无人平台野外无线充电线圈设计与优化分析

许非凡，魏曙光，袁 东，李嘉麒

（陆军装甲兵学院兵器与控制系，北京 100072）

无人平台作为军用车辆领域重要的发展对象，能改变未来陆军装备作战形式[1-2]。当前，无人平台通常采用有线电能传输的方式进行充电，这种方式存在线路易老化、接头易损坏和插拔有风险等问题，且事故隐患大、维护成本高、环境适应性弱[3]。此外，无人平台携带的电池容量有限，其存在续航里程低、载荷功率限制大、应急机动能力弱等问题。无线电能传输技术可以有效克服无人平台存在的上述问题，通过非物理接触方式实现安全、高效、可靠的电能传输，提高无人平台的续航时间和充电自主性，使野外环境下无人平台车组间的电能再分配成为可能。

耦合线圈的抗偏移、抗偏转能力长期制约着无人平台野外无线充电的应用，对此，国内外相关研究提出了大量耦合线圈结构[4]，包括以方形[5]、CP 型[6]、DD 型[7]等为代表的单层平面线圈，以BP型[8]、DDQ 型[9]、双层正交DD 型[10]等为代表的多 层平面线圈和以正四面体型[11]、圆柱体型[12]、三维偶极线圈[13]等为代表的空间结构线圈。文献[14]提出了一种太极型结构线圈，相比于CP 型和DD 型线圈，具有更好的抗偏移能力，但该线圈的抗偏转特性较差；文献[15]提出一种方形双层线圈结构，该结构由两个方形线圈和十字形铁氧体组成，可实现大角度偏移下的能量传输，但该线圈的抗移转特性较差；文献[16]提出一种三正交的立体圆形线圈结构，该结构能产生空间全向磁场，具备良好的抗偏转特性，但线圈结构较大，不适用无人平台无线充电场合。

上述研究设计的线圈结构不能很好地适应野外陆战背景下无人平台无线充电场合对耦合线圈抗偏移、抗偏转性能的要求，因此，本文首先分析野外环境下无人平台无线充电的战技指标；其次，根据无人平台战技指标需求将螺线管SP（solenoid pad）型线圈和DD（double-D）型线圈组合在一起，设计一种具备良好抗偏移、抗偏转特性的SP-DDP 双层组合线圈；最后采用磁场仿真软件对线圈参数进行优化，并制作样机验证仿真结果。

1 无人平台野外无线充电的战技指标

在野外陆战环境下，无人平台进行无线充电的过程中耦合线圈的空间运动方式主要有偏移和偏转两类。偏移主要包括轴向偏移和径向偏移2 种，其中，轴向偏移主要是由于无人平台车组各平台在充电过程中相对距离发生变化，引起发射线圈和接收线圈之间产生沿着与线圈平面垂直的轴线方向上的偏移运动；径向偏移主要是由于无人平台车组各平台在充电过程中前进速度存在偏差、停车位置未对正、车组内各平台之间存在高度差，引起发射线圈和接收线圈之间产生沿着线圈平面方向上的偏移运动。

偏转主要包括翻转和旋转2 种，其中翻转主要是由于无人平台车组各平台之间存在侧向的坡度，引起发射线圈平面和接收线圈平面之间产生翻转角度；旋转主要是由于无人平台车组各平台之间由于沿前进方向地面存在坡度，引起发射线圈平面和接收线圈平面之间相对于初始状态存在旋转的角度差。

经过上述分析，野外陆战环境下无人平台无线充电的战技指标可总结如下。

（1）无线充电传输距离应大于无人平台车组各平台间的安全距离。考虑无人平台无线充电的安全性，应根据无人平台车型大小不同，设计传输距离合适的耦合线圈，实现无人平台满足安全距离的无线充电。

