基于铁氧体的磁感应无线输能系统传输效率优化

王雯雯，韩诚亮，都 明，何委林

(中国人民解放军78111部队，四川 成都 610031)

0 引言

磁感应无线输能技术应用范围很广，文献[1]提出填充铁氧体的多层线圈设计方案，仿真分析了加入铁氧体后系统传输效率和耦合系数的关系，但并未进行实验验证；文献[2]在磁感应输能系统收发线圈上添加铁氧体隔磁片，实现了耦合系数的提高，但由于没有考虑负载对系统的影响，在线圈间距5.6 mm，频率100 kHz时，传输效率仅为58%。

本文设计了一种基于铁氧体软磁片的磁感应无线输能系统。通过引入软磁片，提高线圈的耦合系数和品质因数，在优选负载的情况下，该系统可有效提高近距离磁感应系统的传输效率。

1 系统理论分析

1.1 系统传输效率理论计算

磁感应无线输能系统包括信号源、发射线圈、接收线圈和负载，其等效电路模型如图1所示。k为收发线圈间的耦合系数；M为收发线圈间的互感；Q1，Q2分别为收发线圈的品质因数；R1，R2分别为收、发线圈的等效内阻；h为传输距离；ω为交流电的角频率；Rs为信号源内阻；C1，C2分别为收、发回路的谐振补偿电容；L1，L2分别为收、发线圈的自感；RL为接收端的负载电阻[1-2]。

图1 系统等效模型

当收、发回路均谐振时，系统的传输效率为：

(1)

收、发线圈的品质因数和耦合系数分别为：

(2)

将式(2)代入式(1)，系统的传输效率可以表示为：

(3)

由式(3)可以看出，系统的传输效率与收发线圈间的耦合系数k，品质因数Q1、Q2，线圈等效内阻R1、R2及负载RL均有关[3-4]。

1.2 系统参数对传输效率的影响

相同线圈由于形状和尺寸不变，两线圈的品质因数也不变，这里只研究一个品质因数，设为Q。当同一工作频率时，固定两线圈内阻和负载，通过Matlab仿真得到传输效率η与耦合系数k和品质因数Q的关系如图2所示；固定k、Q、RL，得到传输效率η与等效内阻R1、R2的关系如图3所示；固定k、Q、R1、R2，得到传输效率η与负载RL的关系如图4所示。

参考文献[5-6]为便于计算，按照平面螺旋线圈内阻及该距离两线圈品质因数普遍取值规律，其中R1、R2选择具有等量递增变化的0.1～0.5 Ω，品质因数Q选择等量变化的0～300，耦合系数k选择等量变化的0～1，负载RL选取市面上已有的、具有等量递增变化的10～100 Ω的电阻。

由图2可以看出，系统传输效率η随耦合系数k、品质因数Q的增大而增大，耦合系数k对传输效率η的影响大于品质因数Q；由图3可以看出，线圈等效内阻R2变化时，系统的传输效率η变化不大，R1变化时传输效率η不变；由图4可以看出，传输效率η随负载RL的增大而增大，当负载RL超过某一值后，传输效率趋于不变。

图2 传输效率η与耦合系数k和品质因数Q的关系

图3 传输效率η与等效内阻R1、R2的关系

图4 传输效率η与负载RL的关系

从图2～图4分析得出，线圈的品质因数Q和耦合系数k是影响传输效率η的主要因素，在磁感应无线能量传输中可以通过提高线圈的品质因数和两线圈间的耦合系数提高系统效率。

2 系统仿真及实验验证

2.1 Maxwell仿真

本文采用一种基于有限元分析的3D仿真软件Maxwell对线圈进行建模[7]，3D模型如图5所示。两线圈参数相同，线圈内径52 mm，外径245 mm，匝数25，通过Eddy Current求解器求解平面螺旋线圈的品质因数及耦合系数。仿真中所用材料为铜，电导率为5.8×107S/m，激励源是幅度1 A、f为100 kHz的交流电流，仿真中线圈内阻等效为一个0.1 Ω的电阻，负载为一个10 Ω的电阻。当传输距离h由5～50 mm以5 mm增量递增时，仿真计算线圈间的品质因数Q和耦合系数k，如表1所示。

图5 系统线圈仿真3D模型

表1 品质因数和耦合系数仿真值

2.2 实验验证

根据仿真模型，手工制作线圈。使用厚度为2 mm，直径为350 mm的Acylic板作为线圈基板，将规格0.15 mm×135股的多股家装电缆线密绕粘在Acylic板上，实物如图6所示，测试线圈内阻约0.1 Ω，使用一个10 Ω的功率电阻作为负载，搭建磁感应无线输能系统测试平台如图7所示[8]。

