一种适应箭载电磁环境的无线电能传输系统屏蔽优化方法

夏兴达 张 洁 郑 伟

北京航天自动控制研究所，北京 100854

0 引言

无线电能传输技术(Wireless power transfer)不需要导线或者其他的物理接触，而是利用近场耦合，将电能由发射端传输到接收端[1-3]，因此也被称为非接触电能传输技术。与有线供电相比，无线供电的优缺点都十分明显：有线设备更为简单且实用，经济性强，电能的传输一目了然，电磁干扰更少一些，并且各领域的有线技术经多年发展，早已成熟，发生故障更易维修；而无线供电技术是新兴工程，在航天工程的应用可行性也在论证中，但是其可以有效减少裸露导体造成的安全问题，实现完全的电气隔离，安全性更强，还可以避免有线设备的线路因磨损老化、反复插拔造成的接口损坏、不能随意移动等问题。

正因此无线供电得到各地学者的关注，并广泛应用于交通运输、生物医学、精密仪表仪器等领域[4-6]。在各种研究方向中，感应线圈的参数优化近年成为研究的热点。文献[7]提出了基于LCL-S拓扑结构的感应电能传输系统，提出了一个基于互感耦合参数的性能优化指标。文献[8-9]则详细分析了不同金属障碍物对磁耦合谐振式无线电能传输系统的影响。文献[10]设计了一种具有聚磁作用的导轨式非接触变压器。目前，无线供电技术还没有在航天方面的应用，但为了摆脱复杂电缆的束缚，运载火箭的无线供电有着较好的前景。然而无线电能传输系统很可能影响箭上复杂的电磁环境，所以设计时务必要考虑其电磁兼容性。文献[11]对飞行器上的电磁脉冲辐射环境进行了仿真分析，本文将基于实例具体分析不同屏蔽环境下的耦合谐振器对系统整体性能的影响，并提出优化方案。

本文通过对SS谐振型感应电能传输系统的分析，分别求出系统的传输功率与传输效率，分析其特性。在特定系统中，互感对性能有着很大的影响，而不同的电磁屏蔽方式直接影响了感应线圈的自感和互感。本文通过COMSOL有限元仿真软件，仿真出不同屏蔽环境下电感的变化规律，并将其应用在谐振器的线圈优化中。最后，针对特定的系统，提出了各种优化指标，设计了相应的电磁屏蔽方案，并设计了实物实验，验证理论的准确性。

1 SS型感应电能传输系统特性分析

本文以SS型无线供电系统为例进行分析，SS拓扑结构如图1所示。

图1 SS型WPT系统拓扑结构

图1采用了串联电容补偿发射线圈和接收线圈的无功功率。其中，L1与L2为两线圈电感，M为L1与L2互感；C1与C2为两线圈补偿电容；R1与R2为两线圈内阻；RL为接收线圈负载。uin为电压源的电压。

由图1可得SS型感应无线电能传输系统的电路方程相量式如下：

(1)

(2)

为了使系统工作在最佳状态，要进行无功补偿。首先根据接收端串联谐振，确定接收线圈的补偿电容：

(3)

发射线圈等效输入阻抗Z1in为：

(4)

使其虚部为0，解得：

(5)

(6)

可得SS型感应无线电能传输系统的输入功率Pin、输出功率Pout与传输效率η如式(7)：

(7)

对于传输效率，由公式可以得出：当耦合强度增强时，系统传输效率增强，输出功率则未必。我们也发现，一味增加耦合强度确实可以使系统传输效率尽可能高。

针对特定条件下的无线系统，可以仿真系统输出功率与互感的关系,仿真参数为Uin=220V,f=150kHz,L1=153μH,L2=112μH,R1=2Ω,R2=0.01Ω,RL=842Ω。

图2 SS型WPT系统传输功率特性

(8)

