变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统.pdf

第 4 3 卷 第 9期 2 0 1 7年 9月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd Mi ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 NO ． 9 S e p ． 2 0 1 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 9 0 0 8 9 0 7 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 9 ． 0 1 6 变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统 王 亚檬 一， 武兴华 ， 吝伶 艳 。 ， 宋建成 1 ． 太原 理工 大学 矿 用智 能 电器技 术 国家地 方联合 工 程实验 室 ，山西 太 原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 太 原理工 大学 煤 矿 电气设 备 与智能 控制 山西 省重 点实 验室 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要 针 对传 统 单一 线 圈结构 的磁耦 合谐 振 式无 线 电能传输 系统存在 传输 效率 受 限于传输 距 离的 问题 ， 设 计 了一 种 变线 圈结构 的磁耦 合谐 振 式无 线 电能传输 系统 。建 立 了 系统 的等 效 电路 模 型 ； 分析 了 系统分 别 采用 两线 圈结构 和 四线 圈结构 时 的传输 效 率与传 输距 离之 间的 关 系； 根 据 两 线 圈结构 时 系统传 输 效 率随 着 传输距 离的增大而逐渐减小、 四线圈结构时系统传榆效率随着传输距 离的增大先增后减的结论 ， 提 出了传输 距 离小 于线 圈半径 时采 用两 线 圈结构 、 传输距 离大 于线 圈半 径 时采 用 四线 圈结构 的 变线 圈结构 谐 振耦 合 方 式 ， 以 实现 不 同传 输距 离时传 输 效率 的最 大化 。仿真 和 实验 结果验 证 了该 系统的有 效性 和 可行性 。 关 键 词 无 线 电能传 输 ； 磁 耦 合谐 振 ；变线 圈 ；两线 圈 ；四线 圈；传输 效 率 中 图分 类号 T D6 1 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 0 8 2 8 1 1 4 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 7 0 8 2 8 ． 1 1 4 5 ． 0 1 6 ． h t ml M a g ne t i c c o u pl i n g r e s o n a n t wi r e l e s s p o we r t r a ns mi s s i o n s ys t e m ba s e d o n v a r i a b l e c o i l s t r u c t u r e W ANG Ya me n g 一， W U Xi n g h u a 一， LI N L i n g y a n 一， S ONG J i a n c h e n g ’ 。 f 1 ． Na t i o n a l a n d P r o v i n c i a l J o i n t En g i n e e r i n g L a b o r a t o r y o f Mi n i n g I n t e l l i g e n t El e c t r i c a 1 Ap p a r a t u s Te c hno l o gy，Ta i yu a n Uni v e r s i t y o f Te c h nol og y，Ta i yua n 03 0 0 24，Chi n a；2． Sha n xi Ke y La bo r a t or y of M i ni ng El e c t r i c a l Eq ui pme n t a n d I n t e l l i g e nt Co nt r o l ，Ta i yu a n Uni v e r s i t y of Te c h n o l o g y ，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r p r ob l e m t ha t t r a ns m i s s i on e f f i c i e nc y o f t r a d i t i o na l ma g ne t i c c ou pl i ng r e s on a nt wi r e l e s s 收稿 日期 2 0 1 7 0 4 0 8 ； 修回 日期 2 0 1 7 0 7 2 4； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 山西省科技重大专项项 目 2 0 1 3 1 1 0 1 0 2 9 ； 山西省基础研究 自然科学基金 资助 项 目 2 0 1 4 0 1 1 0 2 4 --3 。 