图6 平面螺旋线圈实物

图7 磁感应无线输能测试平台

改变测试平台线圈间的传输距离，用LCR电桥测出线圈的耦合系数及品质因数，仿真和测试结果对比如图8和图9所示。

图8 系统耦合系数仿真和实测对比

图9 系统品质因数仿真和实测对比

由图8可以看出，线圈的耦合系数随传输距离的增加而减小，当传输距离刚开始增加时，耦合系数急剧下降，随着传输距离的增大缓慢衰减；图9表明线圈的品质因数随距离的变化并不明显。

从图8和9可以得出，在系统内阻及负载不变的情况下，随着传输距离变化，系统线圈耦合系数仿真和实测基本吻合，品质因数实测和仿真存在误差但变化趋势基本一致。考虑到实测手工绕制线圈、读数的误差，周围环境中杂散电磁干扰及温度的影响，此误差可以忽略。

3 铁氧体软磁片对系统效率的优化

由前文分析可知，耦合系数越大，品质因数越高，系统的传输效率就越高，引入铁氧体软磁片可以增加线圈的电感，进而提高线圈的品质因数及耦合系数，达到提高效率的目的。铁氧体软磁片参数如表2所示、实物如图10所示。在前文平面螺旋线圈的背面附着铁氧体软磁片，分别测试附软磁片前后系统耦合系数及品质因数的对比关系；不同负载在距离变化时对系统传输效率的影响以及两系统传输效率在距离改变时的变化趋势[9]。

表2 铁氧体软磁片参数

图10 附铁氧体软磁片线圈实物图

3.1 铁氧体软磁片对线圈耦合系数及品质因数的影响

通过改变传输距离，研究附软磁片前后两系统耦合系数及品质因数的变化规律，用LCR电桥测出线圈的耦合系数及品质因数[10]，得出对比值如图11和图12所示。

由图11可以看出，当传输距离小于10 mm时，附软磁片线圈的优势更加突出，相比无软磁片的系统，耦合系数最大提高约10%。由图12可以看出，附软磁片前后，线圈的品质因数明显增加，最大提高约5%。但随传输距离的增加，品质因数变化并不明显，这种变化趋势与前期仿真结果基本吻合。

图11 两系统耦合系数实测对比

图12 两系统品质因数实测对比

3.2 基于铁氧体软磁片的系统传输效率与负载、传输距离的关系

为验证本文铁氧体软磁片对传输效率的优化[11]，在图7磁感应测试平台的基础上进行实验。信号源产生频率f为100 kHz的交流电，实验中发射线圈与接收线圈均匹配一个19～23 nF的可调补偿电容，经过实际测量内阻约0.1 Ω。根据前文分析，当负载超过某一值后系统效率趋于不变，因此根据图4变化规律，负载选取市面上已有的、具有等量递增变化的10，20，30，40 Ω的功率电阻，当传输距离h由5～50 mm以5 mm增量递增时，计算附软磁片时不同负载对应磁感应系统的传输效率如图13所示。

由图13可以看出，系统的效率随距离的增大单调递减，不同阻值效率衰减速率不一样，当负载为30 Ω时，系统效率最大约74%。

图13 不同负载时系统传输效率与距离的关系对比

3.3 附铁氧体前后两系统传输效率与传输距离的关系

根据前文分析，选择30 Ω作为系统负载，改变传输距离，研究附软磁片前后两系统传输效率的变化趋势[12]，测量得出对比值，如图14所示。

图14 两系统传输效率与距离的关系对比

由图14可以看出，附软磁片系统的效率明显优于未附软磁片的系统，在传输距离5 mm，频率100 kHz时，前者效率相较后者提高约24%。

4 结束语

本文提出一种基于铁氧体软磁片的磁感应无线输能系统优化方案。搭建实验平台测量后得出结论，在优选负载的基础上，系统耦合系数最大提升约10%，品质因数最大提高约5%，效率提高约24%。运用该系统进行无线能量传输，可明显提高系统效率。这种借助特殊材料优化系统参数的方式为近距离磁感应系统效率提升提供了有效的解决途径[13]。现阶段，磁感应输能技术广泛运用于电信、工业等领域，以解决无线充电等问题，下一步，本文将在现有研究基础上深入研究线圈阵列、线圈材料等因素对磁感应系统的影响，以期进一步提高系统传输效率。