一种三线圈IPT系统耦合机构设计与仿真

孙宏光

一种三线圈IPT系统耦合机构设计与仿真

孙宏光

（中国人民解放军海军装备部，北京 100000）

无线电能传输系统主要包括逆变环节、补偿拓扑、耦合器、整流环节四部分。实际中系统的补偿元器件出厂前已被确定，但负载变化和耦合器偏移都会影响整个系统的谐振状态，间接降低传输效率。本文提出一种新型的三线圈IPT系统的耦合器，采用在接收线圈增加反串联线圈的结构，通过maxwell 3D软件仿真验证该结构线圈在耦合器发生水平、旋转偏移时，耦合器自身参数，如自感、互感的变化率相比传统两线圈结构有明显的提升。另外，本文在通过传统两极板仿真时，得出了耦合器的自身参数受哪些变量的影响，方便读者后续工艺设计，并给出了比较适配的极板参数范围，以提供参考价值。

磁感应式无线电能传输 耦合器偏移 反串联线圈结构 maxwell 3D仿真软件

0 引言

现如今，全世界已经正式进入新能源的时代，电能作为最基础的能量在日常生活中已不可或缺。感应式无线电能传输技术(inductive power transfer,IPT)[1-2]作为一种高效、便捷、安全的电能传输技术，在某些领域已被大量使用，如电力系统、电动汽车、医疗、海上设备以及无人机等领域。

IPT的基本原理是由发射线圈通过激励电源产生空间中的磁通穿过接收闭合线圈时，在闭合的接收线圈产生感应电流，从而达到无线传输电能的效果。实际应用中大多以单线圈-单线圈的耦合器为主，通过不同的谐振补偿网络SS、SP、PP、PS、LCC-LCC、LCC-S[3]实现不受负载影响的恒压恒流输出。然而在电动汽车、轨道交通领域，发射线圈往往是固定的，负载的停留随机，不能保证发射线圈与接收线圈正对，导致耦合器的自感和互感发生偏移，这样会大大影响系统的传输效率，所以在磁感应无线电能传输技术中，需要耦合线圈在一定范围内具有强抗偏移性。例如在电动汽车充电标准SAE J2954规定电动汽车前进方向偏移不超过±70 mm，径向方向偏移不超过±100 mm[4]。

为实现系统的高效稳定的传输[5]，需耦合器在发、接收线圈偏移时，耦合器的自身参数不发生太大的波动，当耦合器线圈发生偏移，其输出电压电流受互感变化的影响，不再恒定，因此，目前已有学者对系统补偿网络参数进行优化，可使IPT系统输出对线圈偏移变得不敏感。此外，可以通过控制器实时控制系统输出，让其输出不受系统偏移参数影响，例如变频控制和buck变换控制。以上方案，当整个系统发生多处变化时，很难稳定输出，其控制能力有限。因此，文献[6-7]中提出将两个输出线圈偏移变化呈相反趋势的 IPT 补偿拓扑通过串并联的方式，构成新的IPT系统，该系统的补偿拓扑分别具有与负载无关的恒压或恒流输出特性。因需根据实际输出来选择对应的拓扑，该拓扑普适性差，且补偿元件过多。

若耦合器自身具有强抗偏移性，结合适配的补偿网络，可以快速的解决通用性问题。目前，已有研究使用DDQ、DD、BP等线圈结构[8]，虽能产生均匀的磁场，增强耦合系数，但这些线圈结构在抗偏移特性上仍不足。文献[9]在S-S补偿的IPT系统中增加两个附加线圈和两个谐振电容，其中两个谐振电容也采用 S-S 连接方式，从而提供系统输出电流的抗偏移能力。两个附加线圈和主耦合线圈可由一个BP型耦合器实现，但这种拓扑只适用于恒流输出。

为解决上述耦合器设计的不足问题，本文提出一种新的三线圈的耦合结构，用材简单，抗偏移性更强，适用于任意的补偿网络，该新型耦合器发射侧一个线圈，接收侧两线圈，为反串联结构。反串联线圈的接入致使耦合器发接线圈的自感量与互感量减少，但会使得耦合器在发生偏移时，自身参数变化减小，更利于实际应用，同时文章最后通过仿真给出了耦合器发收极板的最适线宽。

文章共分为三部分：

1）传统两线圈结构与仿真：介绍了IPT系统传统发、收两线圈模型结构，耦合器的自感、耦合系数受各线圈宽度，极板尺寸，距离，水平偏移，旋转偏移等量变化而发生怎样程度的改变；