作者 简介 王亚檬 1 9 9 1 一 ， 女 ， 山西太原人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为无线电能传输 技术 ， E ma i l wy ma n d x t y 1 6 3 ． c o rn。 引用格式 王亚檬 ， 武 兴华 ， 吝伶艳 ， 等． 变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输 系统E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 9 8 9 9 5 ． W ANG Ya me n g， W U Xi n gh u a ， LI N Li n g y a n， e t a 1 ． M a g ne t i c c o u p l i n g r e s o n a nt wi r e l e s s p o we r t r a n s mi s s i o n s y s t e m b a s e d o n v a r i a b l e c o i l s t r u c t u r e [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7 ， 4 3 9 8 9 9 5 ． E 1 2 ] E l 3 ] J I ANG Hu a i g u a n g， ZHANG J J ，GAO W e n z h o n g ， e t a 1 ． Fa u l t d e t e c t i o n ，i d e n t | f i c a t i o n， a n d l o c a t i o n i n s ma r t g r i d b a s e d o n d a t a - d r i v e n c o mp u t a t i o n a 1 me t h o d s [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n S ma r t G r i d ， 2 0 1 4 ， 5 6 2 9 4 7 2 9 5 6 ． CHEN J i c h a o ， PHUNG T， B LACKBURN T， e t a 1 ． De t e c t i o n o f h i g h i m p e d a n c e f a u l t s u s i n g c u r r e n t t r a ns f o r me r s f or s e ns i n g a nd i de n t i f i c a t i o n b a s e d o n f e a t u r e s e x t r a c t e d u s i n g wa v e l e t t r a n s f o r m[ J ] ． I E T Ge n e r a t i o n， Tr a n s mi s s i o n ＆Di s t r i b u t i o n，2 0 1 6，1 0 1 2 2 9 9 0 2 9 9 8 ． [ 1 4 ] [ 1 5 ] L I Ya i i e ， S ONG Xi a o h u i ， MENG Xi a o l i ．Ap p l i c a t i o n o f s i gna l p r o c e s s i n g a n d a na l ys i s i n de t e c t i n g s i ng l e l i n e - t o g r o u n d S L Gf a u l t l o c a t i o n i n h i g h i mp e d a n c e g r o u n d e d d i s t r i b u t i o n n e t w o r k [ J ] ． I E T G e n e r a t i o n ， Tr a n s mi s s i o n Di s t r i b u t i o n ， 2 0 1 6， 1 O 2 3 8 2 3 8 9 ． M0RAVEJ Z， MORTAZ AVI S H ， SHAHRTAS H S M ．