磁耦合機(jī)構(gòu)拾取線圈平面金屬的影響及其抑制方法

蘇玉剛 劉家鳴 王智慧 戴 欣 陽(yáng) 劍

磁耦合機(jī)構(gòu)拾取線圈平面金屬的影響及其抑制方法

蘇玉剛1,2劉家鳴2王智慧2戴 欣2陽(yáng) 劍2

（1. 復(fù)雜系統(tǒng)安全與自主控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044 2. 重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 重慶 400044）

針對(duì)磁耦合機(jī)構(gòu)中與拾取線圈同一平面的金屬對(duì)磁耦合無(wú)線電能傳輸（MC-WPT）系統(tǒng)帶來(lái)的渦流損耗與系統(tǒng)失諧問(wèn)題，通過(guò)建模與仿真分析，給出了不同材料、尺寸、位置的金屬對(duì)耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)和MC-WPT系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。并在此基礎(chǔ)上提出了一種主動(dòng)抑制線圈平面的金屬對(duì)系統(tǒng)影響的耦合機(jī)構(gòu)，給出其參數(shù)設(shè)計(jì)方法。最后通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提耦合機(jī)構(gòu)及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性與有效性。

無(wú)線電能傳輸 磁場(chǎng)耦合 金屬影響 耦合機(jī)構(gòu)

0 引言

近年來(lái)，隨著無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)的發(fā)展，WPT技術(shù)在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注[1-5]。WPT技術(shù)中目前應(yīng)用最廣泛的為磁耦合無(wú)線電能傳輸（Magnetic field Coupled Wireless Power Transfer, MC-WPT）技術(shù)，該技術(shù)已在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域推廣應(yīng)用[6-8]，但同時(shí)也帶來(lái)一系列的挑戰(zhàn)，尤其是在一些特殊的工作環(huán)境內(nèi)。航天器供配電系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著向航天器平臺(tái)和負(fù)載提供、儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)和分配電能的重要任務(wù)，一旦出現(xiàn)故障可能需要航天員在軌維修。為防止航天員拔插接插件等遭電擊，供配電系統(tǒng)維修更換需要持續(xù)數(shù)小時(shí)的復(fù)雜操作過(guò)程，磁耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)可憑借其可靠性、靈活性和安全性[9-10]，解決有線供電系統(tǒng)中存在的連接器插接精度要求高、插拔次數(shù)有限、插拔機(jī)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題[11]。同樣得益于MC-WPT技術(shù)的可靠性、靈活性和安全性，該技術(shù)被應(yīng)用于海洋領(lǐng)域，典型案例是水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）的無(wú)線充電[12]。航天器與AUV等設(shè)備多采用金屬材料作為密封殼，拾取線圈通常采用在金屬殼體上鑲嵌安裝的方式，同時(shí)為保證殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，開窗尺寸不宜過(guò)大。這會(huì)導(dǎo)致在WPT系統(tǒng)能量傳輸中，金屬殼體與拾取線圈經(jīng)磁場(chǎng)形成較強(qiáng)的耦合，在殼體上形成渦流熱損，影響系統(tǒng)傳輸性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失諧。

金屬對(duì)MC-WPT系統(tǒng)的影響目前已有較多研究，如金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響[13-14]、金屬異物對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的影響[15]等，但大多是針對(duì)線圈之間或者線圈底部金屬板的影響分析，目前尚未發(fā)現(xiàn)與拾取線圈同一平面的金屬對(duì)MC-WPT系統(tǒng)影響的研究分析。而在抑制金屬對(duì)MC-WPT系統(tǒng)影響的方面，主要的方法為增加空隙、設(shè)計(jì)線圈結(jié)構(gòu)。增加空隙常常需要較大的開窗面積以確保金屬與線圈之間有足夠的空隙，不適宜本文的研究背景。而現(xiàn)有的設(shè)計(jì)線圈結(jié)構(gòu)方法主要針對(duì)線圈底部的金屬板[16-17]，也不適用于本文的研究問(wèn)題。

