空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)電磁屏蔽建模與仿真分析

朱立穎 馬亮 張曉峰 劉治鋼

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

無(wú)線能量傳輸技術(shù)是借助電磁場(chǎng)或者電磁波進(jìn)行能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)[1]，一般分為電磁耦合式和微波(電磁輻射)2種，電磁耦合式根據(jù)傳輸原理不同又可分為感應(yīng)耦合式和共振耦合式[2-3]。相對(duì)而言，微波傳輸距離較遠(yuǎn)，但其效率低，多應(yīng)用于需要遠(yuǎn)距離無(wú)線傳能的場(chǎng)合，如空間太陽(yáng)能電站等。電磁耦合式傳輸距離在厘米級(jí)至米級(jí)，因此又被稱為近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸，具有傳輸效率高、易小型化、方向適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是有線能量傳輸方式不適用范圍內(nèi)的有效替代手段。無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)是以交變的電磁場(chǎng)為空間介質(zhì)進(jìn)行能量傳輸。航天器對(duì)內(nèi)部設(shè)備的體積、質(zhì)量和電磁兼容等都有嚴(yán)格的要求，近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用首先要避免其對(duì)其余設(shè)備的影響。采用電磁屏蔽的方式可以減小近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)對(duì)外部設(shè)備的影響，但電磁屏蔽體會(huì)改變近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布，將對(duì)其磁場(chǎng)耦合特性產(chǎn)生影響，因此有必要開展電磁屏蔽對(duì)近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的影響分析。

近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸技術(shù)在空間領(lǐng)域?qū)儆谇把丶夹g(shù)，相關(guān)應(yīng)用報(bào)道較少，可查到的如ESA擬在火星探測(cè)任務(wù)中的生物采樣密封罐采用近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸技術(shù)[4]。目前，對(duì)近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)屏蔽前后周圍磁場(chǎng)的解析研究也相對(duì)較少，通常使用軟件仿真和試驗(yàn)測(cè)試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行磁場(chǎng)分析。由于近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)為高頻電磁場(chǎng)環(huán)境，為討論其周圍磁場(chǎng)分布和建立仿真模型，主要通過(guò)交變磁場(chǎng)近似為準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)來(lái)簡(jiǎn)化分析，但這與實(shí)際系統(tǒng)的磁場(chǎng)環(huán)境分布并非完全一致。在國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)電磁屏蔽技術(shù)的研究中，文獻(xiàn)[5]中使用Maxwell仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的磁屏蔽無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，分別研究了單線圈、加鐵氧體進(jìn)行屏蔽和加鐵氧體與金屬材料進(jìn)行屏蔽3種情況下，線圈周圍的磁場(chǎng)分布情況，并對(duì)線圈橫向上的磁通密度進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[6]中通過(guò)采用磁性材料改變磁場(chǎng)路徑，利用金屬導(dǎo)電板消除渦流，進(jìn)而達(dá)到電磁屏蔽的目的，減小無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)對(duì)器件的影響。文獻(xiàn)[7]中使用Maxwell仿真軟件對(duì)印刷電路板(PCB)式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。文獻(xiàn)[8]中使用Comsol仿真軟件對(duì)千瓦級(jí)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)額定工作時(shí)在車體內(nèi)及充電裝置周圍產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，對(duì)比了收發(fā)裝置整體屏蔽和其所提出的只在發(fā)射端外沿施加水平或豎直屏蔽3種屏蔽方式的屏蔽效果。上述文獻(xiàn)均針對(duì)車輛應(yīng)用近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸技術(shù)的磁屏蔽特性開展仿真分析和試驗(yàn)研究，其特性與在空間應(yīng)用的近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸(包括輸出功率、電壓等級(jí)、傳輸距離等)不同，且未系統(tǒng)地開展電磁屏蔽對(duì)這些性能參數(shù)的影響分析。

基于近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)在空間的應(yīng)用需求，本文建立空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的電磁仿真模型，開展電磁屏蔽對(duì)其傳輸功率、工作電壓等級(jí)、傳輸距離和工作頻率的影響分析，解決交變電磁場(chǎng)環(huán)境下系統(tǒng)參數(shù)與屏蔽影響無(wú)法準(zhǔn)確分析的問(wèn)題，分析結(jié)果可用于空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)增加電磁屏蔽后的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。