DT CW T ba s e d e v e nt f e a t u r e e x t r a c t i o n f o r hi gh i mp e d a n c e f a u l t s d e t e c t i o n i n d i s t r i b u t i o n s y s t e m[ J ] ． I n t er n at i o na l Tr a ns a c t i o ns o n El e c t r i c a l En e r g y S y s t e ms ， 2 0 1 6 ， 2 5 1 2 3 2 8 8 3 3 0 3 ． 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 p owe r t r a n s mi s s i o n s y s t e m b a s e d on s i n gl e c o i l s t r u c t u r e wa s l i mi t e d by t r a ns mi s s i o n d i s t a nc e ，a m a g ne t i c c o u p l i n g r e s o n a n t wi r e l e s s p o we r t r a n s mi s s i o n s y s t e m b a s e d o n v a r i a b l e c o i l s t r u c t u r e wa s d e s i g n e d ．An e q u i v a l e nt c i r c ui t mod e l o f t he s y s t e m wa s b ui l t ， r e l a t i o ns hi p be t we e n t r a ns m i s s i on e f f i c i e n c y a nd t r a n s mi s s i on d i s t a n c e we r e a na l y z e d whe n t he s ys t e m a d op t e d t wo - c o i l a nd f ou r c oi l r e s pe c t i ve l y ， a nd c o n c l u s i o n s we r e g o t t e n a s f o l l o ws t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y o f t h e s y s t e m wi t h t WO c o i l s t r u c t u r e d e c r e a s e d wi t h i nc r e a s e o f t r a ns m i s s i on di s t a nc e，a n d t r a n s mi s s i on e f f i c i e nc y o f t he s y s t e m wi t h f ou r c oi l s t r uc t ur e i nc r e a s e d f i r s t a nd t h e n de c r e a s e d wi t h i nc r e a s e o f t r a ns m i s s i on d i s t a nc e．Ac c o r d i n g t o a b 0 ve c o nc l u s i on s． a c ou pl i n g r e s o na n t mo de us i ng v a r i a b l e c oi l s t r u c t u r e wa s pr o po s e d， whi c h a d o pt e d t wo c oi l s t r u c t u r e whe n t r a ns mi s s i o n di s t a n c e wa s s m a l l e r t h a n c oi l r a d i us a nd f o ur c o i l s t r u c t u r e whe n t r a ns mi s s i o n d i s t a nc e wa s l a r ge r t ha n c o l l r a d i us ， S O a s t o r e a l i z e t h e ma xi m i z a t i on o f t r a ns m i s s i o n e f f i c i e nc y u nd e r d i f f e r e n t t r a ns m i s s i on d i s t a nc e s ． The s i m ul a t i o n a nd