无线电能传输系统线圈的优化设计

温艳艳

无线电能传输系统线圈的优化设计

温艳艳

（天津现代职业技术学院，天津市 300350）

文章基于感应耦合型的原理建立了单层锥形线圈、空心锥形线圈和带铁芯锥形线圈三种线圈模型，并且利用有限元分析软件的强大电磁仿真功能，对以上三种线圈各自的耦合系数进行分析，绘制了与线圈结构类型相对应的建模图、磁感应强度云图、磁力线分布图，研究了线圈结构形式对耦合系数的影响，得到了线圈结构优化的一些结论。

无线电能传输；线圈设计；有限元仿真；结构优化

一、无线电能传输技术概述

无线电能传输（Wireless Po wer Transmission）又称非接触电能传输（Contactless Po wer Trans mission），是一种新型的电能传输技术。无接触电能传输概念最早出现于20世纪70年代，是以电磁感应耦合方式进行电能的传输方法。在该系统中电能供应侧与电能接收侧之间没有直接的金属导体接触，而是以电磁感应耦合方式来进行电能传输，从而提高了电气设备供电的灵活性。在电力系统中，依靠导线来引导电磁场的传播方向，进而控制功率的流向；在传统变压器中，利用高磁导率铁磁材料来约束磁场，进而控制功率的传输；而在无线电能传输中，电磁场的引导只是由初级和次级的固有特性以及配合情况来实现的。无接触电能传输技术克服了传统的导体直接接触的电能传输方式中的缺点，如接触电火花，器件磨损。无线电能传输摆脱了导线的束缚，使得供电和用电之间的联系更为自由和便捷，因此在一些特殊场合以及便携式设备中有很大的优势。将传统变压器铁芯去掉或者切开，使初级和次级线圈分开，即可构成一个简单的感应耦合型无线电能传输系统（Inductive Contactless Po wer Transmission，ICPT）。

感应式电能传输技术是一种利用电磁感应进行能量传输的新技术，也称感应耦合电能传输或无接触能量传输。感应式电能传输系统具有安全性高和灵活性好，无接触、无磨损的特性，能够满足电工设备的多种用电需求，同时兼顾了信息传输功能的需求。特别适用于那些不同部件之间需要相对独立运动的设备，诸如电机、精密仪表，操作臂、机器人，交通运输中的电车、地铁，甚至在某些场合下，必须采用无线电能传输才能满足要求。例如在给易燃易爆的装置供电，水下装置供电，移动装置供电，医学装置供电时，如果采用无线电能传输，就可大大提高能量传输的合理性、安全性和可靠性。

与传统供电方式相比，无线电能传输供电具有以下特点：1、便于携带，供电和用电设备可移动，可以无电气连接直接向移动装置供电；2、环境友好，不受污垢、灰尘、水、化学物质影响，可工作于恶劣环境，无碳积和有害辐射的工作环境下正常工作；3、操作安全，没有滑动接触供电中的电气接触及外露电线连接，避免了接触火花和直接接触触电事故的发生；4、运行安全可靠，无线电能传输供电系统没有直接接触摩擦，使用和维护方便。

介于以上诸多优势，无线电能传输技术已经在一些商业化产品和供电系统中获得广泛应用。如无接触电能传输系统可以应用于给海底设施供电。日本研制了采用锥形绕组的无接触电能传输系统，为海底设备传输电能。日本大福株式会社的单轨行车和无电平自动运货车、德国稳孚勒公司的200 k W载人电动火车及电动游船的水下驱动、新西兰奥克兰大学所属奇思公司开发的高速公路发光分道猫眼系统（目前运行于惠灵顿大隧道中）、新西兰国家地热公园的30 k W感应电动汽车以及最近海尔的“无尾电视”和迅猛发展的用于手机充电的无线充电器等。

可以预测在未来几年里，随着电力电子、电子变压器、新型电磁材料技术和现代工业的发展，无线电能传输技术必将取得长足的进步并应用于越来越多的领域，发挥更加重要的作用。

目前的无线电能传输主要有三种类型：第一种是电磁波型，利用的是天线发射和接收的原理，发射电路把电能转换为磁场能量发射，通过前后级绕组的电磁感应将磁场能量传输到接收电路，经过相应的能量调节装置，将能量变换为应用场合负载可以直接使用的电能形式，从而达到了非接触式电能传输的目的。特点是传输距离远，但传输功率小，主要为便携式终端设备提供待机功率；第二种是感应耦合型无线电能传输系统（ICPT），利用变压器原理进行功率传输，特点是传输功率大，但传输距离很小，仅在毫米级，这种方式目前研究比较多，相对其他方式较为成熟。

