线圈偏移角度对无线电能传输特性的影响.pdf

第 44卷 第 “ 期 2018年 6 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 6 Jun. 2018 文章编号文章编号671-251X201806-0031-05 D O I 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018030093 线 圏 徧 移 角 度 对 无 线 电 能 传 输 特 性 的 影 响 康会峰 北华航天工业学院机电工程学院， 河 北 廊 坊北华航天工业学院机电工程学院， 河 北 廊 坊 065000 摘要摘要根据两线圈磁耦合谐振式无线电能传输模型，推导了磁耦合谐振式无线电能传输效率与线圈偏移 角度、 传输距离之间的关系公式， 研究了传输距离和偏移角度对传输效率的影响， 得出了如下结论 随着传输 距离的增大， 偏移角度对无线电能传输效率的影响越来越小； 偏移角度较小时， 其对传输效率的影响不大； 偏 移 角 度 大 于75时，随着偏移角度的增大，传输效率急剧下降；；随着传输距离的增大，无线电能传输效率下降 趋势越来越平缓。。Matlab仿真和实验验证了理论分析的正确性。。 关键词关键词磁耦合谐振式无线电能传输偏 移 角 度传输距离传输效率 中图分类号中图分类号 TD60 文献标志码文献标志码 A 网络出版地址网络出版地址Ittp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180517. 1648. 002. html Influence of offset angle of coil on wireless power transmission characteristics K A N G Huifeng School of Mechanical and Electrical Engineering, North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065000, China Abstract ulas of relation between magnetic coupling resonant wireless power transmission efficiency and offset angle of coil and transmission distance were derived according to magnetic coupled resonant wireless power transmission model with two coils. Effect of transmission distance and offset angle on transmission efficiency were studied, and conclusions were obtained as follows as transmission distance increases, impact of offset angle on wireless transmission efficiency becomes smaller and smaller; When offset angle is small, its effect on transmission efficiency is not significant; when offset angle is greater than 75〇 , the transmission efficiency decreases sharply with increase of offset angle; as the transmission distance increases, decreasing trend of wireless power transmission efficiency is more and more gentle. Correctness of theoretical analysis was verified by Matlab simulation and experiment. Key words magnetic coupled resonant wireless power transmission ；； offset angle; transmission distance; transmission efficiency 〇 引言〇 引言 无线电能传输技术以电场、 磁场等软介质为媒 介 实 现 能 量 传 输 ， 使 电 源 和 用 电 器 之 间 完 全 隔 离[13]， 避 免 了 利 用 物理导线传输电能的弊端， 是 一种相对安全有效的电能传输方式。与传统的电磁 、 无线电能传输 ， 无 线电能传输方式具有传输功率大、 不受障碍物影响、 传输距离远、 电磁辐射小等优点， 能够应用在多个领 域[46]， 因此， 成为了无线输电方向的研究热点。 