本文針對(duì)磁耦合機(jī)構(gòu)中與拾取線圈同一平面的金屬對(duì)耦合機(jī)構(gòu)的影響，研究金屬對(duì)耦合機(jī)構(gòu)線圈參數(shù)及MC-WPT系統(tǒng)的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出一種能主動(dòng)抑制拾取線圈平面金屬對(duì)MC-WPT系統(tǒng)性能影響的耦合機(jī)構(gòu)，并給出其參數(shù)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)該耦合機(jī)構(gòu)在金屬影響下的規(guī)律、抑制效果及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 金屬對(duì)線圈參數(shù)及系統(tǒng)性能的影響

1.1 金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響

針對(duì)航天、AUV等應(yīng)用背景，拾取線圈一般鑲嵌于設(shè)備上并與金屬同平面，發(fā)射線圈置于金屬體外，且與拾取線圈尺寸相同。圖1為耦合線圈與金屬的結(jié)構(gòu)圖，考慮到應(yīng)用背景中存在振動(dòng)、重量、體積等限制，耦合機(jī)構(gòu)中沒(méi)有在線圈背部加磁心。為分析不同形狀金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響，選擇圓環(huán)形與正方形金屬板作為對(duì)比，為金屬圓環(huán)的寬度或者以該金屬環(huán)直徑為邊長(zhǎng)的正方形金屬板寬度，3為金屬板與線圈之間的空氣間隙寬度，為傳輸距離，與為拾取線圈外徑與內(nèi)徑，1與1為發(fā)射線圈外徑與內(nèi)徑。按圖1所示的結(jié)構(gòu)在COMSOL中建立仿真模型，得到圖2和圖3所示耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)隨、、3變化的仿真結(jié)果，其中取發(fā)射與拾取線圈內(nèi)徑為40mm，外徑為100mm，金屬環(huán)厚度與導(dǎo)線直徑均為2mm，頻率85kHz，金屬材料電導(dǎo)率等參數(shù)見文獻(xiàn)[14]，仿真數(shù)據(jù)均以無(wú)金屬影響且傳輸距離=50mm時(shí)拾取線圈的內(nèi)阻、自感、互感為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理。圖2中線圈參數(shù)為歸一化之后的內(nèi)阻、自感、互感。

圖1 耦合線圈與金屬結(jié)構(gòu)

圖2 耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)隨傳輸距離d的變化趨勢(shì)

從圖2可見當(dāng)傳輸距離＜50mm時(shí)，金屬對(duì)發(fā)射線圈影響較大，發(fā)射線圈阻抗較大，激勵(lì)電流小，傳輸性能差；當(dāng)傳輸距離＞50mm時(shí)，金屬對(duì)發(fā)射線圈的影響較小，但此時(shí)的互感較低，意味著維持接收端的感應(yīng)電壓不變需要更大的激勵(lì)電流，發(fā)射端的損耗將增大，影響到系統(tǒng)傳輸性能。因此需要選擇合適的傳輸距離，盡量減少金屬對(duì)發(fā)射線圈影響的同時(shí)，保證傳輸功率對(duì)互感的基本要求。從圖2中可見，隨著傳輸距離的增大，互感降低，線圈內(nèi)阻降低，當(dāng)互感與內(nèi)阻的比值存在極大值時(shí)，選擇極大值或者其周邊的點(diǎn)作為最佳傳輸距離。如圖2中極大值點(diǎn)約在=40mm處，但此處發(fā)射線圈電阻較大，為降低金屬對(duì)線圈內(nèi)阻，在圖2中取=50mm處。當(dāng)互感與內(nèi)阻的比值不存在極大值時(shí)，根據(jù)需求綜合選取發(fā)射線圈參數(shù)受金屬影響較小且互感較大的點(diǎn)作為最佳傳輸距離。

圖3a～圖3c為金屬開窗半徑和拾取線圈外徑為100mm時(shí)，即空隙寬度3=0時(shí)，金屬寬度增大對(duì)拾取線圈參數(shù)的影響趨勢(shì)，圖3d～圖3f為金屬外徑3=800mm時(shí)，金屬與拾取線圈之間空氣間隙寬度3增大對(duì)拾取線圈參數(shù)的影響趨勢(shì)。從圖3a～圖3c可知，隨著金屬環(huán)寬度的增加，線圈等效內(nèi)阻先升后降，線圈等效自感與互感單調(diào)遞減。當(dāng)金屬寬度大于40mm時(shí)，同材質(zhì)的金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響趨于一致。當(dāng)金屬寬度大于400mm時(shí)，金屬寬度增加對(duì)線圈參數(shù)的影響基本不變。從圖3d～圖3f可知，隨著空氣間隙寬度3增加，金屬對(duì)線圈等效內(nèi)阻、等效自感與互感的影響逐漸降低，在空隙達(dá)到200mm，金屬板對(duì)線圈參數(shù)的影響基本為零。從圖3a可知，對(duì)線圈內(nèi)阻影響最大的是線圈邊界處的小金屬環(huán)，當(dāng)金屬寬度為0.2mm，線圈等效內(nèi)阻甚至是無(wú)金屬影響時(shí)線圈內(nèi)阻的上百倍。

