無人平臺野外無線充電線圈設(shè)計與優(yōu)化分析

許非凡，魏曙光，袁 東，李嘉麒

（陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系，北京 100072）

無人平臺作為軍用車輛領(lǐng)域重要的發(fā)展對象，能改變未來陸軍裝備作戰(zhàn)形式[1-2]。當(dāng)前，無人平臺通常采用有線電能傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行充電，這種方式存在線路易老化、接頭易損壞和插拔有風(fēng)險等問題，且事故隱患大、維護成本高、環(huán)境適應(yīng)性弱[3]。此外，無人平臺攜帶的電池容量有限，其存在續(xù)航里程低、載荷功率限制大、應(yīng)急機動能力弱等問題。無線電能傳輸技術(shù)可以有效克服無人平臺存在的上述問題，通過非物理接觸方式實現(xiàn)安全、高效、可靠的電能傳輸，提高無人平臺的續(xù)航時間和充電自主性，使野外環(huán)境下無人平臺車組間的電能再分配成為可能。

耦合線圈的抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)能力長期制約著無人平臺野外無線充電的應(yīng)用，對此，國內(nèi)外相關(guān)研究提出了大量耦合線圈結(jié)構(gòu)[4]，包括以方形[5]、CP 型[6]、DD 型[7]等為代表的單層平面線圈，以BP型[8]、DDQ 型[9]、雙層正交DD 型[10]等為代表的多 層平面線圈和以正四面體型[11]、圓柱體型[12]、三維偶極線圈[13]等為代表的空間結(jié)構(gòu)線圈。文獻(xiàn)[14]提出了一種太極型結(jié)構(gòu)線圈，相比于CP 型和DD 型線圈，具有更好的抗偏移能力，但該線圈的抗偏轉(zhuǎn)特性較差；文獻(xiàn)[15]提出一種方形雙層線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由兩個方形線圈和十字形鐵氧體組成，可實現(xiàn)大角度偏移下的能量傳輸，但該線圈的抗移轉(zhuǎn)特性較差；文獻(xiàn)[16]提出一種三正交的立體圓形線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生空間全向磁場，具備良好的抗偏轉(zhuǎn)特性，但線圈結(jié)構(gòu)較大，不適用無人平臺無線充電場合。

上述研究設(shè)計的線圈結(jié)構(gòu)不能很好地適應(yīng)野外陸戰(zhàn)背景下無人平臺無線充電場合對耦合線圈抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)性能的要求，因此，本文首先分析野外環(huán)境下無人平臺無線充電的戰(zhàn)技指標(biāo)；其次，根據(jù)無人平臺戰(zhàn)技指標(biāo)需求將螺線管SP（solenoid pad）型線圈和DD（double-D）型線圈組合在一起，設(shè)計一種具備良好抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)特性的SP-DDP 雙層組合線圈；最后采用磁場仿真軟件對線圈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并制作樣機驗證仿真結(jié)果。

1 無人平臺野外無線充電的戰(zhàn)技指標(biāo)

在野外陸戰(zhàn)環(huán)境下，無人平臺進(jìn)行無線充電的過程中耦合線圈的空間運動方式主要有偏移和偏轉(zhuǎn)兩類。偏移主要包括軸向偏移和徑向偏移2 種，其中，軸向偏移主要是由于無人平臺車組各平臺在充電過程中相對距離發(fā)生變化，引起發(fā)射線圈和接收線圈之間產(chǎn)生沿著與線圈平面垂直的軸線方向上的偏移運動；徑向偏移主要是由于無人平臺車組各平臺在充電過程中前進(jìn)速度存在偏差、停車位置未對正、車組內(nèi)各平臺之間存在高度差，引起發(fā)射線圈和接收線圈之間產(chǎn)生沿著線圈平面方向上的偏移運動。

偏轉(zhuǎn)主要包括翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)2 種，其中翻轉(zhuǎn)主要是由于無人平臺車組各平臺之間存在側(cè)向的坡度，引起發(fā)射線圈平面和接收線圈平面之間產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)角度；旋轉(zhuǎn)主要是由于無人平臺車組各平臺之間由于沿前進(jìn)方向地面存在坡度，引起發(fā)射線圈平面和接收線圈平面之間相對于初始狀態(tài)存在旋轉(zhuǎn)的角度差。

