基于Q_I標(biāo)準(zhǔn)的線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：在研究分析非接觸感應(yīng)充電原理基礎(chǔ)上，建立了非接觸感應(yīng)充電系統(tǒng)的電路模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)的傳輸效率函數(shù)式，利用Maxwell仿真分析了線圈匝數(shù)、直徑、屏蔽形狀、屏蔽與各級(jí)線圈間的距離和屏蔽厚度對(duì)耦合系數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了一種符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的線圈結(jié)構(gòu)，為非接觸感應(yīng)充電技術(shù)研究人員提供參考應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Qi標(biāo)準(zhǔn)；Maxwell；非接觸感應(yīng)；線圈

引言

電子產(chǎn)品的大量使用，使得充電設(shè)備越來越多，有線充電和非接觸感應(yīng)充電是現(xiàn)在的主要供電形式。而非接觸感應(yīng)充電采用電磁感應(yīng)原理，由于充電器與待充電子產(chǎn)品之間沒有接點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生接觸不良、漏電等危險(xiǎn)。然而非接觸感應(yīng)充電也存在缺點(diǎn)，能量是通過線圈間的交變磁場(chǎng)進(jìn)行傳遞，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著線圈間距離的變化而變化，進(jìn)而影響充電效率。因此，對(duì)電磁感應(yīng)技術(shù)的研究顯得尤為重要，特別是線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。作為非接觸感應(yīng)充電行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium）制定的Qi標(biāo)準(zhǔn)由三部分構(gòu)成，即Interface Definition、Performance Requirements和Compliance Testing。

1 非接觸感應(yīng)充電原理

利用電磁感應(yīng)耦合對(duì)設(shè)備供電，在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)各有一個(gè)線圈，初級(jí)側(cè)線圈（即初級(jí)線圈）與電源相連接，通過整流濾波、高頻逆變電路把交流電流轉(zhuǎn)化成電磁信號(hào)，次級(jí)側(cè)線圈（即次級(jí)線圈）感應(yīng)電磁信號(hào)并轉(zhuǎn)化成交流電流，交流電流經(jīng)過整流濾波、穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成直流電流給設(shè)備充電。非接觸感應(yīng)系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 非接觸感應(yīng)電路模型

非接觸感應(yīng)系統(tǒng)電路模型如圖2所示。

式中：US為交流電壓；？棕為諧振頻率；I1和I2分別為初級(jí)電路和次級(jí)電路的電流；R1和R2分別為等效電阻；C1和C2分別為初級(jí)和次級(jí)串聯(lián)的共振電容；L1和L2分別為初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的電感；M為互感；RL為負(fù)載

當(dāng)初級(jí)和次級(jí)處于同一諧振頻率時(shí)，達(dá)到最佳諧振狀態(tài)，此時(shí)有？棕L1=？棕L2=1/？棕C1=1/？棕C2。

由上式可知，非接觸感應(yīng)充電系統(tǒng)的傳輸效率與初、次級(jí)線圈的內(nèi)阻、互感和負(fù)載有關(guān)。

3 Maxwell有限元仿真

通過分析可知，傳輸效率也受線圈間距離和偏移量等影響，隨著線圈間距離、偏移量等的變化，傳輸效率也會(huì)變化。

文章選用Qi標(biāo)準(zhǔn)中A11型線圈在外部激勵(lì)為1A電流，100KHZ頻率下進(jìn)行仿真研究，分析線圈匝數(shù)、線圈直徑、次級(jí)屏蔽形狀、次級(jí)線圈與屏蔽間的距離、初級(jí)屏蔽形狀、初級(jí)線圈與屏蔽間的距離和屏蔽厚度對(duì)耦合系數(shù)的影響。利用Maxwell建立三維模型如圖3所示。

3.1 線圈匝數(shù)對(duì)耦合系數(shù)的影響

當(dāng)初、次級(jí)線圈之間的距離為4mm，其他仿真參數(shù)不變的情況下，通過改變線圈匝數(shù)，得到匝數(shù)對(duì)耦合系數(shù)的影響如圖4所示。

