基于ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D的MCR-WPT系统仿真

姜建国 曾昭淦 付月豪 占二林 龙大海

（东北石油大学电气信息工程学院）

无线电能传输技术（Wireless Power Transfer，WPT）是一种不需要导线连接，使电能通过无接触方式从电源传输到负载的能量输送方式［1］。 无线输电的提出最早可追溯到一百多年前，1889年尼古拉·特斯拉便发明了无线输电方法［2］。 近年来，随着WPT的大力发展，在城市电车、电力机车、物流电力机车及无人机等诸多领域展现了巨大的应用潜力，人们对无线电能传输的研究与开发也投入了很多精力［3］。而电子设备（如可穿戴设备、手机、平板电脑、笔记本电脑和医疗植入设备）充电需求的不断增长，对WPT的研究和应用也越来越受到人们的期待。

由于WPT独特的应用优势，因此对其运行提出了更高的要求［4］。根据距离发射机构的远近，可以分为近场和远场两个区域，其中近场分布在场源的一个波长范围内；远场指距发射机构一个波长范围之外的区域，远场无线电能传输又被称为“能量WiFi”［5］。 在中远距离进行的无线电能传输主要依靠的是电磁共振耦合原理［6］。

磁共振无线电能传输 （Magnetic Coupling Resonant WPT，MCR-WPT）具有不受导线束缚，能够实现中等距离无线能量传输的特点，在无线充电等领域具有较为广泛的应用前景［7］。 作为无线传输技术领域极为重要的一个分支，在中距离对电能的优秀传输效率吸引了国内外学者进行大力研究，在系统特性与传输效率方面取得了大量阶段性的研究成果。2007年，Marin Soljacic和麻省理工学院的几位学者首次利用MCR-WPT原理实现了中程无线电能量的传输， 并在2 m多的距离内点亮了一个60 W的灯泡，传输效率约40%［8］。

目前，对于MCR-WPT的研究主要是通过其电路结构进行仿真， 如基于MATLAB/Simulink对电路进行仿真，获得传输功率、传输效率和系统稳定性仿真结果［9］；使用三维电磁仿真软件HFSS对带有管状磁芯的螺旋线圈进行电路结构解析建模［10］；在选择分析的拓扑模型方面，主要以选取串-串联（S/S）谐振拓扑结构建立系统的等效电路模型，用以分析影响系统传输性能的主要因素［11］。

笔者以S/S拓扑模型对MCR-WPT系统进行分析，采用ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D电路模型进行仿真，进一步观察系统工作期间线圈磁场的运行情况，最后通过搭建的实际模型对结果进行验证。

1 MCR-WPT系统分析

MCR-WPT系统主要由发射端和接收端两个部分耦合而成（图1），发射端变换电路主要是使输入电源转换成与磁耦合谐振器具有相同频率和相位的高频电源；接收端变换电路包括高频整流模块、变换电路等。

图1 MCR-WPT系统组成

图1中， 磁耦合谐振器的功能是发射线圈和接收线圈产生电场与磁场的相互影响效应，从而达到向系统传输电能的目的。 在磁感应无线传输中， 松耦合的变压器的耦合度通常由耦合系数k表示，而在磁谐振无线传输中，传输线圈的耦合度则通常由互感M表示。

1.1 无补偿电路传输系统模型

在通常情况下传输线圈中有内阻，其无补偿电路传输系统互感模型如图2所示。

图2 无补偿电路传输系统互感模型

或者可以把式（1）简化为：

由式（9）可知，要想提高系统传输效率η，需从以下几方面改进：

a. 提高ZM， 即提高交流电源角频率ω和两侧线圈互感M；

b. 通过一定的方式控制Z11的值，通常采取降低发射端线圈的内部阻抗值的大小实现；

c. 通过一定的方式控制Z22的值，通常采取降低接收端线圈的内部阻抗值的大小实现。

由于MCR-WPT是基于近场谐振强耦合的概念，两个拥有相同谐振频率的线圈能够进行高效率的能量传输，由式（9）可以得知，会有很大一部分电能消耗在线圈内阻上，这使得传输效率远低于预期。

