韓建輝，張威，趙立志

(1．中國人民解放軍第91404部隊，河北秦皇島066200; 2．山東藍孚高能物理技術(shù)有限公司，山東濟南250000)

基于空心螺線管互感耦合的能量傳輸效率研究

韓建輝1，張威2，趙立志1

(1．中國人民解放軍第91404部隊，河北秦皇島066200; 2．山東藍孚高能物理技術(shù)有限公司，山東濟南250000)

依據(jù)無線能量傳輸技術(shù)原理，研制了一套能量耦合傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用空心螺線管組合作為能量耦合傳輸系統(tǒng)的核心部件(互感耦合器)。通過對36個自制互感耦合器的能量傳輸效率的實驗測量，研究了不同規(guī)格與結(jié)構(gòu)的空心螺線管組成的互感耦合器，在不同氣隙下的能量傳輸效率的變化規(guī)律，以及互感耦合器原、副邊采用電容補償對能量傳輸效率的影響。這項研究是為了減小能量耦合傳輸系統(tǒng)的體積和重量、增強能量耦合傳輸系統(tǒng)的實用性所做的工作。本文對測量數(shù)據(jù)進行分析后，找到了一對能量傳輸效率較高的空心螺線管組合。由該空心螺線管組合構(gòu)成的互感耦合器，通過對其原、副邊進行電容補償后，其能量傳輸效率在10mm氣隙處達到了33.74%，在20mm氣隙處達到了17.37%。使用其制作的能量傳輸系統(tǒng)，在外加+15V直流電壓時，在20mm氣隙處進行實測:系統(tǒng)輸入功率約16.34W，輸出功率約達到2.84W。實際輸出功率已經(jīng)能夠滿足小功率用電設備需求。

空心螺線管;管徑;繞法;氣隙;效率

1 引言

無線能量傳輸技術(shù)是一項嶄新的技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)供電線路和用電設備在非物理連接條件下進行能量傳輸，彌補接觸供電方式存在的供電線路安全性差、接觸火花、磨損、碳積等一系列缺陷［1，2］。近年，對無線能量傳輸技術(shù)的研究取得了較大進展，研究成果在逐步向不同的應用環(huán)境靠攏。目前，該技術(shù)不僅在工業(yè)機器人、電動汽車、醫(yī)療器械等工業(yè)、民用領域具有重要的應用價值，而且在航空航天等軍事國防領域也具有廣泛的應用前景［3-5］。因此，開展對于此項技術(shù)的研究具有重要的科學意義和實用價值。

現(xiàn)階段的研究成果，大多是依據(jù)適用于近距離無線能量傳輸?shù)摹盎ジ旭詈稀奔夹g(shù)展開的［6］。其中，不足之處在于研究者普遍選用大型帶磁芯的可分離變壓器作為能量耦合傳輸系統(tǒng)的核心部件。這樣研制出的能量耦合傳輸系統(tǒng)，會因其有較大的體積和重量而嚴重降低研究成果的實用價值。

為了減小能量耦合傳輸系統(tǒng)的體積和重量，增強無線能量傳輸系統(tǒng)的實用性，本文設計了一套能量耦合傳輸系統(tǒng)，采用空心螺線管(即空心線圈)作為能量耦合傳輸系統(tǒng)的核心部件(互感耦合器)。該系統(tǒng)在外加+15V直流電壓時，在20mm氣隙處進行實測:系統(tǒng)輸入功率約16.34W，輸出功率約達到2.84W。實際輸出功率已經(jīng)能夠滿足小功率用電設備需求。

2 無線能量耦合傳輸系統(tǒng)設計

2.1 無線能量耦合傳輸技術(shù)原理

無線能量耦合傳輸技術(shù)的實現(xiàn)，是以可分離變壓器為核心，由交流電網(wǎng)提供能量，將交流電整流濾波成直流電之后經(jīng)過高頻逆變，給變壓器原邊繞組提供高頻交流電能。然后通過可分離變壓器的電磁耦合，將電能傳輸至可分離變壓器的副邊，最后經(jīng)過整流濾波，為負載提供直流電能［7］。

2.2 無線能量耦合傳輸系統(tǒng)設計

2.2.1 系統(tǒng)設計框圖

系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。本文設計的無線能量耦合傳輸系統(tǒng)，是以空心螺線管組成的互感耦合器為核心，由外部電源提供直流電能，由頻率信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生75kHz的PWM波，PWM波經(jīng)過開關電路將功率放大之后，用作互感耦合器原邊螺線管的激勵脈沖，能量通過原、副邊螺線管的耦合，傳輸?shù)交ジ旭詈掀鞲边吔?jīng)過整流濾波后，供負載使用。

圖1 無線能量耦合傳輸系統(tǒng)框圖Fig．1Framework of wireless energy coupling transmission system

2.2.2 互感耦合器的設計

互感耦合器等效電路如圖2所示。

圖2 互感耦合器等效電路圖Fig．2Equivalent circuits of mutual inductance coupling

式中，VP為互感耦合器的原邊繞組電壓;ω為開關角頻率;LP為互感耦合器的原邊電感;ILP為互感耦合器原邊繞組電流;M為互感耦合器的互感系數(shù);ILS為互感耦合器副邊繞組電流;jωMILS為互感耦合器副邊繞組電流在原邊的感應電壓。

式中，VS為互感耦合器的副邊繞組電壓;LS為互感耦合器的原邊電感;jωMILP為互感耦合器原邊繞組電流在副邊的感應電壓［6，8］。

式中，η為互感耦合器的能量耦合傳輸效率;Po為互感耦合器的輸出功率;Pin為互感耦合器的輸入功率。

式中，ISC為電路諧振時副邊電流。

分析表明，對于固定的能量耦合傳輸系統(tǒng)，用電容補償?shù)姆绞?，將系統(tǒng)電路調(diào)節(jié)到諧振工作狀態(tài)，系統(tǒng)耦合的能量效率會達到最高。