（2）耦合线圈具备一定的抗组合空间运动的性能。考虑野外陆战环境下无人平台车组各车之间停放或运动时地形会变化，发射线圈和接收线圈之间难以做到正对，因此，耦合线圈在设计时需要考虑线圈轴向偏移、径向偏移、翻转、旋转等多种空间运动方式组合的情况，以提高无人平台耦合线圈的环境适应性。

（3）耦合线圈尺寸应进行限制。考虑无人平台车型大小不同，对于耦合线圈的设计尺寸也不相同，应该在满足设计需求的条件下，尽可能减小耦合线圈尺寸，在耦合线圈性能相同或相近的情况下，应选择耦合线圈总匝数较小的线圈优化方案，以减少耦合线圈的制造成本。

（4）需要考虑电磁屏蔽和电磁兼容。无线充电装置使用过程中产生的电磁辐射会对无人平台车组之间的通讯以及周围人员安全产生影响，因此，需要设计电磁屏蔽装置减弱相关电磁辐射。

2 SP-DDP 双层组合线圈结构设计

SP 型线圈和DD 型线圈是两种常见的平面耦合线圈结构。SP 型和DD 型耦合线圈在沿X 轴径向偏移和绕X 轴翻转方向上均具有良好的抗偏移性能，但在轴向偏移和绕Y 轴翻转方向上，DD 型线圈的抗偏移性能优于SP 型线圈，在旋转方向上，SP 型线圈的抗偏移性能优于DD 型线圈。为实现DD 型和SP 型线圈的优势互补，设计满足野外环境下无人平台无线充电条件的耦合线圈，本文提出了一种SP-DDP 双层组合线圈（double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad）。上述3 种耦合线圈结构如图1 所示。

图1 3 种耦合线圈结构Fig.1 Three kinds of coupling structure

SP-DDP 双层组合线圈的等效电路模型如图2所示。图中：LPSP为发射端SP 型线圈自感；LSSP为接收端SP 型线圈自感；LPDD为发射端DD 型线圈自感；LSDD为接收端DD 型线圈自感；MPSP-PDD为发射端SP 型线圈和发射端DD 型线圈之间的互感；MSSP-SDD为接收端SP 型线圈和接收端DD 型线圈之间的互感；MPSP-SSP为发射端SP 型线圈和接收端SP 型线圈之间的互感；MPDD-SDD为发射端DD 型线圈和接收端DD 型线圈之间的互感；MPSP-SDD为发射端SP 型线圈和接收端DD 型线圈之间的互感；MPDD-SSP为发射端DD 型线圈和接收端SP 型线圈之间的互感；LP为发射端线圈自感；LS为接收端线圈自感；M 为SP-DDP双层组合线圈的互感。

图2 SP-DDP 双层组合线圈等效电路模型Fig.2 Equivalent circuit model of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

对于耦合线圈的发射端，电感LPSP和电感LPDD反向串联，同名端相连，电流从同名端流入、同名端流出。两电感两端电压分别为

串联后发射端电路两端电压为

反向串联的电感LPSP和电感LPDD的总电感为

对于耦合线圈的接收端，电感LSSP和电感LSDD同向串联，异名端相连，电流从同名端流入、异名端流出。同理可得，同向串联的电感LSSP和电感LSDD的总电感为

发射线圈中的电流变化引起接收线圈的磁通变化，接收线圈中产生感应电动势。穿过接收线圈的磁通量正比于发射线圈中电流，比值定义为线圈互感，即

式中：IP为流入耦合线圈发射端电流的有效值；ΦSP为穿过接收线圈的总磁通量；ΦPSP-SSP为发射端SP型线圈磁场穿过接收端SP 型线圈产生的磁通；ΦPSP-SDD为发射端SP 型线圈磁场穿过接收端DD 型线圈产生的磁通；ΦPDD-SSP为发射端DD 型线圈磁场穿过接收端SP 型线圈产生的磁通；ΦPDD-SDD为发射端DD 型线圈磁场穿过接收端DD 型线圈产生的磁通。