經(jīng)過上述分析，野外陸戰(zhàn)環(huán)境下無人平臺無線充電的戰(zhàn)技指標(biāo)可總結(jié)如下。

（1）無線充電傳輸距離應(yīng)大于無人平臺車組各平臺間的安全距離。考慮無人平臺無線充電的安全性，應(yīng)根據(jù)無人平臺車型大小不同，設(shè)計傳輸距離合適的耦合線圈，實現(xiàn)無人平臺滿足安全距離的無線充電。

（2）耦合線圈具備一定的抗組合空間運動的性能?？紤]野外陸戰(zhàn)環(huán)境下無人平臺車組各車之間停放或運動時地形會變化，發(fā)射線圈和接收線圈之間難以做到正對，因此，耦合線圈在設(shè)計時需要考慮線圈軸向偏移、徑向偏移、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等多種空間運動方式組合的情況，以提高無人平臺耦合線圈的環(huán)境適應(yīng)性。

（3）耦合線圈尺寸應(yīng)進(jìn)行限制?？紤]無人平臺車型大小不同，對于耦合線圈的設(shè)計尺寸也不相同，應(yīng)該在滿足設(shè)計需求的條件下，盡可能減小耦合線圈尺寸，在耦合線圈性能相同或相近的情況下，應(yīng)選擇耦合線圈總匝數(shù)較小的線圈優(yōu)化方案，以減少耦合線圈的制造成本。

（4）需要考慮電磁屏蔽和電磁兼容。無線充電裝置使用過程中產(chǎn)生的電磁輻射會對無人平臺車組之間的通訊以及周圍人員安全產(chǎn)生影響，因此，需要設(shè)計電磁屏蔽裝置減弱相關(guān)電磁輻射。

2 SP-DDP 雙層組合線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計

SP 型線圈和DD 型線圈是兩種常見的平面耦合線圈結(jié)構(gòu)。SP 型和DD 型耦合線圈在沿X 軸徑向偏移和繞X 軸翻轉(zhuǎn)方向上均具有良好的抗偏移性能，但在軸向偏移和繞Y 軸翻轉(zhuǎn)方向上，DD 型線圈的抗偏移性能優(yōu)于SP 型線圈，在旋轉(zhuǎn)方向上，SP 型線圈的抗偏移性能優(yōu)于DD 型線圈。為實現(xiàn)DD 型和SP 型線圈的優(yōu)勢互補，設(shè)計滿足野外環(huán)境下無人平臺無線充電條件的耦合線圈，本文提出了一種SP-DDP 雙層組合線圈（double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad）。上述3 種耦合線圈結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 3 種耦合線圈結(jié)構(gòu)Fig.1 Three kinds of coupling structure

SP-DDP 雙層組合線圈的等效電路模型如圖2所示。圖中：LPSP為發(fā)射端SP 型線圈自感；LSSP為接收端SP 型線圈自感；LPDD為發(fā)射端DD 型線圈自感；LSDD為接收端DD 型線圈自感；MPSP-PDD為發(fā)射端SP 型線圈和發(fā)射端DD 型線圈之間的互感；MSSP-SDD為接收端SP 型線圈和接收端DD 型線圈之間的互感；MPSP-SSP為發(fā)射端SP 型線圈和接收端SP 型線圈之間的互感；MPDD-SDD為發(fā)射端DD 型線圈和接收端DD 型線圈之間的互感；MPSP-SDD為發(fā)射端SP 型線圈和接收端DD 型線圈之間的互感；MPDD-SSP為發(fā)射端DD 型線圈和接收端SP 型線圈之間的互感；LP為發(fā)射端線圈自感；LS為接收端線圈自感；M 為SP-DDP雙層組合線圈的互感。

圖2 SP-DDP 雙層組合線圈等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

對于耦合線圈的發(fā)射端，電感LPSP和電感LPDD反向串聯(lián)，同名端相連，電流從同名端流入、同名端流出。兩電感兩端電壓分別為

串聯(lián)后發(fā)射端電路兩端電壓為

反向串聯(lián)的電感LPSP和電感LPDD的總電感為

對于耦合線圈的接收端，電感LSSP和電感LSDD同向串聯(lián)，異名端相連，電流從同名端流入、異名端流出。同理可得，同向串聯(lián)的電感LSSP和電感LSDD的總電感為

發(fā)射線圈中的電流變化引起接收線圈的磁通變化，接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。穿過接收線圈的磁通量正比于發(fā)射線圈中電流，比值定義為線圈互感，即