2）三线圈耦合结构与仿真：主要介绍了新型三线圈的结构，制作尺寸，设计的新型耦合器受偏移量影响后自身参数的变化如何，程度大小，并在maxwell仿真中得到验证；

传统两线圈与三线圈耦合器的比较：通过对比新型三线圈与传统两线圈耦合器在同等条件下，发生水平、旋转偏移时耦合器的自感、互感的变换程度，通过仿真实验比较，这种新型的三线圈耦合器具有更强的参数稳定性，具有更好的普适性。

1 传统两线圈的模型与仿真

1.1 整体设计思路及流程

耦合机构和补偿网络[10-11]是非接触供电系统设计中最重要和最困难的部分，其性能直接影响着系统的传输效率、稳定性、可靠性。本次设计的基本思路和流程如图1所示。

首先，根据设计要求尺寸在ANSYS Maxwell中建立3D模型进行仿真，对线圈宽度、结构进行优化，实现最大耦合和最好抗偏移特性[12]。接着，根据要求选取合适的补偿网络，并计算相关参数。根据计算参数，在LTSPICE中建立模型进行仿真，校验传输效率、传输功率是否满足要求，如果不满足要求，对参数、补偿网络进行调整，直至满足要求。根据LTSPICE中线圈电流设置ANSYS Maxwell中的激励电流，进行电磁仿真，确定磁芯尺寸。将ANSYS Maxwell中偏移后的线圈参数代入LTSPICE进行仿真，校验传输效率、传输功率是否满足要求，如不满足对参数进行调整直至不同偏移情况均满足要求。根据LTSPICE的仿真，设置Maxwell中的电流进行电磁仿真校验，如磁芯损耗大，对磁芯进行调整，降低损耗。最后对线圈外壳进行设计，并进行热仿真优化，直至温升满足要求，线圈耦合机构和补偿网络设计结束。

1.2 双线圈耦合机构电磁仿真设计

为了分析耦合机构的磁场，在ANSYS Maxwell中建立3D模型进行仿真分析，仿真模型如图2所示。由图2(a)可知，发射器由发射线圈、发射铝板、发射磁芯组成；由图2(b)可知接收器由接收线圈、接收铝板、接收磁芯组成。

发射磁芯和接收磁芯由磁导率高、损耗小的铁氧体材料组成，是无线电能传输系统的主磁路。

线圈中电流激励的磁场的一部分磁通泄漏到空气中，形成漏磁通。为了减小漏磁通产生的电磁干扰，在发射端和接收端分别加装发射铝板和接收铝板。漏磁通在铝板中形成的感应磁场抵消漏磁通，实现电磁屏蔽。

图1 耦合机构设计流程图

发射线圈和接收线圈的宽度会影响耦合机构的特性。不同的线宽，抗偏移特性不同，耦合系数不同，电感量不同。优化线圈宽度是仿真设计的重要环节。

图2(c)整体模型，发射器尺寸580mm×580mm×32mm，接收器仿真模型尺寸360mm×360mm×32mm。仿真中，接收线圈将沿水平方向偏移和z方向偏移，水平方向偏的偏移范围为0-100 mm，z方向的偏移距离50-100 mm。除了偏移外，接收线圈还会进行翻转10°的仿真，仿真模型如图3所示。

图2 仿真模型

图3 翻转10°的仿真模型

发射器与接收器之间的偏移，会引起线圈电感量[13-16]、耦合系数的变化，影响传输的效率与功率。为了实现电能的高效、稳定传输，通过线圈优化减小线圈偏移引起的参数变化是耦合机构设计的重要环节。本设计要求水平偏移0-100 mm，z偏移50-100 mm，偏转角10°，为了满足设计要求，在仿真中设置了变量进行仿真，仿真结果如表1~表4。

表1为不同偏移下的接收线圈电感量。由表1可看出，接收线圈越宽，电感量越小。接收线圈宽度相同时，水平方向和z方向发生偏移时，线圈电感量变化较小。

表2为同偏移下的发射线圈电感量。由表2看出，发射线圈越宽，电感量越小。发射线圈宽度相同时，z方向偏移相同时，水平方向发生偏移，电感量变化较小。y方向偏移相同时，z方向偏移由50-100 mm时，电感量偏移10%左右。