同理，接收线圈中的电流变化也会引起发射线圈的磁通变化，互感为

式中：IS为流入耦合线圈接收端电流的有效值；ΦPS为穿过发射线圈的总磁通量。ΦSSP-PSP为接收端SP型线圈磁场穿过发射端SP 型线圈产生的磁通；ΦSSP-PDD为接收端SP 型线圈磁场穿过发射端DD 型线圈产生的磁通；ΦSDD-PSP为接收端DD 型线圈磁场穿过发射端SP 型线圈产生的磁通；ΦSDD-PDD为接收端DD 型线圈磁场穿过发射端DD 型线圈产生的磁通，ΦSDD-PSP和ΦSDD-PDD为负值，表示磁通方向与参考方向相反，总磁通仍然为4 个线圈磁通之和。则线圈互感为

综上所述，SP-DDP 双层组合线圈电感之间的关系为

仿真实验得到SP-DDP 双层组合线圈在不同偏移、偏转方向上的互感变化曲线，如图3 所示。由图3 可见，SP-DDP 双层组合线圈在偏移和偏转时，发射线圈和接收线圈之间，均能保持较高的磁场强度，其总互感M由互感MPSP-SSP、MPDD-SDD、MPSP-SDD和MPDD-SSP相加得出，在线圈发生偏移、偏转时，4 个互感会发生不同程度变化，但总互感会保持在一个较小的范围内波动。对比6 种偏移、偏转情况下线圈的互感变化，可以发现SP-DDP 双层组合线圈在X轴方向上的互感变化明显小于在Y 轴方向上的互感变化，在X 轴方向上的抗偏移性能明显优于在Y轴方向上的抗偏移性能。此外，该线圈在Z 轴方向上的抗偏移性能，绕X 轴、Y 轴、Z 轴的抗偏转性能均较优。

图3 SP-DDP 双层组合线圈偏移、偏转的互感变化Fig.3 Changes in mutual inductance with misalignment and deflection of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

3 SP-DDP 双层组合线圈参数优化

SP-DDP 双层组合线圈的抗偏移、偏转性能受发射端SP 型线圈、发射端DD 型线圈、接收端SP型线圈、接收端DD 型线圈4 个线圈的共同影响。为获得在X 轴和在Y 轴方向上均具有优良抗偏移性能的耦合线圈，通过设计4 个线圈匝数进行仿真实验，以获得在X 轴和Y 轴方向上抗偏移性能优良的SP-DDP 双层组合线圈的4 个线圈匝数。

3.1 参数优化实验设计

SP-DDP 双层组合线圈参数受其匝数影响较大，故围绕4 个参数：发射端DD 型线圈匝数NDDP1、发射端SP 型线圈匝数NSP1、接收端DD 型线圈匝数NDDP2、接收端SP 型线圈匝数NSP2设计优化实验，参数优化流程如图4 所示。

图4 SP-DDP 双层组合线圈参数优化流程Fig.4 Flow chart of parameter optimization for double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

实验所用的利兹线直径为2.4 mm，使用的铁芯尺寸为200 mm×200 mm×3 mm，因此，选用的线圈匝数应该小于20 匝，即NDDP≤20。先假定NDDP=NSP，由于先前的实验，发现所提出的SP-DDP 双层组合线圈在沿Y 轴方向偏移时，互感出现明显变化，因此先通过仿真实验，确定沿Y 轴互感变化与线圈匝数之间的关系，以确定线圈匝数的优化范围。仿真实验结果表明，当DD 型线圈和SP 型线圈匝数从1 增加到20时，沿Y 轴偏移50 mm 内，互感随线圈匝数的增加而增大，且互感变化幅度逐渐减小；当NDDP=NSP=12，13，14 时，在沿Y 轴偏移100 mm 内，互感变化均小于其他各种线圈匝数对应的互感变化，这3 种线圈匝数对应的互感变化如图5 所示。