e xp e r i me nt a l r e s u l t s v e r i f y e f f e c t i ve ne s s a nd v a l i d i t y o f t h e s ys t e m ． Ke y wo r ds wi r e l e s s po we r t r a ns mi s s i o n；ma gne t i c c o up l i ng r e s o na nc e；v a r i a bl e c oi l ；t WO c o i l ； f ou r - c o i l ；t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y 0 引言 无线 电能传输主要有电磁感应耦合 、 磁耦合谐 振 和微 波辐 射 3种 方 式[ 】 ] 。 电磁 感 应 耦 合 方 式 的 传 输功 率 高达几 百千 瓦 ， 且 已进 入实 用 化 阶段 ， 一 般 适用于近距离 厘米级 传输 ； 磁耦合谐振方式可在 数米范围内实现无线 电能传输 ， 即使存在 障碍物也 能高效传输 ； 微波辐射方式适用于电能的远程传输 ， 缺点是 传输 效率 低 ， 且 会 对 人 体 及 其他 生 物 造 成 一 定 伤 害 _ 6 _ 。相 比较而 言 ， 磁 耦合 谐振 方式 既 结合 了 其 他 2种方 式 的优点 ， 又克 服 了其不 足 ， 目前 已成 为 无 线 电能传 输技 术研 究 的热 点 。磁 耦合谐 振 式无 线 电能传 输 系 统 主要 采 用 两 线 圈 和 四线 圈结 构 _ 7 ， 但两线圈结构的系统在传输距离较大时传输效率较 低 ， 而四线圈结构的系统在传输距离很小时传输效 率很低 。鉴此 ， 本 文 提 出 了一 种 在 不 同传 输 距 离 采 用 不 同线 圈 结 构 的磁 耦 合 谐 振 式 无 线 电 能传 输 系 统 ， 以保证不同传输距离时传输效率达到最大。 1系统 建模分 析 变线圈结构 的磁耦合谐振式无线电能传输系统 由 E类逆变器、 变线圈结构谐振耦合单元和不控整 流电路 3个部分组成， 如图 1所示 ， 其中变线圈结构 谐 振耦 合单 元 由两 线 圈 结 构 和 四线 圈结 构 组 成 ， 将 E类逆 变 器和 不 控 整 流 电路 连 接 起 来 ， 从 而 实 现 无 线 电能传输 。 1 ． 1 不 控 整 流 电路 不控 整流 电路 拓扑 如 图 2所 示 。u为 高 频交 流 电 源 ， 二 极 管 VD 1 一 VD 4 组 成 整 流 桥 。 升 压 电 感 圈 圈 ⋯⋯⋯ 苎 ⋯ ⋯ ⋯ 网 网 网 网 幽 幽 幽 幽 网 -} 整 流l I 电 路I ’ l l ⋯⋯⋯ 曼塑⋯ ⋯ ⋯ ． 变线 圈结构谐振耦合单元 图 1 变线圈结构的磁耦合谐振式无线 电能传输系统组成 Fi g．1 Compo s i t i on of ma g ne t i c c o upl i n g r e s o na nt wi r e l e s s p owe r t r a n s mi s s i on s ys t e m ba s e d on v a r i a bl e c oi l s t r u c t ur e L 和 滤波 电容 C 。 分别 为 L 1 一 - k D 1 一 D 。 T c ≤ 研 1 式 中 R 为负 载 ； D 为二 极 管 占空 比； T 为二 极 管 开关周 期 ； ∞ 为交 流 电源 的角 频率 。 流 流 VD1 VD2j - U r C l [ - 一 vD3 VD4 图 2 不控整流 电路拓扑 Fi g． 2 To po l o gy of u nc o nt r ol l e d r e c t i f i e r c i r c ui t 根 据 不控 整流 电路 的工 作 原理 Ⅲ] ， 得 到 电容 电 i 、 负 载 电 流 i i D c 警 和流 经 二极 管 的直 流输 出电 一 _ U ￡ ， l C1 c o s 1 t 3 2 0 1 7年 第 9期 王 亚檬等 变线 圈结构 的磁耦 合谐 振 式无 线 电能传 输 系统 9 1 一 一 ，s i n ∞ 。 R一 一 R c √bu s n ∞ 十 o i Di c i R一 _ U 1 C1 c o s 1 t 4 根 据 电路 理论 可 得 发 射谐 振 回路 电 流I r和 接 √ 6 【 ， s i n 1 t 5 L 式中 U 为滤波 电容两端电压 ； U 为输入 电压 ； 为 二极 管 VDI和 VD 4导 通 时 刻 与 U 过 零 点 相 距 的 角 度 。 1 ． 2 变线 圈结 构谐振 耦合 单元 1 ． 2 ． 