磁耦合无线电能传输系统的构建与磁场仿真

1、中国高校电力电子与电力传动学术年会 (SPEED 2016)集磁耦合无线电能传输系统的构建与磁场仿真周（重庆大学电气输配电装备及系统安全与新技术国家，重庆，400044）摘要： 本文主要针对磁耦合无线电能传输系统进行分析并对其电磁场计算问题进行了分析。本文分析了磁耦合无线电能2.1 电路模型分析磁耦合无线电能传输系统可化简为如图 1 所示。图 2 为系统的等效电路图，其中 Is 为发射端电流，IL为接收端电流；L1 和 L2 为发射和接收线圈在高频下的等效电感；M12 为线圈间的互感(M12=k,其中 k 为谐振线圈的耦合系数)；C1 和 C2 为串联的谐振电容；R1和 R2 是电路的等效电阻

2、；Req 是等效负载电阻。传输系统的电路模型，并了其线圈的设计与测量。利用搭建了磁耦合无线电能传输的模型，并通过实验对其进行验证，实验实测数据与仿真结果进行对照，得到相应的电参量的误差都在 5%以内，从而验证了模型的正确与准确性。最后基于该模型，通过有限元仿真计算了磁耦合无线电能传输系统的电磁场，给出了其在纵轴方向上磁场的分布情况。：无线电能传输，磁耦合，电路模型，磁场仿真1. 引言无线电能传输(wireless早在 19 世纪 80 年代，由er transfer，WPT)技术科学家 Nikola Tesla 提出，并于 1893 年的芝加哥世博会上，展示了无线磷光照明灯，他利用无线电能传输

3、原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡1。2007 年，麻省理工学院的 Marin Soljacic 教授的课题组在中等距离无线电能传输方面取得了突破性进展，他们通过构建两个半径为 30cm 的发射和接收谐振器线圈“隔空”点亮 1 盏离电源 2m 开外的 60W 灯泡，效率达到了40%。随后，世界各地的研究展了越来越多的研究2。对无线电能传输开我国在无线电能传输技术领域的研究起步较晚。21 世纪初，国内才开始进行相关的研究，主要集中在感应式非接触无线电能传输技术和磁耦谐振式无线电能传输技术的研究上。3 ,4 ,5 ,67对于磁耦合无线电能传输系统的研究，除了基础理论与工程应用之外，对使用者

4、而言最关心的则是系统的电磁辐射。由于无线电能传输系统为交变的电场与磁场，所以通过实验准确测量某点的磁参量相对较为复杂，且准确度不高，而本文的主旨是通过对磁耦合无线电能传输系统的分析，在保证其可测的电参量的准确性后，借由有限元仿真来对无线电能传输过程中，线圈周围的磁场分布及其变化的情况进行分析与探讨。2.磁耦合无线电能传输系统的分析638等：磁耦合无线电能传输系统的构建与磁场仿真639中国高校电力电子与电力传动学术年会 (SPEED 2016)集补偿电容 2C250.57nF负载Req253.2 仿真模型的建立本文采用限元仿真软Comsol Multiphysics 5.0，对磁耦合无线电能传输

5、系统进行构建与仿真。在仿真中最主要的是对线圈模型的建立，考虑到是基所绕制的线圈为紧密的平面螺旋结构，如果按照实际线圈在中搭建线圈模型，则线与线之间的距离过近，在剖分过程中，在靠近相切点的区域将形成顶角极小的三角形（四面体），会导致剖分不良或剖分失败，如果可进行剖分，则在计算量与计算效率上也不能满足要求，所以须对线圈进行必要的简化，简化的线圈模型如图 6 所示。640等： 磁耦合无线电能传输系统的构建与磁场仿真2 Soljacic M，Kurs A，Karalis A，et alWirelesser transfervia strongly coupled magnetic resonanJ S

6、cienceExpress，2007，323(1)：34-483,毛银花,. 磁无线能量传输系统10cm损耗分析J. 电工技术学报. 2012(04)4,. 自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计J. 中国电机工程学报. 2009(18)图 9 线圈系统及空间尺寸如图 9 所示，显示的区域为在 YZ 面上半径 25cm的球型求解域。发射线圈与接收线圈结构相同，所以整个线圈系统成轴对称结构，在 Z 轴上选取一条直5,等.基于磁场的无线电力传输发射及接收装置的研究J. 电工电能新技术, 2011, 30(1):32-35.6, 祝兵权,. CPT 系统输出电压主动控制技术J.线，可对该直

7、线上不同时刻的磁通密度值进行图 10。，电源技术, 2011(1): 76-78.7, 王智慧, 等. 非接触电能传输系统的频率稳定性研究J. 电工技术学报, 2005(11): 56-59.Dionigi M，Mongiardo MA novel coaxial loop resonator for wireless er transferJ ernational Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering，2012，22(3)： 345-352Ishizaki T，Komori T，Ishida T，et alCompara

8、tive study ofcoil resonators for wirelesser transfer systemerms oftransfer lossJIECE Electronics Express，2011，7(11)： 785-79010 Hirayama H，Okuyama Y，Kikuma N，et alEquivalentcircuit of induction fed magnetic resonant WPT systemC图 10 Z 轴上不同时刻的磁通密度由图 10 可知，在 Z 轴上，发射线圈上的磁场大于接收线圈，这是由于发射线圈上的电流值大于接收线圈上的电流值，

9、所以发射线圈上所产生的磁场大于接收线圈上所产生的磁场。由图可知，磁场的最大值在发射线圈处，且最大可以达到 650T 左右，而接受线圈上的磁通密度的最大值可以达到 250T 左右。两线圈之内的磁场也相对较大，但由于磁场的扩散，在发射线圈的外侧也相对较大，这也是无线电能传输效率相对较低的原因之一。2011 IEEE MIT-Sernational Micorwave Workshop Serieson Innovative Wirelesser Transmis：Technologies,System, and Applications (IMWS)Kyoto，Japan：IEEEMicrowav

10、e Theory and Techniques Society，2011：239-24211 Yoon I J，Ling HRealizing efficient wirelessertransfer using small folded cylindrical helix dipoles JIEEEAntennas and Wireless Propagation Letters，2010：846-8496结论本文主要对磁耦合谐振式无线电能传输系统进作者简介， 男， 1991 年生， 行构建及对其电磁场进行分析。首先，从电路模型出发对系统各参数进行了分析，并结合线圈电感的计算公式对线圈进行了分析与设计；随后，通过理论计算， 研究方向为无线电能传输，napoe周。， 男，1954 年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子技术、分别搭建了系统的实验和在有限元仿真中电路理论及应用等。构建了仿真模型，在得到并对