图5 SP-DDP 双层组合线圈沿Y 轴偏移的互感变化与线圈匝数之间的关系Fig.5 Relationship between changes in mutual inductance with misalignment along Y axis and the number of turns of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

因此，本文实验将以上3 种匝数进行组合，得到实验方案如表1 所示。根据上述实验方案，进行有限元仿真实验，限定互感变化范围为±20%，求解互感变化范围内SP-DDP 双层组合线圈沿X 轴、Y轴偏移的最大距离，实验结果如表2 所示。

表1 SP-DDP 双层组合线圈匝数优化实验方案Tab.1 Experimental schemes for turn optimization of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

表2 SP-DDP 双层组合线圈匝数优化实验结果Tab.2 Experimental results of turn optimization of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

由表2 可知，在互感变化范围±20%的条件下，SP-DDP 双层组合线圈沿X 轴偏移距离最大值为180 mm，最小值为150 mm；沿Y 轴偏移距离最大值为120 mm，最小值为40 mm。综合考虑SP-DDP双层组合线圈沿X 轴、Y 轴方向上的最大偏移距离，选择沿X 轴方向上的最大偏移距离为160 mm、沿Y 轴方向上的最大偏移距离为120 mm 且使用线圈总匝数最少的方案55。

3.2 优化后的线圈结构参数

SP-DDP 双层组合线圈尺寸标识如图6 所示。lA和lB分别为发射端DD 型线圈的长和宽；lM和lN分别为发射端DD 型线圈内部空心矩形的长和宽；lP、lQ和lH分别为发射端单个SP 型线圈的长、宽和高；lC为发射端2 个SP 型线圈的间距；la和lb分别为接收端DD 型线圈的长和宽；lm和ln分别为接收端DD型线圈内部空心矩形的长和宽；lp、lq和lh分别为接收端单个SP 型线圈的长、宽和高；lc为接收端2 个SP 型线圈的间距。

图6 SP-DDP 双层组合线圈尺寸标识Fig.6 Dimensioning of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

根据参数优化设计，选择方案55，即发射端DD型线圈匝数NDDP1=14、发射端SP 型线圈匝数NSP1=12、接收端DD 型线圈匝数NDDP2=12、接收端SP 型线圈匝数NSP2=12。方案55 的尺寸标识如表3 所示。

表3 SP-DDP 双层组合线圈尺寸标识（方案55）Tab.3 Dimensioning of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad（Scheme 55）（mm）

3.3 耦合性能分析及比较

SP-DDP 双层组合线圈沿X 轴、Y 轴、Z 轴偏移时的磁场分布云图如图7 所示。图7（a）～（c）为YOZ坐标平面下SP-DDP 双层组合线圈沿X 轴偏移不同距离的磁场分布云图，随着偏移距离的增加，发射线圈和接收线圈之间高磁感应强度范围基本不变，中低磁感应强度范围也基本不变；图7（d）～（f）为XOZ坐标平面下SP-DDP 双层组合线圈沿Y 轴偏移不同距离的磁场分布云图，随着偏移距离的增加，发射线圈和接收线圈之间高磁感应强度范围有所减小，中低磁感应强度范围有所增加；图7（g）～（i）为XOZ 坐标平面下SP-DDP 双层组合线圈沿Z 轴偏移不同距离的磁场分布云图，随着偏移距离的增加，发射线圈和接收线圈之间高磁感应强度范围先增大后减小，中低磁感应强度范围先减小后增大。

图7 SP-DDP 双层组合线圈沿X 轴、Y 轴、Z 轴偏移时的磁场分布云图Fig.7 Magnetic field cloud images under misalignment of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad along X,Y and Z axes