1 两线 圈结 构谐 振耦 合单 元 两线圈结构谐振耦合单元由发射谐振 回路和接 收谐振 回路组成 ， 发射谐振回路和接收谐振 回路 均 采 用线 圈和 谐 振补 偿 电容 串联 的方 式 连 接 。 ， 如 图 3 所示。L P ， L 分别为发射线圈和接收线圈的自 感 ； R P ， R 分别为发射线圈和接收线圈的寄生 电阻； C ， C 分别 为 发 射 线 圈 和接 收 线 圈 的谐 振 补 偿 电 容 ； R 为负载； u 。为高频交流电源 ； M 为发射线圈 和接 收线 圈之 间互感 。 C P R P Rs Cs 图 3 两 线 圈 结 构 谐 振 耦 合 单 兀 等 效 电路 Fi g．3 Eq ui va l e nt c i r c ui t o f r e s o na n c e c o upl i ng u ni t ba s e d on t wo c oi l s t r uc t ur e L L s N 2 r [ 1n ． 1n N 一 1 ] 6 R R s 一 √ ㈣ M 一 8 式 中 。 为 真 空磁 导 率 ； N 为线 圈 匝数 ； r为线 圈半 径 ； r a 为线 圈 导 线 半 径 ； 为 高 频 交 流 电 源 的 角 频 率 ； 为线 圈导线 电导率 ； r P ， r 分别 为 发 射线 圈 、 接 收线 圈半 径 ； d 为 发 射 线 圈 、 接 收 线 圈 之 间 的 轴 向 距离 。 设两线圈结构谐振耦合单元谐振角频率与高频 交流 电源的角频率相等 ， 则发射谐振 回路的 自阻抗 Z P 、 接 收谐 振 回路 的 自阻抗 Z 。 分别 为 9 Iz s R s j∞ L s 收谐 振 回路 电流I f j P 一 ． 1 0 lj s 一 一 jo M U G 发射谐 振 回路 输 入 功率 P i 和 接 收谐 振 回路 输 出功 率 P 。 分 别为 Pln Z p Z s R t o M ⋯ “ ⋯ P o u t 一 R 1 2 [ 尺 M ] 一 ⋯ 故两线圈结构谐振耦合单元传输效率为 一 1 0 0％ 一 丽X 1 0 0R L E z U f Z s P z s M ] ～ 1 3 1 ． 2 ． 2 四线圈结构谐振耦合单元 四线圈结构谐振耦合单元由驱动谐振 回路 、 发 射 谐 振 回 路 、 接 收 谐 振 回 路 和 负 载 谐 振 回 路 组 成 。 ， 如 图 4所示 。L o ， 分 别 为 驱 动线 圈 和 负 载线圈的 自感 ； R 。 ， R 。分别为驱动线 圈和负载线圈 的寄 生 电阻 ； C 。 ， C 。分 别 为 驱 动线 圈 和 负载 线 圈 的 谐 振补 偿 电容 ； ， 。 分 别 为驱 动线 圈和 发 射 线 圈、 接收线圈和负载线 圈之间互感。为简化分析 ， 忽 略线圈之间的交叉耦合 ， 仅考虑相邻线圈之间的直 接 耦合 作用 。 图 4 四线 圈结构 谐振耦 合单元 等效 电路 Fi g． 4 Eq ui v a l e n t c i r c u i t o f r e s on a nc e c o upl i ng u ni t b a s e d o n f o u r - c o i l s t r u c t u r e 设 四线圈结构谐振耦合单元谐振角频率与高频 交流电源的角频率相等 ， 则驱 动谐振 回路 的 自阻抗 z 。 、 发射谐振 回路 的 自阻抗 Z P 、 接收谐振回路的 自 阻抗 Z s 和负载谐振 回路的 自阻抗 Z D 分别为 9 2 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 z。一 R。j c u L。 砒P ⋯ z s Rs j ∞ L s 十 1 z 。一 R。 j L。 1 根 据 电路 理论 可得 驱 动 谐 振 回路 电 流I 。和 负 载谐振 回路 电流J 。 f a 1 U G l J Q 一 干 ． 1 5 lj 。 一 jo 3M Qp M M sD U G 式 中 a 一Z P [ z Z R Ms 。 。 ] M ZD 尺 ； a 一Zs Z D R M s D 。 。 驱动谐振回路输入功率 P ， n 和负载谐振 回路输 出功率P 分别为 P， n 一 Z a a l D e I 。 1 6 Q 1 M Q P 。 2。 e o一 [ ] 1 7M Q 一 L z Q a 1 P 。 n 2 ．J “ 。 故 四线圈结构谐振耦合单元传输效率为 D ， 刁 一 x 1 0 0 1 0 0 M 1 8 a 1 E Z Q a 1 MQ P 。 a 2 ]一 ⋯ 1 ． 2 ． 3 传 输效 率 和传输 距离 关 系 给定两线圈结构谐振耦合单元 中发射线圈和接 收线 圈为 6匝 、 半 径 为 8 c m； 四线 圈结 构 谐 振 耦 合 单 元 中发 射线 圈 和 接 收 线 圈为 6匝 、 半 径 为 8 c m， 驱动线 圈 和负 载 线 圈 为 2匝 、 半 径 为 8 c m， 且 驱 动 线圈 和发 射线 圈之 间及 接收 线 圈和负 载线 圈之 间 的 距离 均为 3 c m。 