總的來(lái)說(shuō)，本模型中隨著金屬寬度增加，金屬對(duì)線圈等效內(nèi)阻的影響先增后減，對(duì)線圈等效電感與互感的影響逐漸增大，金屬鐵與鋁對(duì)線圈參數(shù)的影響趨勢(shì)相同，但幅值不同，鐵對(duì)線圈參數(shù)幅值的影響大于鋁。在金屬寬度小于10mm時(shí)，環(huán)形金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響大于正方形金屬，當(dāng)金屬寬度大于10mm時(shí)，環(huán)形或正方形對(duì)線圈參數(shù)的影響趨于一致。對(duì)線圈參數(shù)影響最大的為線圈邊界處的金屬環(huán)，仿真表明此處金屬寬度較小時(shí)，線圈等效內(nèi)阻較大，可能會(huì)帶來(lái)較大的渦流熱損，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)盡量避免這種情況的出現(xiàn)。研究中，將圖3中的電流頻率在10k～100kHz改變后，金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響趨勢(shì)與圖3基本一致。

圖3 線圈參數(shù)隨金屬與空氣間隙寬度變化趨勢(shì)

從上述分析可知，金屬板中對(duì)線圈參數(shù)影響最大的位置位于線圈邊界處，而距離線圈越近，線圈產(chǎn)生磁通越強(qiáng)，從圖3可以看出，將靠近線圈邊界的金屬用空隙取代可降低金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響，即降低線圈邊界處經(jīng)過(guò)金屬的磁通可削弱金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響。因此可通過(guò)耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)削弱線圈邊界的磁通，降低該部分金屬與拾取線圈的耦合，實(shí)現(xiàn)抑制金屬對(duì)線圈參數(shù)影響的效果。

1.2 金屬對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖4 金屬板影響下MC-WPT系統(tǒng)電路拓?fù)?/p>

圖5 MC-WPT系統(tǒng)等效電路模型

由基爾霍夫定律分析圖5a可得

解方程推導(dǎo)出金屬物體在接收端的反射阻抗為

圖6 系統(tǒng)功率與效率

從圖6可知，當(dāng)補(bǔ)償了金屬造成的線圈等效自感偏移后，系統(tǒng)的效率隨金屬寬度增加而增加，系統(tǒng)功率有增有降。當(dāng)金屬寬度＞400mm時(shí)，系統(tǒng)功率與效率基本不不隨寬度增加而改變。金屬鐵與鋁對(duì)系統(tǒng)性能的影響趨勢(shì)相近，但是幅值不盡相同，鐵對(duì)系統(tǒng)的影響大于鋁。當(dāng)金屬寬度＞10mm時(shí)，環(huán)形或正方形對(duì)系統(tǒng)性能的影響趨于一致。對(duì)系統(tǒng)性能影響最大的為線圈邊界處的金屬環(huán)，即金屬寬為0.1～0.2mm時(shí)，此時(shí)線圈內(nèi)阻最大，系統(tǒng)效率最低。圖6中功率與效率變化趨勢(shì)與1.1節(jié)金屬對(duì)線圈的影響規(guī)律分析相吻合。

因此可通過(guò)抑制經(jīng)過(guò)金屬物體的磁通，降低線圈與金屬物體的互感，實(shí)現(xiàn)抑制金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響，達(dá)到抑制金屬對(duì)MC-WPT系統(tǒng)影響的目的。