SP-DDP 双层组合线圈绕X 轴、Y 轴、Z 轴偏转时的磁场分布云图如图8 所示。图8（a）～（c）为XOZ坐标平面下SP-DDP 双层组合线圈绕X 轴偏转不同角度的磁场分布云图，随着偏转角度的增加，发射线圈和接收线圈之间高磁感应强度范围逐渐增大，中低磁感应强度范围逐渐减小；图8（d）～（f）为YOZ 坐标平面下SP-DDP 双层组合线圈绕Y 轴偏转不同角度的磁场分布云图，随着偏转角度的增加，发射线圈和接收线圈之间高磁感应强度范围基本不变，中低磁感应强度范围也基本不变；图8（g）～（i）为XOZ 坐标平面下SP-DDP 双层组合线圈绕Z 轴偏转不同角度的磁场分布云图，随着偏转角度的增加，发射线圈和接收线圈之间高磁感应强度范围逐渐减小，中低磁感应强度范围逐渐增大。

图8 SP-DDP 双层组合线圈绕X 轴、Y 轴、Z 轴偏转时的磁场分布云图Fig.8 Magnetic field cloud images under deflection of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad around X,Y and Z axes

为了比较所提SP-DDP 双层组合线圈与方形线圈、DD 型线圈、SP 型线圈的抗偏移、抗偏转性能，选择与优化后的SP-DDP 双层组合线圈面积相近的方形线圈、DD 型线圈、SP 型线圈进行仿真实验，以减小线圈面积对实验结果的影响，实验结果如图9 所示。

图9 4 种耦合线圈偏移、偏转的互感变化Fig.9 Changes in mutual inductance with misalignment and deflection of four kinds of coupling coils

仿真实验结果表明，所提SP-DDP 双层组合线圈在发生偏移和偏转时，互感变化程度明显小于方形线圈、DD 型线圈、SP 型线圈。结合图7 和图8 的线圈磁场分布云图可知，SP-DDP 双层组合线圈在偏移距离、偏转角度较大时均能保持较高的磁通量范围，且与方形线圈、DD 型线圈、SP 型线圈相比，SP-DDP 双层组合线圈在发生偏移、偏转时，线圈互感变化较小，具有良好的抗偏移、抗偏转性能。

3.4 实验验证

为了验证方案55 的线圈匝数优化方案，使用利兹线制作SP-DDP 双层组合线圈，耦合线圈参数与表3 中仿真参数一致，实验装置如图10 所示。实验中模拟耦合线圈发生沿X 轴、Y 轴方向上的偏移，使用LCR 数字电桥测量耦合线圈自感、互感，实验结果与仿真结果的对比如图11 所示。

实验结果表明，在发射线圈和接收线圈之间的传输距离为50 mm 且线圈保持正对条件下，用LCR 数字电桥测得发射线圈自感为214.3 μH，内阻为0.19 Ω，接收线圈自感为352.3 μH，内阻为0.26 Ω。沿着X 轴偏移250 mm 的过程中，互感从287.78 μH 逐渐降低到107.25 μH；沿着Y 轴偏移250 mm 的过程中，互感从287.78 μH 先增加到333.32 μH，而后逐渐降低到-13.76 μH；各线圈自感及互感与仿真值近似相等，各数值关系符合式（8），所提SP-DDP 双层组合线圈在沿X 轴和Y 轴方向具备良好的抗偏移性能。

4 结语

本文针对野外环境下无人平台无线充电对耦合线圈的需求，结合SP 型线圈和DD 型线圈的优势，设计了一种SP-DDP 双层组合线圈的耦合线圈结构，使用磁场仿真软件对线圈参数进行优化，并分析优化后线圈发生偏移、偏转时的磁场变化情况，最后通过搭建实验样机验证所提结构的抗偏移性能。优化后的线圈尺寸为200 mm×200 mm×7.8 mm，实验结果表明，传输距离50 mm、沿X 轴方向偏移160 mm、沿Y 轴方向偏移120 mm 的条件下，线圈互感变化幅度小于20%，所提SP-DDP双层组合线圈具备良好的抗偏移、抗偏转特性，满足野外环境下无人平台无线充电需要。