐振时，可以得到最佳 的系统性能。为了获得系统全谐振状态，可设置如 下谐振参数E1 E,G C2 C3 C4 C, 1 2 3 4 。另外，与相邻耦合系 数.12，.23，.34相比，父叉耦合系数.13，.14，.24比较 小，可忽略不计。 2. 2 系统传输效率及输出功率的分析 对于无线电能传输系统的输出功率和传输效 率，根据等效电路可以列出基尔霍夫电压定律 KVL方程 Z1i 12「2 ，S 乙2 ]OjM12 1 23 I3 0 ,. . . 1 Z33 ]034 4 23 2 0 、乙4 j,34 3 0 式中乙为第Z个谐振回路中的阻抗，为角频率; M“为第“个和第％个线圈之间的互感。 乙的计算公式为 L1 Rs R j ,L j ⑴ oC 2 乙R j oL j ⑴ oC 3 L3 R j oLj ⑴ o 4 乙Rl R4 j oLj ⑴ o 5 通过式1可求出 1 乙乙 L3 o223 o224 乙 6 4 j o3 34 23 12 2 L3L4 o2f4 .4 o2 23 34 7 3 乙 8 . j o34 . _______________________________________ j ,3122334,_____________________ 4 乙乙乙乙川胚4乙乙乙川|224 胚彳乙乙 当四线圈产生谐振时，可以得出输出功率Pout为 _____________________________________/ 12 23 34，，S________________________________________\ 2 r n rrRRlRRs ,2Mf4RRsR,2M12RRRl ,4M12MI4 ,2i3 RRlRRs L_ ，.12 .23 .34 ，，S R2 RRl RRs ,2f4 RRsR,2.12L2RRRl ,4.12I4L2 ,2.23L2 RRl RRs 10 根据输出功率Pout和输入功率Pi n，可以求得 传输效率“为 P outI4|2Rl “Pin I 1 12 Rs R | 2 Rl I2R o ilE l 4l2RRl Rlo6I413I2Rlo6.|.23 .22 r. 12 f 〕2f 〕2 XX ⑴RsRRRRRl O OUT n | 4 I 2Rl n 11 ・76・ 工矿自动化2019年第45卷 X [OKl E2 ,2胚3 EEs [EElE ,2|4-2,22e EKL2,4M22M“3 EEL,6⑷“32 n [EEl E2 ,.2i2 ,2k22Rj x EES [EElEj/k22-2ou2 k12L2R ERL2,4k12k2iL4 ERl j6k|k2|k12L6 12 公式中耦合系数用k M/LL M/L计 算，互感用 M“9*oBrN4/2 B2 b 1 3/2 近 似计算，*0为真空磁导率BB为第“个和第％个 圈 4为第“个和第％个线圈 数, I为第“个和第％个线圈的间距。 3仿真分析与实验验证仿真分析与实验验证 3.1 传输效率和输出功率的表达式比较复杂， 直接求 大 不 ，并且很难反映出传 输效率和输 率 圈 数发生变 J规 律。所以, 他 数不变的情况下，利用 Mat l ab函数绘图进行 分析，可以清楚直观地得 到传输效率和输出功率随耦合系数k12、k23和k|4的 变 律。 传输效率“随耦合系数h和k2|的变化关系如 图3所示。由图3可看出，随着k12 大，传输效 率也 ， 圈与发射线圈 距离越小越 ；随着k2| 大，传输效率 大后减小，并且具 有一个最佳的k23使传输效率最咼，然而，k23在大于 0.8的范围内，传输效率变化不明显，变化曲线基本 保持不变。所以，对于四线圈磁 式 扌电 传输 ， 数k12和k2|匹 对提 传输效率有很大的作用。 