1 空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)特點(diǎn)及仿真模型

與傳統(tǒng)的有線能量傳輸方式相比，空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸技術(shù)具有無(wú)接插環(huán)節(jié)、無(wú)裸露導(dǎo)體、無(wú)漏電觸電危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足空間在軌服務(wù)系統(tǒng)中在軌接管、在軌維修、在軌組裝對(duì)能量傳輸?shù)男枨蟆Ｍ瑫r(shí)，空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸技術(shù)在無(wú)線配電、大功率太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、交會(huì)對(duì)接等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)在航天器上應(yīng)用時(shí)，會(huì)對(duì)航天器設(shè)備的電磁兼容性產(chǎn)生影響，應(yīng)用屏蔽技術(shù)可以有效減小系統(tǒng)對(duì)外的電磁輻射影響，同時(shí)通過(guò)屏蔽措施可以提升本身系統(tǒng)的傳輸性能及抗干擾能力。因此，需要研究電磁屏蔽對(duì)空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的影響。①電磁屏蔽體使原設(shè)計(jì)的諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足屏蔽后的系統(tǒng)需求，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在非諧振狀態(tài)下工作，為保證屏蔽后的系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)，需要對(duì)系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。②由于屏蔽體為非線性磁材料，因此對(duì)屏蔽后系統(tǒng)周圍磁場(chǎng)環(huán)境的理論推導(dǎo)較為復(fù)雜，很難得到準(zhǔn)確的解析公式。③近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)為高頻電磁場(chǎng)環(huán)境，目前地面多采用將交變磁場(chǎng)近似為準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)來(lái)簡(jiǎn)化分析，這與實(shí)際系統(tǒng)的磁場(chǎng)環(huán)境分布并非完全一致，若要得到更精確的系統(tǒng)周圍磁場(chǎng)分布情況，需在交變電磁場(chǎng)環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析?；谝陨希疚睦肅omsol仿真軟件構(gòu)建空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)及其電磁屏蔽的仿真模型，選擇場(chǎng)變量隨時(shí)間變化的“瞬態(tài)”研究方法對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置和分析。空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)模型包含線圈電磁模型(見(jiàn)圖1)和電路傳輸模型(見(jiàn)圖2)，通過(guò)瞬態(tài)耦合仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸頻域特性的分析。圖1和圖2中：IS為發(fā)射端電流；IL為接收端電流；L1和L2為發(fā)射和接收線圈在高頻下的等效電感；M為線圈間的互感系數(shù)；C1和C2為串聯(lián)的諧振電容；R1和R2為電路的等效電阻；Req為等效負(fù)載電阻；VS為發(fā)射端電壓。

圖1 線圈電磁模型Fig.1 Coil electromagnetic model

圖2 電路傳輸模型Fig.2 Circuit transmission model

1.1 電路傳輸模型及計(jì)算方程

空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)電路傳輸模型中，電路接口用于模擬系統(tǒng)中電流源、電阻、電容、電感等。此模型采用串串補(bǔ)償?shù)睦硐朐O(shè)計(jì)，輸入阻抗角為零，系統(tǒng)效率最高。

根據(jù)基爾霍夫定律，列出發(fā)射線圈與接收線圈回路的電壓方程，可求得電路各元件的參數(shù)。

(1)

式中：ω為角頻率。

當(dāng)電源頻率等于系統(tǒng)諧振頻率時(shí)，發(fā)生諧振，即

1/(jωC1)+jωL1=1/(jωC2)+jωL2=0

(2)

通過(guò)式(2)諧振條件，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)一步求解，可得諧振角頻率為

(3)

式中：f0為諧振頻率。

可計(jì)算系統(tǒng)的負(fù)載電流幅值為

(4)

式中：PL為Req上的負(fù)載功率。

由此可知，當(dāng)PL和Req確定后，可求得發(fā)射端電流IS的幅值為

(5)

通過(guò)式(3)～(5)，可大致計(jì)算出系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)。

由式(1)也可得到發(fā)射端電壓與電流的關(guān)系為

(6)

當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)時(shí)，可得

(7)

(8)

系統(tǒng)的輸出功率為

(9)

系統(tǒng)效率為

(10)