從圖中可以看出，當(dāng)次級(jí)線圈匝數(shù)N=11匝時(shí)，耦合系數(shù)最高，說明線圈之間的耦合程度最好。

3.2 線圈直徑對(duì)耦合系數(shù)的影響

當(dāng)次級(jí)線圈匝數(shù)N=11匝，線圈間距為4mm，其他仿真參數(shù)不變的情況下，建立三維模型如圖3所示。通過改變線圈直徑，得到線圈直徑對(duì)耦合系數(shù)的影響如圖5所示。

從圖中可以看出，當(dāng)次級(jí)線圈直徑為D=45.3mm時(shí)，耦合系數(shù)最高，說明線圈之間的耦合程度最好。

考慮到初、次級(jí)線圈之間的距離對(duì)耦合系數(shù)也有影響，通過仿真分析可以得到線圈直徑、兩線圈之間的距離對(duì)耦合系數(shù)的影響如圖6所示。

從圖中可以看出，初、次級(jí)線圈之間的耦合系數(shù)隨著兩線圈間距L和線圈直徑的變化而變化。

3.3 次級(jí)側(cè)屏蔽對(duì)耦合系數(shù)的影響

限于手機(jī)尺寸的要求，屏蔽不可能無限大。通過仿真分析次級(jí)屏蔽的形狀、厚度和屏蔽與次級(jí)線圈之間的距離對(duì)耦合系數(shù)的影響，得到下面的影響曲線。

從圖7中可以看出，次級(jí)側(cè)屏蔽形狀為方形時(shí)的耦合系數(shù)高于圓形屏蔽的耦合系數(shù)，說明方形屏蔽更有利于兩線圈之間的耦合。

從圖8中可以看出，當(dāng)次級(jí)屏蔽厚度為0.9mm時(shí)，耦合系數(shù)最高，說明初、次級(jí)間的耦合程度最好。

從圖9中可以看出，當(dāng)次級(jí)線圈和次級(jí)側(cè)屏蔽的距離為0mm時(shí)，耦合系數(shù)最高，初、次級(jí)線圈的耦合程度最好。

3.4 初級(jí)側(cè)屏蔽對(duì)耦合系數(shù)的影響

限于手機(jī)尺寸的要求，屏蔽不可能無限大。通過仿真分析初級(jí)屏蔽的形狀、厚度和屏蔽與初級(jí)線圈之間的距離對(duì)耦合系數(shù)的影響，得到下面的影響曲線。

從圖10中可以看出，初級(jí)側(cè)屏蔽形狀為方形時(shí)的耦合系數(shù)高于圓形屏蔽的耦合系數(shù)，說明方形屏蔽更有利于兩線圈之間的耦合。

從圖11中可以看出，隨著初級(jí)側(cè)屏蔽厚度的增加，初、次級(jí)線圈之間的耦合系數(shù)增加緩慢，考慮到實(shí)際所需，選擇合適的初級(jí)側(cè)屏蔽厚度。

從圖12中可以看出，當(dāng)初級(jí)線圈和初級(jí)側(cè)屏蔽的距離為0mm時(shí)，耦合系數(shù)最高，初、次級(jí)線圈的耦合程度最好。

考慮到初、次級(jí)線圈之間的距離對(duì)耦合系數(shù)也有影響，通過仿真分析可以得到偏移量S、兩線圈之間的距離L對(duì)耦合系數(shù)的影響如圖13所示。

從圖13中可以看出，隨著線圈間距L和偏移量S的減小，初、次級(jí)線圈間的耦合程度逐漸增加。

3.5 仿真結(jié)果

通過以上仿真分析，設(shè)計(jì)了一種符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的線圈結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩線圈間的距離為4mm時(shí)，初、次級(jí)線圈間的耦合系數(shù)可以達(dá)到0.763。參數(shù)如表1所示。

4 結(jié)束語

利用Maxwell對(duì)Qi標(biāo)準(zhǔn)中A11型線圈進(jìn)行研究，通過仿真分析線圈匝數(shù)、線圈直徑、屏蔽形狀、屏蔽厚度和屏蔽與各級(jí)線圈間距對(duì)耦合系數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了一種符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的線圈結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明，當(dāng)初、次級(jí)線圈之間的距離為4mm時(shí)，線圈間的傳輸效率可以達(dá)到0.763，對(duì)非接觸感應(yīng)產(chǎn)品的研究開發(fā)具有一定參考價(jià)值。

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