2 帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)仿真分析

圖7為在金屬板影響下帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，相較于圖1，在主線圈外增加了反繞線圈，其內(nèi)徑為，外徑為，反繞抑制線圈與主線圈之間間隙為4。為分析抑制線圈在各角度寬度不同的金屬影響下的抑制效果，選擇金屬板形狀為正方形，參考圖3選取=150mm，金屬板開孔半徑與傳輸距離分別為100mm與50mm，電流取1A，其他參數(shù)不變。按上述參數(shù)與圖7所示結(jié)構(gòu)，建立COMSOL仿真模型，仿真得到圖8所示的線圈磁通分布圖。

圖7 帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖8 線圈磁通空間分布

從圖8中可以看出，線圈平面與分界線交點(diǎn)處的磁通密度從10-4T降低到了10-5T，降低至約1/10，表明抑制線圈的加入可以很好地削弱線圈邊界外的磁通量。

為了分析帶抑制的拾取線圈與金屬之間互感的削弱程度，考慮到帶抑制的拾取線圈在金屬影響下的LCC/S拓?fù)?，得到圖9所示等效電路。圖9中s1與s2分別代表拾取線圈的主線圈與抑制線圈的自感，s1s2為拾取線圈中主線圈與抑制線圈的互感，發(fā)射線圈與拾取線圈的互感psps1ps2拾取線圈與金屬的互感sms1ms2m。建立Kirchhoff電壓方程可得

圖9 金屬影響下帶抑制MC-WPT系統(tǒng)等效電路

結(jié)合式（2）和式（6），可以分析抑制線圈對(duì)金屬與拾取線圈之間的互感的抑制效果，遏制金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響。

為了分析抑制線圈的繞制方法對(duì)金屬影響的抑制效果，采用層疊式繞制方式，對(duì)比分析不同的繞制方法對(duì)線圈參數(shù)的影響。以金屬影響下等效內(nèi)阻最小為原則，選擇不同匝數(shù)時(shí)最合適的繞制方式。

表1 不同繞制方法時(shí)線圈等效內(nèi)阻

Tab.1 coil resistance with different winding methods

圖10 抑制線圈結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化趨勢(shì)

從圖10中可以看出，隨著抑制線圈匝數(shù)的增加，在金屬影響下，在5匝與7匝時(shí)分別達(dá)到內(nèi)阻與自感的極小值，可見抑制線圈匝數(shù)適宜時(shí)可極大地抑制金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響。

圖11 線圈匝數(shù)比與內(nèi)阻在受金屬影響下的變化趨勢(shì)

圖例中標(biāo)記代表金屬板的開窗半徑，考慮到研究背景對(duì)開窗尺寸的限制，設(shè)計(jì)開窗半徑仿真范圍為50～150mm。分析圖11可知，本模型中抑制線圈的最佳匝數(shù)比約在1/6～1/4之間。

3 耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法

從前文分析中得知，需要在主線圈外反向繞制抑制線圈來(lái)削弱經(jīng)過(guò)金屬的磁通，減小拾取線圈與其同平面金屬的耦合，實(shí)現(xiàn)抑制金屬對(duì)拾取線圈參數(shù)的影響，同時(shí)通過(guò)合理地選擇傳輸距離，在盡可能保證發(fā)射與接收端互感較大的情況下減少拾取線圈平面的金屬對(duì)發(fā)射線圈的影響，使得金屬對(duì)MC-WPT系統(tǒng)傳輸性能的負(fù)面影響得到抑制。根據(jù)前文研究成果，可以得到從空間幾何約束角度出發(fā)的帶抑制線圈的磁耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其流程如圖12所示。

圖12 帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)流程

S1：首先由應(yīng)用需求確定金屬板的開窗半徑與頻率，再由確定利茲線的單股導(dǎo)線線徑，然后由功率等級(jí)確定利茲線股數(shù)，得到發(fā)射線圈與拾取線圈利茲線的用線半徑1和2。

S2：根據(jù)耦合機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系給出帶抑制的拾取線圈參數(shù)設(shè)計(jì)公式（7），然后按照應(yīng)用需求與前文分析確定式中參數(shù)，得到帶抑制拾取線圈的尺寸參數(shù)。