通常R1，R2遠(yuǎn)小于Req，因此式(10)可簡(jiǎn)化為

(11)

由式(11)可知，系統(tǒng)的工作頻率、互感、負(fù)載電阻等對(duì)效率均有影響。

1.2 電磁屏蔽模型

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本文只用兩線圈來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。兩線圈系統(tǒng)可用于模擬多線圈系統(tǒng)，對(duì)仿真分析結(jié)果無(wú)影響。無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)中的線圈按結(jié)構(gòu)可分為平面螺旋型線圈、圓柱螺旋型線圈、圓環(huán)同軸結(jié)構(gòu)型線圈等，其中，平面螺旋線圈的耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)都比較高，且集成度高、空間占用少，因此本文選用平面螺旋線圈。將平面螺旋線圈簡(jiǎn)化為同心圓并視為等效模型，這樣，線圈模型在電路中既沒(méi)丟失總電流，在電磁場(chǎng)計(jì)算中又能高效地對(duì)線圈模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分和計(jì)算，且計(jì)算時(shí)所占計(jì)算機(jī)內(nèi)存相對(duì)較少，可以提高計(jì)算速度。無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)及其電磁屏蔽模型如圖3所示。其物理場(chǎng)接口求解為Maxwell方程，對(duì)于線圈采用標(biāo)量電勢(shì)作為因變量。系統(tǒng)模型參數(shù)見(jiàn)表1，其中屏蔽體材料選用鐵氧體材料，互感系數(shù)與線圈形狀、周圍磁性材料及線圈距離有關(guān)，由Comsol仿真軟件直接計(jì)算得到。此系統(tǒng)模型主要對(duì)空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行磁場(chǎng)仿真，磁場(chǎng)接口用于計(jì)算線圈、導(dǎo)體和磁鐵內(nèi)部和周圍的磁場(chǎng)及感應(yīng)電流分布，支持二維及三維的穩(wěn)態(tài)、頻域、小信號(hào)分析及時(shí)域模擬。

圖3 電磁屏蔽模型Fig.3 Electromagnetic shielding model

參數(shù)名稱與符號(hào)數(shù)值輸入電壓Vs/V40頻率f/kHz85～110負(fù)載電阻Req/Ω10寄生參數(shù)R1,R2/Ω0.1線圈電感L1,L2/μH49.72線圈寄生電阻RL1,RL2/Ω0.03補(bǔ)償電容C1,C2按不同諧振頻率設(shè)計(jì)距離d/cm5～10屏蔽體鐵氧體,電導(dǎo)率2500

2 屏蔽性能仿真結(jié)果及分析

2.1 屏蔽下傳輸距離與系統(tǒng)效率關(guān)系

在研究屏蔽下傳輸距離與系統(tǒng)效率影響關(guān)系時(shí)，設(shè)定輸入電壓、工作頻率、負(fù)載和線圈等不變，通過(guò)讀取的線圈電感，并依據(jù)諧振條件計(jì)算出所需的補(bǔ)償電容，仿真參數(shù)見(jiàn)表1，其中頻率為100 kHz，補(bǔ)償電容為50.85 nF。兩線圈的距離變化范圍為5～10 cm。

由圖4可知，在系統(tǒng)加上鐵氧體材料屏蔽體后，其整體效率高于不帶屏蔽體時(shí)。這是因?yàn)椋翰粠帘误w時(shí)，兩線圈間的空間漏磁較多；帶有屏蔽體后可有效減少空間漏磁，增大兩線圈間的耦合系數(shù)。在屏蔽條件下，當(dāng)線圈距離較近時(shí)，系統(tǒng)的整體效率較高；但隨著兩線圈的距離加大，系統(tǒng)的效率大幅下降。當(dāng)兩線圈間的距離為5 cm時(shí)，系統(tǒng)的效率可達(dá)94%；當(dāng)距離變?yōu)?0 cm時(shí)，系統(tǒng)的效率降為81.5%。這是因?yàn)閮删€圈距離變大后，它們之間的磁場(chǎng)耦合逐步減弱，相應(yīng)耦合系數(shù)減小。

圖4 傳輸距離與系統(tǒng)效率和線圈間效率的關(guān)系Fig.4 Gap length versus system efficiency and coil efficiency