以感应耦合电能传输技术来定义无接触电能传输技术：该系统包含两个互感线圈，其中一次侧线圈与二次侧线圈无直接的物理接触，系统通过一次侧线圈与二次侧线圈的电磁感应耦合传输电能。一次侧线圈与电源相连接从而得到相应供电电源，二次侧线圈与负载相连接，一次侧线圈与二次侧线圈可以保持相对静止，也可以相对运动。第三种是谐振耦合型，利用的是共振原理，即当初级和次级有相同的谐振频率时，能量就可在初级和次级间有效地传输，而在非共振环境中的损耗很小。在这三种传输方式中，感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）无论从技术成熟度上还是从实际应用特点上，均较其他两种更适合于小功率电气设备。例如，电磁波型当前能够传输的功率太小，还不足以支持用电设备的要求，谐振耦合型虽然在传输效率和传输距离上更具发展前景，更能满足便携性要求，但还需进一步发展，而且其原理复杂，需要设置谐振器，增加了系统的体积和成本，以麻省理工学院的研究为例，2 m范围实现了大约60 W能量的传输，但其线圈直径太大，且传输效率低，并不适合小功率设备。因此如果小功率设备要求的距离在mm级或稍大一点，感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）以高效率实现无线电能的传输。

无线电能传输是依靠初级和次级的固有特性以及配合情况来约束电磁场，进而传递能量的，因此线圈的结构形式和耦合对传输效率和传输功率就起着基础性的决定作用。本文基于感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）对小功率无线电能传输系统中线圈的结构设计进行研究。

二、感应耦合型无线电能传输系统传输原理

感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）主要以磁场为媒介，利用变压器耦合，以实现无电气连接的能量传输。感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）的传输功率大，能达几百k W；而传输距离较短，约为1c m以下。

感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）系统包括：整流滤波电路、原边补偿电路、高频逆变器电路、松耦合变压器电路、一次侧线圈及二次侧线圈、电感补偿器件、二次侧功率调节电路、等效负载电路等组成部分。

感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）的基本工作原理如下：50 Hz交流电源电压在整流滤波电路中获得相应直流电压，该电压通过原边补偿向高频逆变器供电从而进行相应逆变过程。在逆变过程中所产生的高频交变电流进入一次侧原边线圈，一次侧原边线圈中的高频交变电流产生的磁链与二次侧副边线圈交链，进而产生感应电动势，该感应电动势通过高频整流及直流斩波等调节电路之后即可向负载提供参数合适的直流电源电压。与紧密电磁耦合系统不同，无接触感应耦合电能传输系统属于松耦合系统，一次侧原边线圈与二次侧副边线圈一起组成松耦合变压器，感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）使用环境不同，一次侧原边线圈与二次侧副边线圈之间既可以保持相对静止状态，又可以相对滑动或者相对转动状态。松耦合变压器既可以采用可分离的铁芯，也可以不加装铁芯。在感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）的松耦合变压器中，一次侧原边线圈与二次侧副边线圈之间存在较大空气间隙，因此其耦合系数K值较小，存在较大数量的漏电感存在。为了提高感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）中的功率因数，必须在松耦合变压器的一次侧线圈附加电路补偿器件。提高系统向负载传输功率的能力，消除副边线圈漏感的影响。

感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）属于疏松耦合系统，传输性能一般较差，为了提高系统的传输能力，初级变换器通常采用高频变换器。从感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）中可看出：要实现大气隙下，能量高效传输关键的是要研制出耦合系数高，漏感小的可分离变压器。感应耦合型无线电能传输系统（ICPT）中的最重要组成部分是可分离变压器，它的性能对于整个系统的稳定、高效起着至关重要的作用。

提高初、次级线圈之间的耦合性能是感应式电能传输系统的核心和基础，耦合性能越好，传输效率就越好。在感应耦合电能传输系统中，有多个影响电能传输效率和传输距离的因素，各因素之间相互影响制约。对可分离变压器，主要是耦合系数和工作频率。耦合系数与变压器的铁芯材料、线圈的绕法（线径、匝数、位置）以及气隙的大小有关。根据上面可分离变压器模型的分析和参考文献的研究可知，采用磁导率高，电导率小，磁滞回线窄的铁芯可以有效的提高耦合系数。而采用能量聚焦线圈同样可以显著提高传输效率和传输距离。

所有的可分离变压器都有一个共同的特点，即气隙增大时会降低互感从而使传输效率降低；对可分离变压器工作频率来说，一般在满足输出功率的情况下，应满足较高的可分离变压器工作频率。经实验证明，初级电流随着系统中工作频率的增加而不断减小，初级电流越小，系统的功率损失也就越小。根据相关文献，系统的工作频率应选择在10k Hz－30k Hz范围内。因此，选择合适的铁芯材料和设计合适的线圈结构将能从根本上提高可分离变压器的传输能力。本文将从线圈结构方面来说明这一问题。

