無線電能傳輸磁耦合系統(tǒng)綜述

謝文燕，陳琪瑯，陳 為

（1.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省電力有限公司泉州電業(yè)局，福建 泉州 362000）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的電子產(chǎn)品和設(shè)備進(jìn)入人們的生活，如筆記本電腦、電動(dòng)車、MP3等。然而傳統(tǒng)的接觸式直接供電中冗長(zhǎng)的滿足絕緣要求的導(dǎo)線引線以及電插頭的經(jīng)常拔插、發(fā)熱、燒蝕以及電弧等引起的故障限制了這些移動(dòng)設(shè)備的便攜性、靈活性、安全性和穩(wěn)定性，也影響了環(huán)境的美觀性。人們迫切需要一種新型的電能傳輸技術(shù)，來滿足日常生活中一些新型電氣設(shè)備及各種特殊環(huán)境下的要求。無線電能傳輸技術(shù)能有效利用銅、塑料等材料，節(jié)約了資源，減少了污染，具有綠色環(huán)保、節(jié)能、免維護(hù)或少維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外許多科研院所和公司對(duì)無線電能傳輸進(jìn)行了漫長(zhǎng)而又執(zhí)著的研究［1－8］。

本文闡述了無線電能傳輸技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)，比較系統(tǒng)地綜述了無線電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——磁耦合元件，并探討了磁耦合元件的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。

1 無線電能傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)介

無線電能傳輸技術(shù)是一種不依靠電導(dǎo)體傳輸電功率的技術(shù)。其能量傳輸框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，無線電能傳輸系統(tǒng)的總體架構(gòu)包括電源側(cè)的能量變換環(huán)節(jié)、能量傳遞環(huán)節(jié)和負(fù)載側(cè)的能量調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的工作原理是:工頻交流電經(jīng)過整流濾波電路變換成直流電后經(jīng)過功率因數(shù)校正電路和高頻逆變環(huán)節(jié)給初級(jí)發(fā)射線圈（TX）供給高頻交流電，次級(jí)接收線圈（RX）與初級(jí)發(fā)射線圈中高頻交變電流產(chǎn)生的磁鏈相交鏈，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)再通過高頻整流濾波和功率調(diào)節(jié)后給各類用電設(shè)備供電。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸框圖

系統(tǒng)架構(gòu)中的磁耦合元件是系統(tǒng)非常關(guān)鍵的部分，系統(tǒng)通過它才能夠?qū)崿F(xiàn)電能的無線傳輸。其原理上與傳統(tǒng)變壓器有很多的類似之處，都是通過電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)傳遞。但該磁耦合元件的初級(jí)發(fā)射線圈和次級(jí)接收線圈是分離的，導(dǎo)致漏磁很大，勵(lì)磁電感很小，因此耦合系數(shù)很小，這加大了傳輸系統(tǒng)的無功功率，從而增大了電路中功率開關(guān)器件的電壓或電流應(yīng)力，不僅對(duì)實(shí)現(xiàn)電能的高效、大容量無線傳輸具有很大影響，還會(huì)對(duì)周圍空間環(huán)境造成很大的電磁泄露和干擾。正是由于磁耦合元件的松耦合特性，導(dǎo)致其成為了制約無線電能傳輸系統(tǒng)高效、大容量傳遞的瓶頸，因此研究磁耦合元件，提高耦合系數(shù)對(duì)于提高無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率和減小電磁輻射具有重要的意義。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 磁耦合元件的工作原理

圖2給出了無線電能傳輸磁耦合元件的互感等效模型。圖中Ltx，Lrx表示初、次級(jí)線圈的自感，Rtx，Rrx表示初、次級(jí)線圈的內(nèi)阻，M表示初、次級(jí)線圈之間的互感，ω為高頻逆變電路的工作角頻率，Itx和Irx分別為初、次級(jí)線圈電流，jωMItx是初級(jí)線圈電流在次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓，jωMIrx是次級(jí)線圈在初級(jí)線圈的反映電壓，Re為次級(jí)線圈接的等效負(fù)載電阻，Uin為前級(jí)高頻逆變電路輸出到初級(jí)線圈的電壓（這里假設(shè)高頻逆變電路的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于線圈的自諧振頻率，線圈的分布電容忽略）。

圖2 磁耦合元件的互感等效模型

由圖2給出的參考方向可以列出KVL方程:

根據(jù)式（1）和式（2）可以推導(dǎo)出如圖3所示的初級(jí)側(cè)等效電路圖。次級(jí)線圈對(duì)初級(jí)系統(tǒng)的影響可以用反映阻抗Zr來表示。