式中，1～4為可調(diào)參數(shù)，其中1為線圈內(nèi)徑與外徑的比值，選取方法在后續(xù)線圈內(nèi)徑對(duì)品質(zhì)因數(shù)的分析中給出。2=1-，為抑制線圈與主線圈匝數(shù)比值，由圖11所示分析方法確定。確定抑制線圈匝數(shù)后，由表1所示方法分析得到最佳繞制方法。3為線圈與金屬之間的間隙寬度，由絕緣要求與圖3聯(lián)合確定。4為主線圈與抑制線圈之間的空隙寬度，該空隙的設(shè)置是避免主線圈與抑制線圈在該區(qū)域的磁場(chǎng)疊加出現(xiàn)磁飽和而增加線圈內(nèi)阻，空隙寬度按需確定，一般約為1～2匝線徑寬度即可。

S4：先根據(jù)圖2分析得到合適的傳輸距離。為得到發(fā)射線圈幾何參數(shù)，需要分析線圈內(nèi)徑對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響。在COMSOL平臺(tái)搭建模型，仿真得到1對(duì)線圈參數(shù)的影響，如圖13所示。

圖13 線圈內(nèi)徑e1對(duì)品質(zhì)因數(shù)Q的影響

圖13為線圈內(nèi)徑取值對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響，其中線圈外徑1為定值100mm。從圖中可以看出，隨著線圈內(nèi)徑的增加，品質(zhì)因數(shù)先增后減，存在極大值，但是在極值點(diǎn)周圍的變化率緩慢。為實(shí)現(xiàn)用較短的導(dǎo)線達(dá)到較高值的目標(biāo)，將最佳內(nèi)徑取值由極值點(diǎn)移動(dòng)到值變化速率開始快速變化的位置，且該位置與值最大點(diǎn)相差不應(yīng)大于10%，根據(jù)上述規(guī)律，找到最佳內(nèi)徑取值1約為40mm。同時(shí)為便于分析，也為增大線圈互感與品質(zhì)因數(shù)，發(fā)射線圈外徑1一般盡可能取最大值，即金屬板的開窗半徑，或者拾取線圈外徑。因此本文選擇內(nèi)徑取值為外徑的2/5作為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)1的取值。

最后給出確定的耦合機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)，包括帶抑制的拾取線圈的幾何參數(shù)與、傳輸距離、發(fā)射線圈的幾何參數(shù)11。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證金屬對(duì)線圈的影響規(guī)律以及帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性與有效性，根據(jù)圖4電路原理圖及其參考文獻(xiàn)中的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法與本文所提出的耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，建立如圖14所示實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng)參數(shù)見表2，配諧均以無(wú)金屬影響時(shí)的參數(shù)為準(zhǔn)，其中MC-WPT參數(shù)設(shè)計(jì)以輸出電壓34V為目標(biāo)，即8節(jié)4.2V鋰電池串聯(lián)時(shí)的電壓，負(fù)載電阻參考文獻(xiàn)[11]設(shè)置為9Ω。由于無(wú)抑制線圈與帶抑制線圈的互感不同，在輸出穩(wěn)壓34V時(shí)，兩種線圈結(jié)構(gòu)的輸入電壓分別為36V與59V。

圖14 實(shí)驗(yàn)裝置

表2 MC-WPT系統(tǒng)參數(shù)

Tab.2 System parameters of MC-WPT

為了貼合航天與AUV的實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)選用的金屬板材質(zhì)分別為7075鋁合金與Q235鐵合金，=150mm,=50mm,100mm，金屬板厚度2mm。帶抑制線圈和無(wú)抑制線圈的情況下，耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)見表3，其中無(wú)抑制線圈時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈尺寸相同，外徑為99mm，內(nèi)徑為40mm，線圈匝數(shù)30匝。接收端帶抑制的拾取線圈幾何參數(shù)分別為99mm、93mm、90mm和40mm，主線圈匝數(shù)25匝，抑制線圈匝數(shù)為5匝，導(dǎo)線線徑均為1.8mm。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得逆變輸出波形如圖15所示，其中圖15a、圖15c、圖15e與圖15b、圖15d、圖15f分別為無(wú)抑制線圈與有抑制線圈時(shí)在無(wú)金屬影響、Al合金影響與Fe合金影響下的逆變輸出波形。圖16為兩種耦合機(jī)構(gòu)的WPT系統(tǒng)在不同環(huán)境下的效率與功率直方圖。

表3 耦合機(jī)構(gòu)線圈參數(shù)