由圖5可知，未加屏蔽體時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)載端的功率隨著距離的變大而先增加后減小，這是由于兩線圈距離很近時(shí)耦合系數(shù)較大，由式(7)和式(8)可知，在輸入電壓、補(bǔ)償電容、寄生電阻和負(fù)載不變的情況下，系統(tǒng)接收端電流受互感的影響較大，接收端電流隨互感的減小而變大。系統(tǒng)加上屏蔽體后，鐵氧體屏蔽體增加了兩線圈間的耦合，但是屏蔽體同時(shí)也對(duì)線圈的自感有很大的影響。在兩線圈距離很近時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)間的磁場(chǎng)耦合較為緊密，所以加屏蔽體后線圈自身參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)的影響較小；當(dāng)距離變大后，由于耦合機(jī)構(gòu)間的磁場(chǎng)耦合減弱，即系統(tǒng)的互感減小，由式(6)所示，在互感較小而線圈自感較大的情況下，系統(tǒng)輸出端的電壓與電流的相位差也會(huì)變大。

圖5 傳輸距離與系統(tǒng)負(fù)載端功率的關(guān)系Fig.5 Gap length versus power of system load

由圖6可知，通過(guò)使用屏蔽體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電磁屏蔽后，耦合磁場(chǎng)外側(cè)垂直方向10 cm以外區(qū)域磁屏蔽效能均大于26 dB，隨著兩線圈距離的增加，屏蔽體對(duì)耦合磁場(chǎng)的屏蔽性能也有所提升。當(dāng)兩線圈距離較近時(shí)，線圈上流過(guò)的電流較小；隨著距離的增加，耦合系統(tǒng)的影響減弱，導(dǎo)致線圈上的電流逐漸變大，隨之在所測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)變大。當(dāng)系統(tǒng)加上屏蔽體后，在距離較近時(shí)屏蔽體對(duì)系統(tǒng)的影響較小，但隨著距離的變大，屏蔽體的影響逐漸加大，系統(tǒng)的屏蔽效能也得到了進(jìn)一步的提升。

圖6 傳輸距離與系統(tǒng)屏蔽效能的關(guān)系Fig.6 Gap length versus system shielding effectiveness

2.2 屏蔽下輸入電壓與系統(tǒng)效率關(guān)系

在仿真分析屏蔽條件下輸入電壓與系統(tǒng)效率的影響關(guān)系時(shí)，設(shè)定工作頻率、補(bǔ)償電容負(fù)載、線圈和線圈距離不變，各參數(shù)的值見(jiàn)表1，兩線圈距離為5 cm。

輸入電壓對(duì)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)及其屏蔽性能的影響如圖7所示。由圖7可知：未帶屏蔽體時(shí)，系統(tǒng)的整體效率和線圈間的效率都可達(dá)91%以上；帶屏蔽體后，系統(tǒng)的整體效率可達(dá)94%，而線圈間的效率可高達(dá)95%以上。在其他參數(shù)不變的情況下，屏蔽后，輸入電壓的等級(jí)對(duì)系統(tǒng)的效率基本沒(méi)有影響。

由圖8可知，隨著輸入電壓等級(jí)的增加，系統(tǒng)的輸出功率以二次方增加。由式(7)和式(8)可知，在其他參數(shù)不變的情況下，接收端電流與輸入電流成正比關(guān)系，同時(shí)由于負(fù)載為純電阻，因此負(fù)載端的輸出功率也隨電壓的增加以二次方關(guān)系增加。同理，在相同的電路參數(shù)條件下，帶屏蔽體后的系統(tǒng)負(fù)載端的輸出功率與輸入電壓成平方關(guān)系。

由圖9可知，通過(guò)鐵氧體對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽后，輸入電壓的等級(jí)對(duì)屏蔽后系統(tǒng)的屏蔽效能基本沒(méi)有影響。使用屏蔽體后，屏蔽體對(duì)激勵(lì)側(cè)的屏蔽效能可達(dá)28.3 dB，對(duì)負(fù)載側(cè)的屏蔽效能可以達(dá)26.2 dB，使用鐵氧體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽基本可達(dá)到較好的屏蔽效能。

圖7 輸入電壓與系統(tǒng)效率和線圈間效率的關(guān)系Fig.7 Input voltage versus system efficiency and coil efficiency