变线 圈结 构 谐 振 耦 合 单 元 的 工作 频率为 1 5 O k Hz ， 负载为 1 0 0 Q， 由于工作频率和负 载均恒定 ， 避免了频率分裂现象。根据给定参数和 式 1 3 、 式 1 8 ， 得 到变 线 圈结构 谐振 耦合 单元 传输 效率与传输距离关系曲线 ， 如图 5 所示。 从 图 5可 看 出 ， 两线 圈结 构 谐 振 耦 合 单 元 传输 效率随着传输距离 的增大而逐渐减小 传输距 离小 于 5 c m 时 ， 传输效率基本维持不变 ； 传输距离在5 ～ 1 2 c m范围内， 传输效率呈线性减小 ； 传输距离大于 1 2 c m 时， 传输效率缓慢减小。四线 圈结构谐振耦 合单 元传 输效 率 随着 传 输 距 离 的 增 大先 增 后 减 传 输 距离在6 ～1 1 C l T I 范 围内， 传输效率呈线性增加 ； 图 5 变线 圈结构谐振耦合单元传输效率 与 传输距离关系 曲线 Fi g ．5 Re l a t i on s hi p c u r v e be t we e n t r a ns mi s s i o n e f f i c i e nc y a n d t r a n s mi s s i o n d i s t a n c e o f r e s o n a n c e c o u p l i n g un i t b as e d o n v a r i a bl e c o i l s t r u c t ur e 在传输距离为 1 1 c m处存在最大传输效率 ； 传输距 离在 1 1 ～1 8 c m范 围内， 传输效率呈线性减小 ； 传输 距离大于 1 8 c m时， 传输效率缓慢减小 。传输距离 小 于线 圈半径 时 ， 两 线 圈结 构 谐 振 耦 合单 元 传 输 效 率较 高 ； 传 输距 离 大于线 圈半 径 时 ， 四线圈结 构谐 振 耦合 单元 传输 效 率 较 高 。因 此 ， 传 输 距离 小 于线 圈 半径时 ， 变线圈结构谐振耦合单元采用两线圈结构 ； 传输距离大于线圈半径时 ， 变线圈结构谐振耦合单 元采 用 四线 圈结构 。 1 ． 3 E 类 逆 变 器 E类 逆变 器 基本 电路 拓 扑 如 图 6所 示 。U 为 直流电源 ； L ， C 分别为谐振电感、 电容 ； 为负载。 扼 流 电感 L阻 抗 足 够 大 ， 使 流 过 的 电 流 为 恒 定 值 。 并联 电容 C为外 加 电容 ， 目的是 使 开关 管 S满 足如 图 7所示 的开关状态I 1 。 。U 为开关管 s驱动信 号 ； i ， 分 别 为 开关 管 S漏 源极 电 流 、 电压 ； D 为 开关 管 S占空 比； 为 电角 度 。 图 6 E类逆变器基本电路拓扑 Fi g． 6 Ba s i c c i r c u i t t o po l ogy o f c l a s s E i n ve r t e r 0 2 nD ，0 0 2n D 0 2 Ⅱ D 2 0 图 7 E类 逆变器电路主要工作波形 Fig． 7 M a i n o pe r a t i n g wa v e f o r ms o f c l a s s E i n v e r t e r c i r c ui t 2 0 1 7年第 9期 王 亚檬 等 变线 圈结构 的磁耦 合 谐振 式无 线 电能传 输 系统 9 3 E类 逆变 器最 佳负 载为 R 0 ． s 6 8 0 1 ． 。 0 o 0 。 8 6 1 9 Q 。 Q 3 ／ ⋯ 式 中 P 为输 出功率 ； Q为 品质 因数 。 扼 流 电感最小 值 L 和 并联 电容 C分别 为 Lm i _ 3 ． 5 2 O c 一 e 一 2 n f 2 L 2 1 一J 十 式 中 f为 输 出谐 振频 率 。 利用 电路 理论分 析方 法对 变线 圈结 构 的磁耦 合 谐振式无线电能传输系统进行简化 ， 系统简化 电路 如 图 8所示 。因此 ， 对 于 E类 逆变 器 的所有 计 算 公 式 都 可 应 用在 系统 简化 电路 中。 图 8 变线 圈结构 的磁 耦合 谐振式 无线 电能传输 系统简化 电路 Fi g． 8 S i m p l i f i e d c i r c ui t of ma g ne t i c c o upl i ng r e s o na nt wi r e l es s p ower t r a ns mi s s i o n s ys t e m ba s e d on va r i a bl e c oi l s t r u c t ur e 系统 简 化归算 后 E类逆变 器 的输 出阻抗 为 Z Z Z 一 R。 