收 稿 日 期2018-03-30 ;修 回 日 期 2018-04-16 ;责 任 编 辑 胡娴。 基 金 项 目 河北省科技计划项目（ 17247673D ;河北省教育厅重点项目（ ZD2016115 ;北华航天工业学院重点项目（ DZ201701。 作 者 简 介康会峰“ 980 男，河北行唐人，副教授，硕士研究生导师，研究方向为机械电子、检测技术等，E-mail 121514042qq. com。 引 用 格 式康会峰. 线圈偏移角度对无线电能传输特性的影响） ].工矿自动化，2018,446 l - 35. K A N G Huifeng. Influence of offset angle of coil on wireless power transmission characteristics[J]. Industry and Mine Automation， 2018， 44 6 31-35. 32 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 磁耦合谐振式无线电能传输主要依靠具有相同 谐振频率的线圈进行能量传输， 为了提高传输功率、 传输效率、 传输距离等， 国内外学者进行了大量的理 论与实验研究。目前针对磁耦合谐振式无线电能传 输技术的研究主要是针对平行线圈结构进行的， 但 是在煤矿井下等特殊应用环境中， 偏移角度不可避 免 ， 因此有必要研究其对磁耦合谐振式无线电能传 输特性的影响。文献）]针对线圈偏移角度是否会 对传输效率产生影响进行了研究， 并提出过耦合、 临 界耦合以及欠耦合3 种状态下的方向性问题。文 献[8]针对不同的偏移情况， 提出一种计算互感值的 明确方法， 但没有讨论偏移对传输特性的影响。文 献[9]针对磁耦合谐振式无线电能传输的应用现状 和发展动态进行了分析， 介绍了该领域亟待解决的 问题， 对理论模型、 电磁环境、 技术标准及应用瓶颈 等问题进行了阐述。文献[10]根据任意空间位置的 空心线圈的耦合因数与方向之间的关系就方向对耦 合因数的影响进行了分析， 提出了系统在临界耦合、 欠耦合以及过耦合3 种耦合状态的方向特性。文 献[11]提出了一种新的耦合谐振式无线电能传输的 分析模型， 使得在利用有限元法分析输出电压和传 输效率的时候包括横向偏移。 本文推导了磁耦合谐振式无线电能传输效率与 线圈偏移角度、 传输距离之间的关系公式， 就偏移角 度对 无 线 电 能 传 输 特 性 的 影 响 行 Matlab仿真分析， 得到了传输效率随着偏移角度、 传输距离变化的规律。 1磁耦合谐振式无线电能传输系统磁耦合谐振式无线电能传输系统 磁耦合谐振式无线电能传输的原理 通过发射 线圈将高频电源的能量发射出去， 通过磁场谐振的 方式传输至接收线圈， 最后从接收线圈传递至负载。 两 线 圈 磁 耦 合 谐 振 式 无 线 电 能 传 输 模 型 如 图 1 所示。 图1两线圈磁耦合谐振式无线电能传输模型 Fig. 1 Magnetic coupling resonant wireless power transmission model with two coils 图 1 中， A C 为高频交流电源， 队 为 交 流 电 源 电压； C1 为电源内阻； R， R3 分别为发射线圈和接 收线圈的辐射电阻与欧姆损耗电阻之和； L1， C1 分 别为发射线圈的电感值和补偿电容； L， C 分别为 接收线圈的电感值和补偿电容； R 为 系 统 负 载 ； M 为发射线圈和接收线圈的互感。I1， I 分别为发 射线圈和接收线圈中的电流。根 据 K V L 定律可得 r1 R 2 ]c〇 L 1 r3 R 4 j j coC j coC 一 j M 一 j M I 1 s 0 1 中 o 为角 。 求解式（ 1可得到 I1，2 I __________3 4 尨 3 s___________ R1 R 2 2R3 R 4 3 〇 M2 ________________j 〇 M U s________________ R1 R2 2R3 R4 3 〇 M 2 “2 式中Z \2 j〇 L 厂 ； “3 〇 a 为电导率； a 为 线 径 e。 为介电常 数 为 光 速 A 为线圈宽度。 在高频情况下， R 0 R H 因此， 分析时只考虑 欧姆损耗电阻0。 2线圈偏移角度与互感之间的关系线圈偏移角度与互感之间的关系 磁耦合谐振式无线电能传输主要靠线圈间的互 感进行能量传递， 因此， 互感对其特性具有直接影 响。通过研究线圈偏移角度对线圈间互感的影响， 得 出 对 无 线 电 能 传 输 特 性 的 影 响。存在偏移角度的线圈模型如图2 所 示 ， 其 中 2 0 1 8 年 第 6 期康 会 峰 线 圈 偏 移 角 度 对 无 线 电 能 传 输 特 性 的 影 响 33 Fig. 3 Effect curve of offset angle and transmission distance on transmission efficiency 分析图 3 可知， 随着传输距离的增大， 磁耦合谐 振式无线电能传输 逐 渐 降 低 ， 传输距离达到 0.2 m 后 ， 传输效率下降速度开始增大。