圖8 輸入電壓與系統(tǒng)負(fù)載端功率的關(guān)系Fig.8 Input voltage versus power of system load

圖9 輸入電壓與系統(tǒng)屏蔽效能的關(guān)系Fig.9 Input voltage versus system shielding effectiveness

2.3 屏蔽下負(fù)載與系統(tǒng)效率關(guān)系

在仿真分析輸入負(fù)載對(duì)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)及其屏蔽性能的影響時(shí)，設(shè)定工作頻率100 kHz、補(bǔ)償電容50.85 nF、線圈距離5 cm，其余參數(shù)見(jiàn)表1。

輸入負(fù)載對(duì)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)及其屏蔽性能的影響如圖10所示。當(dāng)輸入負(fù)載電阻值較大時(shí)，未帶屏蔽的系統(tǒng)效率較低。由式(6)和式(7)可知，假設(shè)負(fù)載電阻值很小，則兩線圈間的互感對(duì)發(fā)射端電流的影響較大，這將使線圈間的電流減小，且對(duì)輸入端的相位角影響較大。帶屏蔽體后，負(fù)載對(duì)系統(tǒng)效率的影響較小，在負(fù)載電阻值由小變大時(shí)，系統(tǒng)的效率與線圈間的效率基本相近，變化較少，達(dá)到92%以上。由圖11可知，未帶屏蔽體時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載端功率與負(fù)載電阻值成正比例關(guān)系。帶上屏蔽體后，系統(tǒng)負(fù)載端功率在負(fù)載電阻值為2.5～10 Ω時(shí)，輸出功率略高于未加屏蔽體，但隨著阻值的變大，功率會(huì)有所減小。由圖12可知，通過(guò)鐵氧體對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽后，隨著負(fù)載電阻值的變大，系統(tǒng)的屏蔽效能會(huì)有小幅的上升，在激勵(lì)側(cè)屏蔽效能基本在27.8 dB以上，而在負(fù)載側(cè)的屏蔽效能偏低，負(fù)載電阻值小于10 Ω時(shí)，屏蔽效能略低于26 dB。

圖10 負(fù)載電阻值與系統(tǒng)效率和線圈間效率的關(guān)系Fig.10 Load resistance versus system efficiencyand coil efficiency

圖11 負(fù)載電阻值與系統(tǒng)負(fù)載端功率的關(guān)系Fig.11 Load resistance versus power of system load

圖12 負(fù)載電阻值與系統(tǒng)屏蔽效能的關(guān)系Fig.12 Load resistance versus system shielding effectiveness

2.4 屏蔽下頻率與系統(tǒng)效率關(guān)系

在仿真分析頻率對(duì)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)及其屏蔽性能的影響時(shí)，參數(shù)設(shè)置如表1所示。其中，設(shè)定兩線圈距離為5 cm，已知線圈的自感，并依據(jù)諧振條件按照不同的工作頻率計(jì)算所需的補(bǔ)償電容，如表2所示。

表2 不同頻率所對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電容值

仿真分析結(jié)果見(jiàn)圖13。未帶屏蔽體時(shí)，系統(tǒng)的效率隨著頻率的上升會(huì)有小幅的下降；帶屏蔽體后，系統(tǒng)的效率也會(huì)隨頻率的上升有小幅的下降。但是，系統(tǒng)的整體效率不會(huì)隨頻率的變化而有很大的變動(dòng)，帶屏蔽體時(shí)，系統(tǒng)的整體效率可達(dá)94%～96%，兩線圈間的磁場(chǎng)耦合在85～110 kHz的頻率范圍內(nèi)基本不變。未加屏蔽體時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載端的功率隨著工作頻率的變大而減小，如圖14所示。由式(6)和式(7)可知，當(dāng)激勵(lì)電壓和負(fù)載不變時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)兩線圈的工作頻率越小，發(fā)射端電流和接收端電流都會(huì)變大，導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出功率變大，這與理論分析一致。同理，帶屏蔽體后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，只改變了兩線間的耦合關(guān)系，在其他條件不變的情況下，發(fā)射端電流和接收端電流會(huì)隨著工作頻率的減小而增加。由于系統(tǒng)的負(fù)載為純電阻，因此功率的變化趨勢(shì)與接收端電流相同。