4 - j 叫 Li 2 2 式 中 Z为 E类 逆 变器 谐 振元 件 和 负 载 的串联 等 效 阻抗 ； 。 为归算阻抗； R 。 为 z i 的电阻部分 ； 为谐 振 角频 率 ； L 为 Z i 的电抗 部分 。 根 据 E类 逆 变 器 输入 电压 u 和谐 振 电流 i i 之 间 的关 系 ， 得 到 E类 逆 变 器 工 作 在 软 开 关 方 式 时 ， 谐振 电流 幅值 和输 入 电流 工 一 D R ， 7 c 1一 _n v ⋯ 2 4 一 广一I i 式 中 。 为 开关 管 S驱 动 信 号 “ 和谐 振 电流 i i 之 间的移 相角 。 t a n 一 丽 2 5 2系统仿 真与 实验分 析 2 ． 1 参数 设 置 根据变 线 圈结构 的磁 耦合 谐振 式无 线 电能传 输 系统 电路分 析 中给 出 的电路元 件计算 方法 及线 圈参 数 ， 计 算得 到各 电路 元件 的理 论值 ， 再根 据元件 实 际 情况设置仿 真值 ， 同时采 用阻抗测试 仪 L C R一8 2 1 测量 实验 中各 线 圈 的 电感 ， 并 根 据 电路 谐 振 频 率计 算各线圈串联电容 ， 具体参数见表 l 。 表 1 变线 圈结构 的磁耦合谐振式无线 电能 传输 系统 电路元件参数 Ta bl e 1 Ci r c ui t e l e me n t pa r a me t e r s of ma g ne t i。 c c oup l i ng r e s o n a n t wi r e l e s s p o we r t r a n s mi s s i o n s y s t e m ba s e d o n v ar i a bl e c o i 1 s t r uc t ur e 2 ． 2仿 真 分 析 利用 S i mu l i n k搭 建 变 线 圈 结 构 的磁 耦 合 谐 振 式无 线 电 能 传 输 系 统 仿 真 模 型 。在 输 入 电 压 为 3 0 V、 开 关管 S驱动频 率 为 1 5 0 k Hz 、 负 载 为 1 0 0 Q 的条件下 ， 测量系统输入 电压 、 输入 电流及不同传输 距 离时 负载上 的 电压 、 电流 ， 计 算得 到变 线圈结 构 的 磁耦合谐振式无线电能传输系统传输效率随传输距 离 变化 的仿 真 曲线 ， 如 图 9 所 示 。 槲 较 簿 啦 图 9 变线圈结构的磁耦合谐振式无 线电能 传输系统传输效率仿真结果 Fi g． 9 Si mul a t i on r e s u l t o f t r a ns mi s s i on e f f i c i e nc y o f ma gn e t i c c oup l i n g r e s o na nt wi r e l e s s po we r t r a ns mi s s i o n s y s t e m b a s e d o n v a r i a b l e c o i l s t r u c t u r e ∞ ∞ ∞ 如 加 0 9 4 工矿 自动化 2 O 1 7年 第 4 3卷 从 图 9可看 出 ， 传 输 效 率 随 着 传输 距 离 的增 大 先减小后增 大再减小 ， 分别 在传输距离 为 8 c m 和 1 2 C l T I 处取得极小值和极大值。传输距离小于 8 c I n 时， 传输效率缓慢减小 ； 传输距离在 8 ～1 2 c m范 围 内， 传输效率增加 ； 传输距离在 1 2 ～1 8 C I T I 范 围内 ， 传输效率呈线性减小 ； 传输距离大于 1 8 c m时， 传输 效 率缓 慢减 小 。这 与 理论 分 析 结 果 一 致 ， 验 证 了所 提变线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统 的 正 确性 。 2 ． 3 实验 分析 根 据 图 1 搭 建 变线 圈结构 的磁 耦合谐 振 式无 线 电能 传 输 系 统 实 验 平 台。 设 置 系 统 输 入 电 压 为 3 0 V， 开关管 s驱动信号频率为 1 5 0 k Hz ， 负载为 1 0 0 Q。线 圈采用 铜漆 包 线 ， 线 圈参 数 铜 漆 包 线 线 径 为 1 ． 5 mm， 线 圈半 径均 为 8 c m， 驱动 线 圈和负 载 线 圈为 2匝 ， 发射 线 圈和接 收线 圈为 6匝 。 当传输 距离 不大 于 8 c m 时 ， 变 线 圈结构 谐振 耦 合单 元 采用 两线 圈结 构 ； 当传 输 距 离 大 于 8 c m 时 ， 通 过单 刀 双 掷 开 关 将 两 线 圈结 构 转 换 成 四线 圈 结 构 。测 量 系统输 入 电 压 、 输 入 电 流及 不 同传 输 距 离 时 负载 上 的电压 、 电流 ， 计 算得 到变