圖3 初級(jí)側(cè)等效電路圖

從Rr的表達(dá)式可以看出互感M直接影響傳遞到次級(jí)的有功功率。而互感的大小是由線圈之間的耦合系數(shù)k決定的。兩磁耦合線圈之間耦合系數(shù)為:

耦合系數(shù)k與磁耦合元件的磁性材料、磁芯結(jié)構(gòu)，線圈布置方式以及氣隙的大小有關(guān)。

2.2 磁耦合元件的優(yōu)化

隨著氣隙的增大，磁耦合元件的耦合系數(shù)會(huì)減小。如何提高磁耦合元件的耦合系數(shù)，并盡可能地減小體積和重量已然成為研究的難點(diǎn)。要想在一定氣隙和占用空間內(nèi)，獲得更大的耦合系數(shù)只能去優(yōu)化磁性材料、磁芯結(jié)構(gòu)、繞組分布方式等因素。

（1）磁芯材料的選擇

由于在無線電能傳輸系統(tǒng)中，磁耦合元件是松耦合的，初、次級(jí)線圈之間的漏感比較大，耦合系數(shù)比較小。為減小整個(gè)裝置的體積，提高系統(tǒng)的能量密度和傳輸效率，通常系統(tǒng)工作的頻率都比較高，但隨著頻率的提高，磁芯的損耗越來越大。因此無線電能傳輸系統(tǒng)磁性材料的選擇對(duì)磁耦合元件實(shí)現(xiàn)高效、高功率和體積小型化顯得尤為重要。在實(shí)際系統(tǒng)中，為了防止磁芯飽和，減小體積，降低磁芯損耗，選取軟磁材料一般要求［9］:①高的磁導(dǎo)率；②很小的矯頑磁力和狹窄的磁滯回線；③高的電阻率；④足夠大的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

一般鐵氧體、鐵鎳軟磁合金、非晶合金三種軟磁材料都能滿足無線電能傳輸磁耦合元件對(duì)磁性材料的要求，但總體性能上，非晶合金的各項(xiàng)指數(shù)大體優(yōu)于其它軟磁材料。實(shí)際應(yīng)用中，磁材的選擇要對(duì)成本、性能、工作環(huán)境等進(jìn)行綜合考慮。

（2）磁芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

提高磁耦合元件的耦合系數(shù)是提高系統(tǒng)電能傳輸效率的關(guān)鍵所在。而如何提高耦合系數(shù)并盡可能地減小其體積和重量，卻是無線電能傳輸技術(shù)的研究難點(diǎn)。為此，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了很多的研究。為了提高磁耦合線圈耦合系數(shù)，文獻(xiàn)［10］不惜以加大磁芯的體積和重量為代價(jià)，用體積366 cm3、重量為17.2 kg的磁芯制作變壓器，但過大的體積和重量降低了它的實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)［11］在文獻(xiàn)［10］的基礎(chǔ)上，將圓形磁芯分割成扇面，如圖4所示。分割后，耦合系數(shù)與原來相當(dāng)，而磁芯重量大大減小，大大增加了它的適用性。此外，新西蘭奧克蘭大學(xué)以Boys教授為核心的課題組也采用分割磁芯方法來優(yōu)化無線電能傳輸?shù)拇篷詈显?，已達(dá)到減輕重量的目的［12］，優(yōu)化的磁芯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 圓形磁芯分割成扇面示意圖

圖5 Boys教授課題組優(yōu)化的磁芯結(jié)構(gòu)