图3传输效率乃随耦合系数乩和k23的变化关系 Fi g .3 Rel at i o n sh i pbet ween c h an g eo Tt ran s mi s si o n ef f i c i en c y / wi t h c o u pl i n g c o ef f i c i en t k12 an d k23 传输效率“ 数孔和k4变 療如 图4所示，从图4 看出，随着k12的增大，传输效 率 ；随着k|4的增大，传输效率先逐渐增大，后减 小，所以，存在一个最佳的耦合系数k4使系统传输 效率最高。 图4传输效率乃 数几和k4的变系 Fi g .4 Rel at i o n sh i pbet ween c h an g eo Tt ran smi ssi o n ef f i c i en c y / wi t h c o u pl i n g c o ef f i c i en t k12 an d k34 由图3和图4 看出，电源线圈与发射线圈 数k12大 ，2 圈 距离 越小越好。所以，可以将这2个线圈绕制成一个双 圈以减小距离，增大 数。 发射线圈与 圈 距离I为 效传输距离，在 际应用环境中 不变的。 输出功率Pout随耦合系数k和k2的变化关 系如图5所示。从图5可以看出，输出功率随着k2| 大 大 逐渐减小 k34 大 大 再迅速减小。 图5输出功率Pout随耦合系数k＞和k23的变化关系 Fi g . 5 Rel at i o n sh i p bet ween c h an g e o f o u t pu t po wer PoUt wi t h c o u pl i n g c o ef f i c i en t k34 an d k23 3. 2 实验验证 为 分析 输 率和传输效率 变 变 律，设计制作了一套四线圈磁 式 传输 ， 前述仿真分析 -设计 平台主 频信号发生 器、矢量分析仪、频谱分析仪、阻抗分析仪、功率放大 器、示波器等。高频信号发生器输出4. 26 MHz正 波，输出信号 率放大器 圈。频 谱分析仪用来解析发射端和 信号，阻抗分析 仪用 量线圈 和电感，负载线圈 50 / 标准负载电阻， 波器观察标准负载电阻上 2019年第5期冯柳等磁耦合谐振式无线电能传输系统四线圈结构研究・・77・ ・ 的电压波形。矢量分析仪用来测量系统的的电压波形。矢量分析仪用来测量系统的S参数,参数, 进而得到到系统传输效率。率。 , , 工作频率率和负载电阻不变的情电阻不变的情 况下，保持 圈与负载线圈 距距I34大小小为定 值，改变 圈与发射线值，改变 圈与发射线圈 距距I12，得到传，得到传输 效率在不同传率在不同传输距离 变距离 变化趋势，根 数据数据 制传输效率与I12 ，如图6所示。由图6可 以看出，随着以看出，随着I12的增大，传输效率逐渐变小，即随着的增大，传输效率逐渐变小，即随着 圈与发射线圈 数圈与发射线圈 数.12 大，传大，传 输效率率逐渐增大，这与前面大，这与前面仿真模型得到到的结果一一 所以， ， 圈与发射线圈 数数.12 大 ，也 距离越小 。距离越小 。所 以，将这以，将这2 圈绕制成一个双线圈可以减小线圈圈绕制成一个双线圈可以减小线圈 距离，增大 传距离，增大 传输效率。率。 Fi g .6 Rel at i o n sh i pbet ween t ran smi ssi o n efi c i en c y/ an dI12 at d iferen t t ran smi ss i o n d i s t an c es 圈 发射 射 圈 成一 圈 ， ， 源线圈与源线圈与发射线射线圈 距离距离保持不变。同不变。同样保持 工作频率率和负载电阻不变不变，改变 圈与 负载线载线圈 距距I34的大小，得到输出功率在不同传的大小，得到输出功率在不同传 输距离下的变输距离下的变化趋势，根据实验数 制输 率，根据实验数 制输 率 Pout与I4的关系及传输效率“与I4的关系，如 图7和图8所示。 。 