由圖15可知，通過(guò)鐵氧體對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽后，工作頻率對(duì)屏蔽后系統(tǒng)的屏蔽效能會(huì)有小幅的影響，隨著工作頻率的上升，鐵氧體對(duì)系統(tǒng)的屏蔽效能會(huì)有所下降。帶屏蔽體后，屏蔽體對(duì)激勵(lì)側(cè)的屏蔽效能可達(dá)28.5～29.0 dB，對(duì)負(fù)載側(cè)的屏蔽效能可達(dá)26.0～26.3 dB。

需要說(shuō)明的是，本文中仿真參數(shù)來(lái)源于目前空間應(yīng)用近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)樣機(jī)，對(duì)于不同的工程電路，其參數(shù)不同，但基于電路傳輸模型(圖2)及式(1)可知，本文的仿真結(jié)果對(duì)參數(shù)不同的工程電路具有參考價(jià)值，得到的變化趨勢(shì)可用于指導(dǎo)近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。另外，本文中鐵氧體材料選擇了常值電導(dǎo)率，鐵氧體材料在實(shí)際應(yīng)用中不完全線性，導(dǎo)致仿真結(jié)果存在誤差。不過(guò)，鐵氧體材料電導(dǎo)率增大或減小的幅度較小，其仿真結(jié)果趨勢(shì)變化不大，因此可作為空間應(yīng)用近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考。

圖13 工作頻率與系統(tǒng)效率和線圈間效率的關(guān)系Fig.13 Frequency versus system efficiency and coil efficiency

圖14 工作頻率與系統(tǒng)負(fù)載端功率的關(guān)系Fig.14 Frequency versus power of system load

圖15 工作頻率與系統(tǒng)屏蔽效能的關(guān)系

3 結(jié)論

本文建立了瞬態(tài)感應(yīng)耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的電磁仿真模型，開展了電磁屏蔽條件下傳輸功率、工作電壓等級(jí)、傳輸距離、工作頻率對(duì)系統(tǒng)效率的仿真分析，得到結(jié)論如下。

(1)在電磁屏蔽體條件下，系統(tǒng)效率隨著傳輸距離的增大而減小，在距離較近時(shí)屏蔽體對(duì)系統(tǒng)的影響較小，但隨著距離的變大，屏蔽體的影響逐漸加大，系統(tǒng)的屏蔽效能也得到了進(jìn)一步的提升。

(2)電磁屏蔽下，輸入電壓的上升會(huì)提升線圈上的電流，使線圈周圍的磁場(chǎng)有所增大，但對(duì)屏蔽效能無(wú)太大影響。

(3)存在電磁屏蔽時(shí)，負(fù)載電阻對(duì)系統(tǒng)的效率影響較小，輸出功率略高于未加屏蔽體時(shí)，但隨著負(fù)載阻值的增大，輸出功率會(huì)有所下降。通過(guò)鐵氧體對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽后，隨著負(fù)載阻值的增大，系統(tǒng)的屏蔽效能會(huì)有小幅的提升。

(4)在電磁屏蔽條件下，系統(tǒng)效率和屏蔽效能會(huì)隨著工作頻率的增加而有微幅的減小。

空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)若采用直接加屏蔽體的方式，系統(tǒng)的效率與屏蔽效能等會(huì)有所提升，但系統(tǒng)的輸出功率會(huì)大幅減小，系統(tǒng)中的無(wú)功成分會(huì)大幅增加。為了使屏蔽后的系統(tǒng)與未屏蔽的系統(tǒng)輸出功率相近，在得到屏蔽體對(duì)線圈影響而增大的自感值后，可匹配相應(yīng)的補(bǔ)償電容，使系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)，與此同時(shí)，輸入端的電壓也相應(yīng)的加大。本文為空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)增加電磁屏蔽后系統(tǒng)參數(shù)的選取及屏蔽效能的評(píng)估提供依據(jù)。目前，空間近場(chǎng)無(wú)線能量傳輸?shù)膫鬏斁嚯x低于1 m，對(duì)其應(yīng)用存在限制。因此，除電磁兼容及電磁屏蔽外，還應(yīng)針對(duì)諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、高效同步整流設(shè)計(jì)、線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)、空間環(huán)境適應(yīng)性等開展相關(guān)研究。