Tab.3 Coil parameters of coupler

圖15 逆變輸出波形

圖16 系統(tǒng)效率與功率直方圖

結(jié)合表3分析圖15與圖16，在無(wú)金屬影響時(shí)，諧振阻抗小、互感大，在恒壓輸出時(shí)發(fā)射端的逆變電流幅值大。但是在金屬板的影響下，無(wú)抑制線圈時(shí)參數(shù)受到影響使得系統(tǒng)輸入阻抗增大，線圈互感的降低，綜合導(dǎo)致逆變電流幅值顯著降低，傳輸功率與效率顯著降低。相較于無(wú)抑制線圈，有抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)受到金屬的影響小，在金屬影響下效率基本不變，功率降低主要由互感的變化引起，適當(dāng)?shù)靥嵘斎腚妷杭纯苫謴?fù)功率。

關(guān)于金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響規(guī)律，為便于驗(yàn)證，選用柔韌性較好的焊錫絲在拾取線圈外纏繞模擬圖3中金屬厚度的增加，測(cè)得數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同金屬寬度下耦合機(jī)構(gòu)線圈參數(shù)

Tab.4 Coil parameters in different metal widths

表4中實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與圖3中仿真參數(shù)變化趨勢(shì)相吻合，且從表4中可以看出帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)在金屬影響下的參數(shù)穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于無(wú)抑制線圈。

5 結(jié)論

本文研究了磁耦合機(jī)構(gòu)中與拾取線圈同一平面的金屬對(duì)MC-WPT系統(tǒng)的影響，在有限元仿真軟件COMSOL中建立模型，仿真分析并給出了不同材料、尺寸、位置的金屬對(duì)線圈內(nèi)阻、自感、互感及MC-WPT系統(tǒng)的影響規(guī)律，采用理論分析與實(shí)驗(yàn)證明了該規(guī)律的正確性。在上述規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了一種帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)，可有效降低線圈平面的金屬對(duì)耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)以及MC-WPT系統(tǒng)的影響；在COMSOL仿真平臺(tái)與理論推導(dǎo)中分別建立了帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)模型與帶抑制的MC-WPT系統(tǒng)模型對(duì)所提耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)之上給出了帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法；搭建了實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)所提耦合機(jī)構(gòu)的抑制效果及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Q235鐵合金影響下帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)的拾取線圈內(nèi)阻僅增加了0.15Ω，而無(wú)抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)其拾取線圈內(nèi)阻則增加了3.30Ω，在金屬影響下帶抑制線圈的MC-WPT系統(tǒng)效率比無(wú)抑制線圈時(shí)提高了26%，可見帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)大大降低了金屬對(duì)耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)的影響，特別是對(duì)線圈內(nèi)阻的影響，可有效提高系統(tǒng)的傳輸性能。本文的研究成果對(duì)磁耦合無(wú)線電能傳輸在航天器、AUV等金屬外殼設(shè)備的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

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Influence Analysis of Metal in the Same Plane with Pickup Coil on Magnetic Coupler and Suppression Method

Su Yugang1,2Liu Jiaming2Wang Zhihui2Dai Xin2Yang Jian2

（1. Key Laboratory of Complex System Safety and Control Ministry of Education Chongqing University Chongqing 400044 China 2. College of Automation Chongqing University Chongqing 400044 China）

Aiming at the eddy current loss and system detuning caused by the metal on the pickup coil plane in the magnetic coupler of MC-WPT system, disciplines that describe the influences on coupler parameters and MC-WPT system caused by different material, size and position of metal are given. Metal influences on coupler parameters and MC-WPT system are analyzed by modeling and simulation. A kind of magnetic coupler based on the influence disciplines that actively suppresses the influence caused by metal in the same plane with pickup coil is proposed, and its parameter design method is given. Finally, simulation and experiment results verify the correctness and effectiveness of the proposed coupler and its parameter design method.

Wireless power transfer, magnetic field coupling, metal influence, coupler

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201542

TM724

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51777022）。

2020-11-21

2021-04-09

蘇玉剛 男，1962年生，博士，教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸技術(shù)，電力電子技術(shù)、控制理論應(yīng)用與自動(dòng)化系統(tǒng)集成。E-mail：su7558@qq.com（通信作者）

劉家鳴 男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸技術(shù)與電力電子技術(shù)。E-mail：979733940@qq.com

（編輯 郭麗軍）