三、有限元仿真与结果分析

为得到电能传输效果较好的线圈模型，本文选取线圈的耦合系数为技术指标，利用有限元方法对三种不同形状线圈模型进行建模，求出每个线圈对应的耦合系数，分析得出耦合系数对气隙的变化趋势。在中低频时电感受频率变化的影响不大，在本论文中，仿真频率在1 MHz以下，这种频率下有限元分析中计算线圈的电感时，可以采用静态法求解［3］。

本文所例举的三种不同形状线圈模型的基本参数如下：初级和次级为两个锥形线圈，次级在初级内。初级线圈100匝，次级匝数100匝，高度为40 mm。所选的次级线圈均为单层锥形线圈，按初级线圈的类型划分为单层锥形线圈、空心锥形线圈、带铁芯锥形线圈三种类型，在有限元分析软件中应用以命令流文件的方式进行建模分析，得到各自的线圈模型示意图、二维轴对称平面尺寸示意图、建模图、磁感应强度云图、磁力线图、网格划分图。其中二维轴对称平面尺寸示意图模型，线圈区用带有AZ自由度的PLANE53单元划分，划分类型为4边形映射网格，线圈材料的相对磁导率为1，电阻率为3E－8；线圈周围空气区用PLANE53单元划分，划分类型4边形自由网格，采用自动划分，空气相对磁导率1。初级和次级加载电流密度2．5E6 A／m2，在空气区域外围线上施加平行边界条件，设置分析类型为静态分析。

分析本文的仿真结果，可以得到的结论有：

1．在线圈类型和线圈结构参数不变的情况下，耦合系数随两耦合线圈之间的气隙增加而降低。

2．选择合适的线圈结构，可以显著提高线圈的耦合系数。本文对气隙20 mm，具有相同的结构参数、材料特性和电流密度的三个方案线圈的耦合系数进行分析，加铁芯的空心线圈比单层线圈的耦合系数有明显提高。

3．对比耦合系数－线圈厚度曲线与耦合系数－铁芯厚度曲线，可知锥形线圈如果设计合理，在相同条件下，加铁芯后耦合系数好于不加铁芯的锥形圈。

4．分析耦合系数随气隙大小的变化趋势，加铁芯锥形线圈的耦合系数与两线圈的气隙成反比。

对比以上的三个方案，选择加铁芯的空心锥形线圈，对一次线圈与二次线圈之间的周侧气隙和顶侧气隙取尽量小的值，可获得相同条件下的较高的耦合系数。锥形线圈设计的关键在于选择合适的结构参数，包括初级线圈的顶层厚度、初级线圈铁芯的厚度，初级线圈与次级线圈的气隙等。本文所做的工作，主要依靠有限元分析的仿真功能完成，建模分析过程中，对线圈参数与工作环境做了适当的简化，所得的结果是否具有理想的电能传输效果，后续还需要做大量的实验验证工作。

［1］李建贵，陈海燕，杨庆新．基于无接触电能传输系统的可分离变压器传输性研究［J］．电工技术学报，2007．

［2］张宗明，孙 跃，苏玉刚，夏晨阳．非接触电能传输系统互感耦合的仿真研究［J］．磁性材料及器件，2007．

［3］武瑛，严陆光，黄常纲．新型无接触电能传输系统的性能分析［J］．电工电能新技术，2003．

［4］何秀，颜国正，马官营．互感系数的影响因素及其对无线电能传输效率的影响［J］．测控技术，2006．

［5］武瑛，严陆光，许善纲．运动设备无接触供电系统耦合特性的研究［J］．电工电能新技术，2005．

The Opti mized Design of Coil in Radio Energy Transmission System

WEN Yan－yan

（Tianjin Moder n Vocational and Technical College，Tianjin 300350 China）

Based on the principle of inductive coupling type，this article establishes 3 kinds of coil models，that is，a single cone coil，hollow cone coil and cone coil with a ferrous core．It analyzes coupling coefficient of the 3 kinds of coil models with powerf ul electromagnetic simulation soft ware．In addition，it draws illustrations of the model，the magnetic induction density cloud and the magnetic lines distribution corresponding to the coil structure．It elaborates how coil structure i mpacts on the coupling coefficient and concludes the design of structural opti mization．

radio energy transmission；coil design；finite element si mulation；structural opti mization

TN014

A

1673－582 X（2011）11－0061－04

2011－09－20

温艳艳（1979－），女，天津人，天津现代职业技术学院教师，讲师，硕士，主要从事高等职业教育，电力系统及其自动化技术教学研究。