表3为无水平偏移情况下，z方向发生偏移时耦合系数的仿真结果。发射线圈宽度相同时，接收线圈宽度增加，耦合系数增加。接收线圈宽度相同时，发射线圈宽度增加，耦合系数几乎不变。

表1 接收线圈电感量/µH（s为发射线宽度，y为平偏移，z为方向偏移，单位：mm）

表2 发射线圈电感量/µH（r为接收线宽度，y为平偏移，z为方向偏移，单位：mm）

表3 无水平偏移, 耦合系数仿真结果（s为发射线宽度，y为平偏移，z为方向偏移，单位：mm）

当接收线圈宽度为80 mm时，相同的发射线圈宽度，z方向由50 mm变到100 mm时，耦合系数变化减小22%左右；当接收线圈宽度为110 mm时，相同的发射线圈宽度，z方向由50 mm变到100 mm时，耦合系数变化减小27%左右；当接收线圈宽度为110 mm时，相同的发射线圈宽度，z方向由50 mm变到100 mm时，耦合系数变化减小31%左右；当接收线圈宽度为180 mm时，相同的发射线圈宽度，z方向由50 mm变到100 mm时，耦合系数变化减小34%左右。因此，接收线圈宽度较小时，z方向的抗偏移特性好[17-18]。

接收线圈宽度为80 mm，发射线圈宽度为60 mm时，z方向偏移由50 mm变到100 mm时，耦合系数减小24%左右；接收线圈宽度为80 mm，发射线圈宽度为90 mm时，z方向偏移由50 mm变到100 mm时，耦合系数22.4%左右；接收线圈宽度为80 mm，发射线圈宽度为120 mm时，z方向偏移由50 mm变到100 mm时，耦合系数21.4%左右；因此，相同条件下，发射线圈大时，z方向的抗偏移特性好。

其中β是稀疏惩罚项的权重。在学习过程中，通过BP算法对神经网络的W和b的逐步修正，代价函数逐渐被最小化。在此过程中，必须计算隐藏层的每个神经元对输出层误差的贡献。此外，还应该计算代价函数对W和b的偏导数。文献[16]指出，L-BFGS算法在深度学习中训练维度较低的情况下，效果比较好且收敛速度快，运行稳定，因此本文采用L-BFGS算法求解。

表4 水平偏移100 mm，耦合系数仿真结果

表4为水平偏移100 mm时，z方向发生偏移时耦合系数的仿真结果。由表可以看出，接收线圈宽度小，发射线圈宽度大时，z方向的偏移特性好。

对比表3和2.4可知，接收线圈宽度80 mm，发射线圈为120 mm时，水平方向偏移由0变到100 mm时，耦合系数变化小于接收线圈宽度110 mm，发射线圈为120 mm的耦合系数变化量。接收线圈宽度80 mm，发射线圈为120 mm时，水平方向偏移由0变到100 mm时，耦合系数变化小于接收线圈宽度80 mm，发射线圈为90 mm的耦合系数变化量。因此，发射线圈宽度大，接收线圈宽度小时，水平偏移特性好。

综上所述，为了减小由于偏移产生的变化量，发射线圈宽度应大于90 mm，接收线圈宽度不应超过110 mm。

2 三线圈耦合机构仿真

为了进一步减小偏移中，线圈电感和耦合电感的变化，提高抗偏移特性，在接收线圈中加入一个线圈，与接收线圈反向串联，仿真模型如图4所示。

由于反向线圈L3与原接收线圈L2反向串联，所以L3与L2串联后的总电感量L23根据(1)进行计算；L2与发射线圈L1为正向耦合，耦合系统的互感M计算式为(2)，等效耦合系数k计算为(3)。

(1)

(2)

(3)

其中，k23为线圈L3和L2之间的耦合系数，k13为线圈L3和L1之间的耦合系数，k13为线圈L3和L1之间的耦合系数。

图4 带反向线圈的仿真模型

图5为发射线圈宽度设置为110 mm，接收线圈宽度设置为100 mm，反向线圈设置为25 mm的电感量仿真结果，从图中可以看出单匝电感量变化较小。多匝电感量根据式（4）进行计算。

图5 带反向线圈的仿真模型

3 新型三线圈与传统两线圈的参数对比

图6为接收线圈设置为13匝，反向线圈设置为3匝的接收线圈总电感量和接收线圈设置为13匝，无反向线圈的电感量对比图，从图中可以看出，加了反向线圈后，电感量减小，变化趋势和变化量基本相同。