随着偏移 角度的增大， 传输 逐 渐 降 低 。偏移角度 二 75时 ， 其对传输效率的影响比较小； 偏移角度大于 ;5时， 随着偏移角度的增大， 传输 ； 偏 移角度达到90时 ， 传 输 距 离 为 0， 为两线圈 垂直时， 线圈间的磁通为0 ,互 感 为 0。从 图 3 可以 ， 随着传输距离的增大， 偏移角度对传输 的 影响逐渐 ， 即传输距离 ， 偏移角度对传输效 率的影响越小。 3.2 不同传输距离时偏移角度对传输效率的影响 设传输距离为0. 05 0 1，0. 2 0 3 0 4 m，利用 Matlab仿真得到偏移角度对传输效率的影响曲线， 如 图 4 所示。 0 15 30 45 60 75 90 偏移角度/〇 图4不同传输距离时偏移角度对传输 效率的影响曲线 Fig. 4 Effect curve of offset angle on transmission efficiency at different transmission distances 从 图 4 中可以看出， 在 d d 0. 0 5 m 和 d d 0. 1 m 的 ， 偏移角度 75时 ， 偏移角度的大小对 电能传输 的影响非常小； 偏移角度 75时 ， 随着偏移角度的增大， 传输 ， 几乎成直 线下降。在 d 0. 2 m 的条件下， 偏移角度小于60 时 ， 随着偏移角度的增大， 传输 影响分 别 为 dZ， d Z 偏离工轴、 轴的角度， 取值范围为0〜2“。 将式（ 7、 式（ 8代入式（ 6可得 M 0- -2r2 f2“ f2“ cos Qcos p sin sin pcos addp 4“ 0 j 0 D q n “9 DqN d [. cos r2 cos . sin r2sin p2 rsin sin a /i2]1 / 2 10 3线圈偏移角度对电能传输效率的影响线圈偏移角度对电能传输效率的影响 为方便仿真研究， 假设线圈采用线径为2 mm 的铜线绕制而成， 半径为0.1m， 匝数为10。为了使 系 全 ， 设发射线圈与接收线圈的 数完全 ， 负 载 为 50 电阻， 系统工 为 10 MHz。 3、 式 （ 9可得到传输距离、 偏移 角度与传输 的关系。 3. 1 偏移角度与传输距离对传输效率的影响 在径向距离为0 时 ， 利 用 Matlab仿真得到偏移 角度和传输距离对传输 的 影 响 曲 线 ， 如 图 3 所示。 0987654321 1 /條輟渥逛 34 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 偏移角度大于60时 ， 随着偏移角度的增大， 传输效 率开始下降， 但是与d0.05mW 0 . 1 m 时相比， 下 降趋势较缓。在 0. 3 m 的条件下， 从偏移角度为 40左右开始， 传输效率下降速度开始加快， 但 与 0.2 m 时相比， 下降趋势更加平缓。以上分析说明， 传输距离越大， 偏移角度对磁耦合谐振式无线电能传 输的影响越小， 传输效率下降趋势越来越平缓。 4实验分析实验分析 为了验证理论分析的正确性， 设计了磁耦合谐 振式无线电能传输系统的实验装置， 包括直流电源、 信号发生器、 功率放大器、 负载、 发射线圈、 接收线圈 等 。实验前， 利 用 LCR测试仪测量线圈的电感值与 分布电容值， 计算得到补偿电容值， 使两线圈具有相 同 的 谐 振 频 率 。在 实 验 中 ， 设 系 统 工 作 频 率 为 8 MHz， 负载为50 线圈半径为0.1m， 由线径为 2 mm的铜线绕制而成。利用通过式功率表测负载 消耗的功率。在 径 向 距 离 为 0,传 输 距 离 为 0.05, 0. 1， 0. 2 m 时 ， 针对偏移角度和轴向距离对传输效 率的影响进行实验， 结果如图5 所示。 80 r 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 偏移角度/〇 图5不同传输距离时偏移角度对传输 效率的影响曲线 Fig. 5 Effect curve of offset angle on transmission efficiency at different transmission distances 分析图5 可知， 偏移角度大于75时 ， 其对磁耦 合谐振式无线电能传输效率的影响较大偏移角度较小时， 其对传输效率 的影响不大;偏移角度大于75时 ， 随着偏移角度的 增 传输 降 。 “ 随着传输距离的增大， 无线电能传输效率 开始下降的临界偏移角度越来越小， 但是下降趋势 。 参 考 文 献 （ References 1 * KURS A，KARALISA，MOFFATT R，et al. 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