代入式(7)，可得此时传输效率为50%。

2 自由空间与屏蔽环境下的线圈感应特性

对于一个特定的磁场耦合谐振式无线电能传输系统，其工作频率、线圈自感以及输入电压等都是确定的。为了使其工作在目标谐振频率，补偿电容值也是一个与自感相关的定值，因此影响系统性能的最大因素即谐振器收发线圈间的互感。线圈的自感和互感与线圈的匝数、形状、线径、材料等相关，而 COMSOL电磁场仿真软件可以直接计算线圈在特定环境下的自感和互感。

当将无线电能传输系统应用在精密仪器(如运载火箭飞行控制系统)上时，各种电磁效应很可能影响系统电磁兼容性。故在火箭上应用无线供电系统时，应该对线圈进行电磁屏蔽设计。但不同材料的屏蔽效能会对系统性能产生不同的影响，因此，使用不同材料，分别在COMSOL上进行了仿真。

非铁磁性材料(如铝)在屏蔽过程中，由于涡流效应，自感和互感均降低，系统性能恶化。下面对特定线圈进行电磁场仿真，探索非铁磁性材料(铝板)和线圈的距离大小对线圈自感和互感的影响。

仿真参数为：工作频率150kHz；发射线圈外半径7.5cm，接收线圈外半径4.5cm；传输距离5cm；线径1.5mm。并在两线圈外侧各放置一块同样尺寸的磁场屏蔽层，其材料为铝，研究发射线圈自感和两线圈互感：

图3 铝板存在时发射线圈自感与两线圈互感的变化曲线

由仿真结果可以看出，非铁磁性材料的屏蔽使线圈自感和互感降低，且距离越近，参数恶化越严重。另外，在不放置屏蔽层的情况下，互感约为21μH,即铝板距离线圈10cm以上时，对线圈影响可忽略，互感参数已近似于自由空间。

当铁磁性材料位于无线电能传输系统附近时，流过线圈的电流产生的磁场外加给铁磁材料，形成比较强的磁化矢量与感应磁场，使得自感与互感值增大。在发射线圈和接收线圈上贴1cm宽均匀磁条，长度覆盖住线圈，相对磁导率为2400。

对其线圈进行电磁场仿真，得出非磁性材料(磁条)数量对线圈自感和互感产生的影响。参数同上。

由仿真结果可以看出，磁条存在时自感与互感均有增加，但互感增幅不大。为了进一步调节系统参数以及优化屏蔽效应，可以使用铁磁性与非铁磁性材料联合屏蔽法，既增强了屏蔽效能，又可以调节互感值。在发射线圈外侧3cm处放置铝板，再观察磁条数量对互感的影响，COMSOL仿真示意图如下：

图4 磁条成对存在时线圈自感与互感的影响曲线

图5 双屏蔽状态下COMSOL仿真示意图

在COMSOL中仿真互感并观察磁场，图6为互感值变化曲线，图7为磁场屏蔽效果图，磁场集中在屏蔽层内部，屏蔽效能较好。

图6 双屏蔽状态下线圈互感的变化曲线

图7 双屏蔽状态下磁场COMSOL仿真图

由仿真结果可知，铝板屏蔽虽然使感应特性变差，但铝的存在不影响铁磁性材料对互感的优化作用，使用双屏蔽方法既可以增强屏蔽效能，又能更精确地控制线圈的互感值。在第1章的分析中得知，互感决定了整个系统的性能，因此可以通过控制不同屏蔽方式来优化整个系统的性能。

3 优化指标的提出与屏蔽实现

针对SS型无线电能传输系统的传输效率与传输功率不可兼得这一特性，可以引出功效积概念：

(9)

当系统工作在最大功效积状态时，无线电能传输系统可在高功率与高效率间取得最优解。在设计SS型无线供电系统时功效积这一指标的优化非常重要。由式(9)可以看出功效积与互感相关，基于图6中的仿真模型，可以计算谐振器在双屏蔽环境下的功效积变化。