式中：IP為流入耦合線圈發(fā)射端電流的有效值；ΦSP為穿過接收線圈的總磁通量；ΦPSP-SSP為發(fā)射端SP型線圈磁場穿過接收端SP 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦPSP-SDD為發(fā)射端SP 型線圈磁場穿過接收端DD 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦPDD-SSP為發(fā)射端DD 型線圈磁場穿過接收端SP 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦPDD-SDD為發(fā)射端DD 型線圈磁場穿過接收端DD 型線圈產(chǎn)生的磁通。

同理，接收線圈中的電流變化也會引起發(fā)射線圈的磁通變化，互感為

式中：IS為流入耦合線圈接收端電流的有效值；ΦPS為穿過發(fā)射線圈的總磁通量。ΦSSP-PSP為接收端SP型線圈磁場穿過發(fā)射端SP 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦSSP-PDD為接收端SP 型線圈磁場穿過發(fā)射端DD 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦSDD-PSP為接收端DD 型線圈磁場穿過發(fā)射端SP 型線圈產(chǎn)生的磁通；ΦSDD-PDD為接收端DD 型線圈磁場穿過發(fā)射端DD 型線圈產(chǎn)生的磁通，ΦSDD-PSP和ΦSDD-PDD為負(fù)值，表示磁通方向與參考方向相反，總磁通仍然為4 個線圈磁通之和。則線圈互感為

綜上所述，SP-DDP 雙層組合線圈電感之間的關(guān)系為

仿真實驗得到SP-DDP 雙層組合線圈在不同偏移、偏轉(zhuǎn)方向上的互感變化曲線，如圖3 所示。由圖3 可見，SP-DDP 雙層組合線圈在偏移和偏轉(zhuǎn)時，發(fā)射線圈和接收線圈之間，均能保持較高的磁場強度，其總互感M由互感MPSP-SSP、MPDD-SDD、MPSP-SDD和MPDD-SSP相加得出，在線圈發(fā)生偏移、偏轉(zhuǎn)時，4 個互感會發(fā)生不同程度變化，但總互感會保持在一個較小的范圍內(nèi)波動。對比6 種偏移、偏轉(zhuǎn)情況下線圈的互感變化，可以發(fā)現(xiàn)SP-DDP 雙層組合線圈在X軸方向上的互感變化明顯小于在Y 軸方向上的互感變化，在X 軸方向上的抗偏移性能明顯優(yōu)于在Y軸方向上的抗偏移性能。此外，該線圈在Z 軸方向上的抗偏移性能，繞X 軸、Y 軸、Z 軸的抗偏轉(zhuǎn)性能均較優(yōu)。

圖3 SP-DDP 雙層組合線圈偏移、偏轉(zhuǎn)的互感變化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 雙層組合線圈參數(shù)優(yōu)化

SP-DDP 雙層組合線圈的抗偏移、偏轉(zhuǎn)性能受發(fā)射端SP 型線圈、發(fā)射端DD 型線圈、接收端SP型線圈、接收端DD 型線圈4 個線圈的共同影響。為獲得在X 軸和在Y 軸方向上均具有優(yōu)良抗偏移性能的耦合線圈，通過設(shè)計4 個線圈匝數(shù)進(jìn)行仿真實驗，以獲得在X 軸和Y 軸方向上抗偏移性能優(yōu)良的SP-DDP 雙層組合線圈的4 個線圈匝數(shù)。

3.1 參數(shù)優(yōu)化實驗設(shè)計

SP-DDP 雙層組合線圈參數(shù)受其匝數(shù)影響較大，故圍繞4 個參數(shù)：發(fā)射端DD 型線圈匝數(shù)NDDP1、發(fā)射端SP 型線圈匝數(shù)NSP1、接收端DD 型線圈匝數(shù)NDDP2、接收端SP 型線圈匝數(shù)NSP2設(shè)計優(yōu)化實驗，參數(shù)優(yōu)化流程如圖4 所示。

圖4 SP-DDP 雙層組合線圈參數(shù)優(yōu)化流程Fig.4 Flow chart of parameter optimization for double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

實驗所用的利茲線直徑為2.4 mm，使用的鐵芯尺寸為200 mm×200 mm×3 mm，因此，選用的線圈匝數(shù)應(yīng)該小于20 匝，即NDDP≤20。先假定NDDP=NSP，由于先前的實驗，發(fā)現(xiàn)所提出的SP-DDP 雙層組合線圈在沿Y 軸方向偏移時，互感出現(xiàn)明顯變化，因此先通過仿真實驗，確定沿Y 軸互感變化與線圈匝數(shù)之間的關(guān)系，以確定線圈匝數(shù)的優(yōu)化范圍。仿真實驗結(jié)果表明，當(dāng)DD 型線圈和SP 型線圈匝數(shù)從1 增加到20時，沿Y 軸偏移50 mm 內(nèi)，互感隨線圈匝數(shù)的增加而增大，且互感變化幅度逐漸減?。划?dāng)NDDP=NSP=12，13，14 時，在沿Y 軸偏移100 mm 內(nèi)，互感變化均小于其他各種線圈匝數(shù)對應(yīng)的互感變化，這3 種線圈匝數(shù)對應(yīng)的互感變化如圖5 所示。