雖然采用磁芯的磁耦合元件能夠提高耦合系數(shù)，但由于磁芯的存在，不僅增加磁件的重量，限制了電氣設(shè)備的便攜性還帶來了磁損。近年來，隨著無芯變壓器的發(fā)展，無線電能傳輸?shù)拇偶膊捎昧藷o芯變壓器?？招淖儔浩骶哂兄亓枯p和無磁芯損耗等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是傳輸?shù)墓β实燃?jí)較小，線圈之間的耦合系數(shù)較小。目前對(duì)空心線圈的研究主要集中在耦合系數(shù)與初、次級(jí)線圈的空間布局上，初、次級(jí)的線圈結(jié)構(gòu)、匝數(shù)的關(guān)系以及漏感引起的鄰近效應(yīng)、趨膚效應(yīng)等。空心線圈能夠?yàn)槎鄠€(gè)負(fù)載同時(shí)供電，為了使接收線圈與發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)不隨負(fù)載位置的變化而發(fā)生很大的變化，希望在發(fā)射線圈的上方產(chǎn)生盡可能均勻分布的磁場(chǎng)。比較有代表性的是香港城市大學(xué)許樹源教授（S.Y.R.Hui），提出的三層六邊形螺旋PCB線圈［13］，如圖6所示，圖中每一個(gè)六邊形代表一個(gè)六邊形螺旋線圈。雖然這種結(jié)構(gòu)能夠在發(fā)射線圈的上方產(chǎn)生較為均勻分布的磁場(chǎng)，但由于各線圈緊密或是交替排列，產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消了一部分，因而產(chǎn)生的總磁場(chǎng)強(qiáng)度與單個(gè)線圈相比，大大減弱了。文獻(xiàn)［14］利用集中線圈產(chǎn)生的“凹形磁場(chǎng)”（圖7（a）所示）和螺旋線圈產(chǎn)生的“凸形磁場(chǎng)”（圖7（b）所示）相互疊加形成較均勻的磁場(chǎng)（圖7（c）所示）。采用這種方法雖能夠在發(fā)射線圈上方得到較為均勻的磁場(chǎng)，但這種線圈的設(shè)計(jì)過程較為繁瑣，需要通過計(jì)算機(jī)程序，詳細(xì)地搜索每一匝線圈的位置和大小。

圖6 三層六邊形PCB線圈結(jié)構(gòu)

（3）繞組優(yōu)化

為減小磁耦合元件的體積和提高電能的傳輸能力，一般磁耦合元件都是工作在較高的頻率下，但高頻會(huì)帶來磁耦合線圈由鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)引起的損耗，因此為了減小該損耗，線圈多采取多股細(xì)線或Liz線交叉換位的繞法。此外，也可以從繞組的分布方式出發(fā)，進(jìn)行優(yōu)化無線電能傳輸?shù)拇篷詈显?/p>

圖7 均勻磁場(chǎng)合成示意圖

圖8 繞組分布方式及其Ansoft磁場(chǎng)仿真圖

圖8給出了U型磁芯分布式繞組和集中式繞組及其Ansoft磁場(chǎng)仿真圖，從中可以看出，當(dāng)采用分布式繞組時(shí)，由于初、次級(jí)線圈接觸比較緊密，磁力線可以在初、次級(jí)線圈之間垂直通過，因此漏磁通比較少，耦合系數(shù)比較高。因此，在選擇繞組分布時(shí)，為提高磁耦合線圈的耦合系數(shù)應(yīng)采用分布式繞組［15］。

3 存在的技術(shù)關(guān)鍵和發(fā)展趨勢(shì)

從近年來無線電能傳輸技術(shù)理論與實(shí)驗(yàn)的研究成果來看，目前無線電能傳輸磁耦合元件還需要解決下面兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵:一是，如何在大氣隙下盡可能地提高兩磁耦合線圈的耦合系數(shù)，保證接收線圈能拾取盡量多的磁場(chǎng)，尤其是當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈發(fā)生提離和偏移的時(shí)候；二是，為了避免發(fā)射線圈發(fā)射出來的磁場(chǎng)對(duì)周圍空間環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)必須限制在一定的區(qū)域內(nèi)，使其對(duì)周圍空間環(huán)境產(chǎn)生盡可能小的電磁干擾。因此對(duì)磁耦合元件電磁兼容性和可靠性的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。目前對(duì)無線電能傳輸技術(shù)研究的深度和廣度還不夠，主要局限在較小功率和短距離方面的研究，對(duì)于其傳輸電能的容量、效率、距離、電磁干擾等關(guān)鍵問題，還有待進(jìn)一步的研究和開發(fā)。無線電能傳輸磁耦合元件的發(fā)展趨勢(shì)是遠(yuǎn)距離、高效化、低成本化，小體積化、輕量化和平面化。

4 結(jié) 論

磁耦合元件作為磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)系統(tǒng)的傳輸能力、傳輸效率以及應(yīng)用便捷性有著至關(guān)重要的影響，對(duì)其要求也是多方面的。目前，無線電能傳輸系統(tǒng)的研究更多地是集中于電路系統(tǒng)及其控制策略，而對(duì)磁耦合系統(tǒng)的關(guān)注比較少。磁耦合元件已成為制約無線電能傳輸進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效和便捷實(shí)用的主要技術(shù)瓶頸。本文通過無線電能傳輸系統(tǒng)磁耦合元件的關(guān)鍵問題的綜述，分析了磁耦合元件的工作原理、特點(diǎn)和優(yōu)化考慮，并給出了磁耦合元件目前亟待研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)更加深入的研究無線電能傳輸技術(shù)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。

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