1.2 加入补偿结构的传输模型

采用补偿电容可以在一定程度上减小传输侧线圈中的回路内部阻抗，用这种方式调整系统的无功功率。将MCR-WPT系统中线圈的两个绕组分别与合适的补偿电容串联组成S/S谐振MCRWPT系统，互感模型如图3所示。

图3 S/SMCR-WPT互感模型

根据网孔电流法，可写出网孔方程：

由于加入了补偿电容， 传输系统发生了谐振，因此有：

将式（17）除以式（15）可得两侧传输电压之比为：

由式（18）和式（14）相乘可得系统传输效率η为：

2 MCR-WPT仿真

使用ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D V18.0仿真软件， 对S/S补偿模型MCR-WPT系统进行仿真， 获取发射侧线圈与接收侧线圈电流的变化曲线、 发射侧线圈与接收侧线圈之间的磁场分布。

首先，搭建发射侧线圈模型（图4），并设定仿真线圈的模拟数值，线径（半径）4.00 mm、内径（半径）75.00 mm、节距10.00 mm、圈数3，如图5所示。

图4 接收线圈与发射线圈

图5 线圈参数设置

鉴于MCR-WPT系统的工作环境，采用的线圈要求谐振频率要尽可能地接近，所以接收线圈的设计应该与发射线圈采用完全一致的构造进行搭建设计（图4）。

将发射线圈命名为TX，接收线圈命名为RX，将它对应到S/S拓扑结构的磁共振无线传输电路中，并进行仿真，仿真电路如图6所示。 设定各元件参数：激励电源10 A、频率500 kHz、补偿电容800 nF，仿真时间为10 μs，即使仿真波形显示为系统运行10 μs过程中电流波形。

图6 S/S的MCR-WPT电路仿真

仿真模拟得到的发射线圈与接收线圈的电流仿真波形如图7所示。 可以看出，发射侧的电量经过发射侧线圈传递到了接收侧线圈，传递过程中存在电能损耗，所以电流值有所减小。

图7 发射线圈与接收线圈的电流波形

使用ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D特有的仿真模型磁场分布的分析能力， 对发射线圈和接收线圈周围的磁场进行模拟仿真，结果如图8所示。 可以看出，电能在传输过程中，磁场在线圈线缆附近的场强越大， 越往线圈圆心越小； 反射线圈的磁场向着接收线圈的线缆传递， 使接收线圈获得发射线圈的磁场， 进而转换为电能。 根据磁场强度分布能够看出，随着两线圈之间的距离增大而磁场强度减小，所以发射线圈与接收线圈之间距离增大， 传输效率会降低。

图8 发射线圈与接收线圈之间的磁场分布

3 实物搭建

基于MCR-WPT原理，对其拓扑模型进行模拟仿真， 用已有的电路搭建S/S拓扑结构的MCRWPT装置，如图9所示。

图9 MCR-WPT装置

MCR-WPT装置处于额定工作环境下，能稳定地实现10 cm以上的无线电能传输。 在不考虑装置固件的影响，传输效率受多种外力因素的影响时，则距离成为最大的影响因素，随着发射线圈与接收线圈几何间距的变大，系统的传输效率逐渐降低。

4 结束语

使用电路互感强耦合理论对MCR-WPT系统的原理进行理论分析， 采用ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D对MCR-WPT发射端与接收端的能量传递和发射线圈与接收线圈周围磁场分布进行模拟仿真，选择典型的S/S拓扑结构，为S/S拓扑结构MCR-WPT模型的设计提供了一种参考方法。 通过搭建实物装置，观察发现无线电能传输效果与ANSYS Electronics Desktop/Maxwell3D的仿真结果较为一致，表明系统的整体硬件电路能够进行正常的电能无线传输，整个系统的硬件电路能够进行正常的无线传输，证明了笔者设计的无线电源在实际应用中具有可行性和实用性。