圖5 SP-DDP 雙層組合線圈沿Y 軸偏移的互感變化與線圈匝數(shù)之間的關(guān)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，本文實驗將以上3 種匝數(shù)進(jìn)行組合，得到實驗方案如表1 所示。根據(jù)上述實驗方案，進(jìn)行有限元仿真實驗，限定互感變化范圍為±20%，求解互感變化范圍內(nèi)SP-DDP 雙層組合線圈沿X 軸、Y軸偏移的最大距離，實驗結(jié)果如表2 所示。

表1 SP-DDP 雙層組合線圈匝數(shù)優(yōu)化實驗方案Tab.1 Experimental schemes for turn optimization of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

表2 SP-DDP 雙層組合線圈匝數(shù)優(yōu)化實驗結(jié)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，在互感變化范圍±20%的條件下，SP-DDP 雙層組合線圈沿X 軸偏移距離最大值為180 mm，最小值為150 mm；沿Y 軸偏移距離最大值為120 mm，最小值為40 mm。綜合考慮SP-DDP雙層組合線圈沿X 軸、Y 軸方向上的最大偏移距離，選擇沿X 軸方向上的最大偏移距離為160 mm、沿Y 軸方向上的最大偏移距離為120 mm 且使用線圈總匝數(shù)最少的方案55。

3.2 優(yōu)化后的線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)

SP-DDP 雙層組合線圈尺寸標(biāo)識如圖6 所示。lA和lB分別為發(fā)射端DD 型線圈的長和寬；lM和lN分別為發(fā)射端DD 型線圈內(nèi)部空心矩形的長和寬；lP、lQ和lH分別為發(fā)射端單個SP 型線圈的長、寬和高；lC為發(fā)射端2 個SP 型線圈的間距；la和lb分別為接收端DD 型線圈的長和寬；lm和ln分別為接收端DD型線圈內(nèi)部空心矩形的長和寬；lp、lq和lh分別為接收端單個SP 型線圈的長、寬和高；lc為接收端2 個SP 型線圈的間距。

圖6 SP-DDP 雙層組合線圈尺寸標(biāo)識Fig.6 Dimensioning of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad

根據(jù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，選擇方案55，即發(fā)射端DD型線圈匝數(shù)NDDP1=14、發(fā)射端SP 型線圈匝數(shù)NSP1=12、接收端DD 型線圈匝數(shù)NDDP2=12、接收端SP 型線圈匝數(shù)NSP2=12。方案55 的尺寸標(biāo)識如表3 所示。

表3 SP-DDP 雙層組合線圈尺寸標(biāo)識（方案55）Tab.3 Dimensioning of double-layer coupling structure with solenoid pad and double-D pad（Scheme 55）（mm）

3.3 耦合性能分析及比較

SP-DDP 雙層組合線圈沿X 軸、Y 軸、Z 軸偏移時的磁場分布云圖如圖7 所示。圖7（a）～（c）為YOZ坐標(biāo)平面下SP-DDP 雙層組合線圈沿X 軸偏移不同距離的磁場分布云圖，隨著偏移距離的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍基本不變，中低磁感應(yīng)強度范圍也基本不變；圖7（d）～（f）為XOZ坐標(biāo)平面下SP-DDP 雙層組合線圈沿Y 軸偏移不同距離的磁場分布云圖，隨著偏移距離的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍有所減小，中低磁感應(yīng)強度范圍有所增加；圖7（g）～（i）為XOZ 坐標(biāo)平面下SP-DDP 雙層組合線圈沿Z 軸偏移不同距離的磁場分布云圖，隨著偏移距離的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍先增大后減小，中低磁感應(yīng)強度范圍先減小后增大。