图7为接收线圈设置为13匝，反向线圈设置为3匝的三线圈耦合机构耦合系数和接收线圈设置为13匝，无反向线圈的耦合机构耦合系数对比图，从图中可以看出，加了反向线圈后，耦合系数减小一些，但是耦合系数的波动明显减小，三线圈耦合机构具有更好的抗偏移特性。

可变剪接，这个早在20世纪就被提出的概念，在近几年的研究中，又“火”了起来。科学家们发现，可变剪接不仅丰富了蛋白质组多样性，还在生物体内起着重要的调控作用。

教师要利用有效手段增加学生学习英语的积极性与主动性，如学习动机、学习态度、学习资源和语言环境等。教师在课堂上开展生动的教学活动可以激发学生用英语交流的意愿，如采用角色扮演、小组活动和语言游戏等。激发了的交流意愿有益于学生养成自主学习的习惯[4]。

图8为发射线圈设置为17匝，接收线圈设置为13匝，反向线圈设置为3匝的三线圈耦合机构耦合系数和发射线圈设置为17匝、接收线圈设置为13匝，无反向线圈的耦合机构耦合电感对比图，从图中可以看出，加了反向线圈后，耦合系数电感一些，但是耦合电感的波动明显减小，三线圈耦合机构具有更好的抗偏移特性。

图6 不同偏移情况下，两种接收线圈电感量对比图

图7 不同偏移情况下，两种耦合机构耦合系数对比图

图8 不同偏移情况下，两种耦合机构耦合电感对比图

综上所述，增加反向线圈，线圈电感变小，耦合系数、耦合电感变小，但是耦合电感、耦合系数的变化量可大幅减小，偏移过程中，线圈中电流变化更小，有利于稳定输出。通过参数设计实现了一定程度的系统被动稳定性，结合主动动态调节，可更好的实现非接触供电系统的稳定输出。

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4 结论

耦合器设计在感应式无线电能传输中占有很重要的地位，好坏直接决定了系统传输能量的能力，原理是发射线圈通过给定的激励电流在空间中形成磁通，磁通穿过接收线圈闭合面时，接收线圈形成感应电流抵消变化的磁通，并且满足关系式=Nsφ=LsIs。得出如下几点结论：

1）传统两线圈在接收线圈宽度越小、水平偏离越大、极板距离越远时，都会导致接收自感增加；在发射线圈宽度越小、水平偏离越小、极板距离越近时，都会导致发射自感增加；在接收线圈宽度越大、发射线圈宽度越小、极板距离越近时，都会导致耦合系数增加；在发射线圈宽度越大、接收线圈宽度越小时，耦合器抗X、Y、Z方向的偏移特性越好；

2）一种新型三线圈在接收侧增加串联反向线圈，线圈电感将变小，耦合系数、耦合电感变小，但耦合电感、耦合系数的变化量大幅降低；

3）为了增加耦合器的稳定性，在工艺设计时，发射线圈线宽应大于90 mm，接收线圈线宽应不超过110 mm。

在电动汽车领域[19-20]，未来有待研究的方向在如何通过耦合器结构设计，又不降低耦合器自身参数，又能提升整体的稳定性。

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Design and simulation of a three-coil IPT system coupling mechanism

Sun Hongguang

(Equipment Department of the People's Liberation Army Navy, Beijing 100000, China)

Abstract: Wireless power transfer system comprises four main components: an inverter module, compensation topology, coupler, and rectifier module. While the compensation components of the system are predetermined before delivery, variation in load and misalignment of the coupler can have a detrimental effect on the overall resonance state, thus indirectly reduce the transmission efficiency. This paper proposes a novel coupler design for a three-coil IPT system. It incorporates an additional anti-series coil in the receiving coil structure. Through simulation using Maxwell 3D software, it is demonstrated that this modified coil structure exhibits a significant improvement in self-inductance and mutual inductance compared to the traditional two-coil structure when horizontal and rotational misalignment of the coupler occurs. Furthermore, this paper outlines the factors that influence its parameters of the coupler during conventional two-plate simulations, facilitating subsequent process design, and provides a range of plate parameters suitable for comparison and reference purposes.

Keywords: inductive power transfer; coupler misalignment; anti-series coil structure; Maxwell 3D simulation software

中图分类号：TH139

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2023）11-0001-06

收稿日期：2023-05-31

基金项目：国家自然科学基金项目(52077038)

作者简介：孙宏光（1987-），男，工程师，研究方向为电气工程。E-mail: 15198243251@163.com