Fi g .7 Rel at i o n sh i p bet ween o u t pu t po werPOUT an dI34 at d iferen t t ran smi ssi o n d i st an c es 图8不同传输距离下的传输效率/与14的关系 Fi g .8 Rel at i o n sh i pbet ween t ran smi ss i o n efi c i en c y/an d I34 at d iferen t t ran smi ss i o n d i s t an c es 从图从图7可看出，输出功率随着传输距离的增大可看出，输出功率随着传输距离的增大 而明显减小。显减小。输 率 率 I4 大 大后减大后减 小。小。根 圈 特性,传传输距距离越远捕 数捕 数 小，也 小，也 输 率 数率 数.34 大,大, 也 也 大 减小 前面减小 前面仿真 型分析结果一 从图8 看出，传输效率 传率 传输距离 距离 I 大而减小。从能量损减小。从能量损耗的角度 理解这的角度 理解这 象， ， 频率在距离增率在距离增大 会 会 一 定幅度 度 ，从而使使发射线射线圈产生一定的功率损功率损 耗， ， 圈本本身存 存 阻 损损耗电阻，这2个 部分会使会使得 损失损失一部分输 率，从率，从而降低传低传 输效率「15-。 。 图8 看出，随着I34 大，传，传输效率先增大后减小，即传效率先增大后减小，即传输效率随着效率随着 数数.23 大,先增大后减小，与前面大,先增大后减小，与前面仿真理论理论分析 综上所述,在四线圈磁耦合谐振式无线电能传综上所述,在四线圈磁耦合谐振式无线电能传 输 中，当传输距离为输 中，当传输距离为12 c m时，负载线圈和 时，负载线圈和 圈 距离为距离为10 c m， ，得到的到的输 率最大。率最大。 对 传对 传输效率约率约为0.7, ,表表明该距离下的耦该距离下的耦 数数.34使 使 得到最佳的传到最佳的传输效率，同时负率，同时负载 获得最得最大输出功率。当传输距离输出功率。当传输距离为22 c m时，负时，负 载线圈和 圈 距离距离为14 c m, ,得到的输 率最大，此时对 传输效率约为率最大，此时对 传输效率约为0.6,表明该表明该 距离 数距离 数.34使 使 得到最到最佳的传的传输效 率率，同时负载可获得最大输 率。率。当传输距离距离为 32 c m时，负载线圈和接收线圈 距离为 15 c m,得到的输出功率最大，此时对应的传输效率得到的输出功率最大，此时对应的传输效率 约为约为0.4,表表明该距离 数该距离 数.34使 使 得 到最佳的传传输效率率，同时负载可获得最大输 率。率。 ， 变， 变负载 圈和 圈 距离，使四线距离，使四线圈 传传输 获得在不同传得在不同传 输距离距离、同一负载 优 。优 。 结果可知, , 圈与发射线圈之间的 数越大 ，最大程度地减小数越大 ，最大程度地减小2 圈 〕圈 〕 -78 - 工矿自动化2019年第45卷 的距离，增大其耦合系数，可以极大地提高四线圈磁 耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率。同时针 对不同的传输距离，调整负载线圈和接收线圈之间 的距离，可以使系统获得同一负载下的耦合系数的 最佳组合，从而得到最大的传输效率及输出功率。 4结论结论 1 用等效电路理论，推导出耦合系数与输出 功率、传输效率的关系式，研究了各线圈之间的耦合 系数对系统输出功率和传输效率的影响。 2 分析了电源线圈与发射线圈之间的距离与 传输效率、输出功率之间的关系，得到电源线圈与发 射线圈之间的距离越小越好的结论，即它们之间的 耦合系数越大越好，这2个线圈之间的距离越小，系 统的传输效率越高。 3 由于传输距离一般是固定不变的，负载线 圈和 圈 数 距离 增大而先增大后减小，通过改变负载线圈和接收线 圈之间的距离，可以得到一个最佳的耦合系数，使系 得到 一负载 大传输效率 输 率， 在传输距离不变时，存在最佳耦合系数的组合，该组 合可以最大化系统的传输效率和输出功率。 参考文献References [1] 田子建，林越，王文清，等.MIT无线输电系统电磁辐 射特性研究[J].工矿自动化，2015,4345964. 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