圖7 SP-DDP 雙層組合線圈沿X 軸、Y 軸、Z 軸偏移時的磁場分布云圖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 雙層組合線圈繞X 軸、Y 軸、Z 軸偏轉(zhuǎn)時的磁場分布云圖如圖8 所示。圖8（a）～（c）為XOZ坐標(biāo)平面下SP-DDP 雙層組合線圈繞X 軸偏轉(zhuǎn)不同角度的磁場分布云圖，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍逐漸增大，中低磁感應(yīng)強度范圍逐漸減?。粓D8（d）～（f）為YOZ 坐標(biāo)平面下SP-DDP 雙層組合線圈繞Y 軸偏轉(zhuǎn)不同角度的磁場分布云圖，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍基本不變，中低磁感應(yīng)強度范圍也基本不變；圖8（g）～（i）為XOZ 坐標(biāo)平面下SP-DDP 雙層組合線圈繞Z 軸偏轉(zhuǎn)不同角度的磁場分布云圖，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加，發(fā)射線圈和接收線圈之間高磁感應(yīng)強度范圍逐漸減小，中低磁感應(yīng)強度范圍逐漸增大。

圖8 SP-DDP 雙層組合線圈繞X 軸、Y 軸、Z 軸偏轉(zhuǎn)時的磁場分布云圖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

為了比較所提SP-DDP 雙層組合線圈與方形線圈、DD 型線圈、SP 型線圈的抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)性能，選擇與優(yōu)化后的SP-DDP 雙層組合線圈面積相近的方形線圈、DD 型線圈、SP 型線圈進(jìn)行仿真實驗，以減小線圈面積對實驗結(jié)果的影響，實驗結(jié)果如圖9 所示。

圖9 4 種耦合線圈偏移、偏轉(zhuǎn)的互感變化Fig.9 Changes in mutual inductance with misalignment and deflection of four kinds of coupling coils

仿真實驗結(jié)果表明，所提SP-DDP 雙層組合線圈在發(fā)生偏移和偏轉(zhuǎn)時，互感變化程度明顯小于方形線圈、DD 型線圈、SP 型線圈。結(jié)合圖7 和圖8 的線圈磁場分布云圖可知，SP-DDP 雙層組合線圈在偏移距離、偏轉(zhuǎn)角度較大時均能保持較高的磁通量范圍，且與方形線圈、DD 型線圈、SP 型線圈相比，SP-DDP 雙層組合線圈在發(fā)生偏移、偏轉(zhuǎn)時，線圈互感變化較小，具有良好的抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)性能。

3.4 實驗驗證

為了驗證方案55 的線圈匝數(shù)優(yōu)化方案，使用利茲線制作SP-DDP 雙層組合線圈，耦合線圈參數(shù)與表3 中仿真參數(shù)一致，實驗裝置如圖10 所示。實驗中模擬耦合線圈發(fā)生沿X 軸、Y 軸方向上的偏移，使用LCR 數(shù)字電橋測量耦合線圈自感、互感，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比如圖11 所示。

實驗結(jié)果表明，在發(fā)射線圈和接收線圈之間的傳輸距離為50 mm 且線圈保持正對條件下，用LCR 數(shù)字電橋測得發(fā)射線圈自感為214.3 μH，內(nèi)阻為0.19 Ω，接收線圈自感為352.3 μH，內(nèi)阻為0.26 Ω。沿著X 軸偏移250 mm 的過程中，互感從287.78 μH 逐漸降低到107.25 μH；沿著Y 軸偏移250 mm 的過程中，互感從287.78 μH 先增加到333.32 μH，而后逐漸降低到-13.76 μH；各線圈自感及互感與仿真值近似相等，各數(shù)值關(guān)系符合式（8），所提SP-DDP 雙層組合線圈在沿X 軸和Y 軸方向具備良好的抗偏移性能。

4 結(jié)語

本文針對野外環(huán)境下無人平臺無線充電對耦合線圈的需求，結(jié)合SP 型線圈和DD 型線圈的優(yōu)勢，設(shè)計了一種SP-DDP 雙層組合線圈的耦合線圈結(jié)構(gòu)，使用磁場仿真軟件對線圈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并分析優(yōu)化后線圈發(fā)生偏移、偏轉(zhuǎn)時的磁場變化情況，最后通過搭建實驗樣機驗證所提結(jié)構(gòu)的抗偏移性能。優(yōu)化后的線圈尺寸為200 mm×200 mm×7.8 mm，實驗結(jié)果表明，傳輸距離50 mm、沿X 軸方向偏移160 mm、沿Y 軸方向偏移120 mm 的條件下，線圈互感變化幅度小于20%，所提SP-DDP雙層組合線圈具備良好的抗偏移、抗偏轉(zhuǎn)特性，滿足野外環(huán)境下無人平臺無線充電需要。