图8 双屏蔽状态下功效积的变化曲线

经过分析发现，一味增加磁条数量提高线圈耦合程度(即提升互感)未必使系统传输品质提高。铝板屏蔽使互感降低，磁芯聚磁使互感增加，双屏蔽方式则既能增强屏蔽效能，又能使互感可控，非常适合应用在箭载无线电能传输系统中。由图5可知，在以上实验参数时，最佳屏蔽方式应为：3cm外接铝板屏蔽的同时加4块磁芯聚磁，此时在增强屏蔽效能的同时，线圈的互感值使系统工作在最大功效积的情况下。(注：线圈的自感也随之发生变化，如果不改变相对应的配谐电容值，系统将发生谐振点偏移。而本文的优化基础是基于电容值随自感值变化，且工作频率保持150kHz不变的情况。)

经过以上分析，本文设计了符合最大功效积屏蔽方式的耦合线圈，以及相应的无线电能传输系统，封装好的线圈如图9所示。工作时线圈间隔5cm，与仿真参数相对应，实际互感约为20μH：

图9 屏蔽封装后线圈实物图

无线电能传输系统整流后的高频逆变使其工作在150kHz频率下，输入端电压有效值为220V，接收端经整流与直流斩波变换后，分两路传输。电容电感与负载值如上文仿真所示，此无线电能传输系统示意图如图10。

图10 无线电能传输系统实物

连接后系统正常工作，测得输出功率约为5300W，功效积约为3530，符合图8分析结果。说明这种通过电磁屏蔽的方式改进线圈互感值，进一步提升系统性能的方法是可行的。

对于箭载环境，最大功效积未必是最佳工作点。分析功效积公式，可得此时无线供电系统效率仅为66.6%。在箭载环境中，效率过低，功率过高，考虑其散热性与经济性，可知工程应用性较差。因此，对于不同的工程应用环境，选择不同的优化指标很重要，单独优化输出功率、效率、功效积，都不能使箭载无线电能传输系统有较好的工程应用性。

分别计算不同输出效率下的输出功率，得表1，可进一步分析系统的最佳工作点。

表1 功率效率对应表

综合分析可知，对于运载火箭系统，工作在90%效率的情况下，工程应用性较好。此时互感值远高于最大功效积状态。为达到90%效率的工作状态，增大互感值，可以改变屏蔽方式(进一步增加磁芯或者降低铝板到线圈的距离)，或者改变线圈间距等。

由于改变屏蔽方式也要相应地改变电路结构，所以用改变线圈间距做实验：对图9所示结构减小气隙，增大互感值至27.6μH，测得功率与效率符合表1。总结分析与实验结果可知，如果追求最大的输出功率，应降低互感，直至效率为50%；当系统处在散热性较好的环境中，且需要同时考虑输出功率和效率时，应工作在最大功效积状态；当工作在散热性较差的箭载环境时，需要适当增大互感减小输出功率，此时效率增大，而90%的效率比较符合。系统工作后测出输出功率与效率分别为2.05KW与88%，与上文分析结果基本一致。

综上所述，通过铝板磁芯双屏蔽的方法可以改变互感值，并进一步满足系统性能，对于不同的工程应用环境，最佳性能点也不同，所选的屏蔽方式也不同。可通过控制屏蔽方式的方法来控制系统性能。

4 总结

提出了一种基于电磁屏蔽理论的线圈优化方式，先以功效积为优化指标，通过用不同屏蔽方式(包括非磁性金属、磁性金属与二者联合屏蔽)调节互感值以优化线圈，仿真验证出在特定参数下的最佳屏蔽方式。不但减小了电磁场对箭上复杂电磁环境的影响，提升其电磁兼容性，而且能够通过改变互感值进一步调节无线电能传输系统的各项指标。功效积这一指标的优化满足了SS型拓扑结构的高输出功率与高传输效率平衡的需求，而后通过分析不同效率情况下的工程适用性，进一步调节互感值，并实验验证。另外也为其他拓扑结构、其他初始条件的无线供电系统提供了一种选择屏蔽优化材料的方法，即在铝-磁双屏蔽方式中通过改变铝板到线圈间距、磁芯数量来对系统进行不同层面的优化。