2.2.3 能量發(fā)射部分電路設計

如圖3所示，無線能量耦合傳輸系統(tǒng)中，能量發(fā)射部分電路的設計使用TL494產(chǎn)生75kHz的PWM波，功率發(fā)射部分使用增強型MOS管IRF9540和IRF540N。外部供電為+12V。輸出端接互感耦合器的端子1和端子2。采用適當?shù)脑O計，以減少非正常耗能［9，10］。

圖3 無線能量耦合傳輸系統(tǒng)發(fā)射部分電路Fig．3Circuit of energy emission part of wireless energy coupling transmission system

2.2.4 能量接收部分電路設計

如圖4所示，互感耦合器輸出的能量通過端子3和端子4提供給能量接收電路，經(jīng)過全橋整流、濾波后，提供給負載RS使用。

圖4 無線能量耦合傳輸系統(tǒng)接收部分電路Fig．4Circuit of energy receiving part of wireless energy coupling transmission system

3 空心螺線管互感耦合器的制作

本文實驗過程中，繞制了12個空心螺線管，包含6種不同的規(guī)格與結(jié)構(gòu)(每種規(guī)格與結(jié)構(gòu)包含兩個空心螺線管)［11］，依次編號為1-1、1-2至6-1、6-2。具體參數(shù)為:1-1、1-2為單層纏繞43匝，管徑為110mm;2-1、2-2為單層纏繞64匝，管徑為75mm;3-1、3-2為單層纏繞95匝，管徑為50mm;4-1、4-2為多層纏繞43匝，管徑為110mm;5-1、5-2為多層纏繞64匝，管徑為75mm;6-1、6-2為多層纏繞95匝，管徑為50mm。實物如圖5所示。

繞制的空心螺線管采用PVC做骨架材料，繞線采用單層漆包銅線，線徑Φ為0.5mm，可得繞線截面積S為0.1963mm2，若依據(jù)導線理論上可承載的最大電流密度J為4A/mm2計算，則文中自制空心螺線管可以承受的最大電流可以達到0.7854A。

圖5 自制六對螺線管實物圖Fig．5Picture of six pairs of self-made solenoid

任意選擇其中兩個空心螺線管組成一個互感耦合器，一共可以組成36個不同規(guī)格與結(jié)構(gòu)的互感耦合器，為了使兩個空心螺線管之間最大程度地傳遞能量，互感耦合器中兩個空心螺線管截面平行、同軸放置［12］。

4 空心螺線管互感耦合器能量傳輸效率實驗測試

4.1 傳輸效率測試頻率選擇

螺線管阻抗示意圖如圖6所示。L為螺線管電感，R為螺線管自身的電阻，C為螺線管層與層之間及匝與匝之間的分布電容。當信號角頻率為ω時，并聯(lián)LC諧振回路阻抗Z為:

圖6 螺線管阻抗示意圖Fig．6Solenoid impedance sketch map

當ω=ω0時，感抗與容抗相等，阻抗Z為最大，螺線管工作在自身的并聯(lián)諧振狀態(tài)，同時調(diào)節(jié)能量耦合傳輸系統(tǒng)的整體電路工作在諧振頻率f0處，可以使整個系統(tǒng)的工作效率最高，即能量傳輸效率最高。并聯(lián)諧振角頻率ω0為:

依據(jù)上述原理［13］，用TH2817A型精密LCR數(shù)字電橋測量螺線管阻抗，在75kHz測試頻率處各螺線管的阻抗值達到最大，即各螺線管的自身諧振頻率f0為75kHz，所以，實驗時信號頻率選擇為75kHz。

4.2 互感耦合器能量傳輸效率測試

傳輸效率測試實驗針對無線能量耦合傳輸系統(tǒng)的核心部件互感耦合器進行［14］。實驗電路如圖7所示。SP1641D型函數(shù)發(fā)生器/計數(shù)器為互感耦合器原邊提供+5V、75kHz的正弦波;GDM-8246型數(shù)字萬用表測量互感耦合器原邊保護電阻RP兩端電壓，RP阻值為50Ω;TDS2012型泰克示波器測量互感耦合器原、副邊電壓。

圖7 互感耦合器能量傳輸效率實驗電路圖Fig．7Circuit of mutual inductance coupling energy transmission efficiency experiment

4.2.1 互感耦合器原、副邊不采用電容補償?shù)男蕼y試

互感耦合器原、副邊不采用電容補償。調(diào)節(jié)互感耦合器原邊與副邊氣隙分別為10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、50mm、60mm，測量出相應氣隙下原、副邊螺線管電壓，原、副邊電阻兩端電壓等數(shù)據(jù)，并由此計算出不同規(guī)格與結(jié)構(gòu)的空心螺線管組成的互感耦合器，在各氣隙下的能量傳輸效率。測得數(shù)據(jù)共324組，處理分析后，選出能量傳輸效率最高的一個互感耦合器，其10mm氣隙處能量傳輸效率達到了24.69%，20mm氣隙處能量傳輸效率達到了11.87%。這個互感耦合器是由4-1和4-2兩個空心螺線管組合而成的，這兩個空心螺線管屬于密集多層纏繞、大管徑結(jié)構(gòu)。

4.2.2 互感耦合器原、副邊采用電容補償后的效率測試

選取由4-1、4-2兩個空心螺線管組合而成的互感耦合器，對其原、副邊進行電容補償，使能量耦合傳輸系統(tǒng)整體電路于75kHz頻率處工作在諧振狀態(tài)，再進行傳輸效率測試［15］。測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到的能量傳輸效率如圖8所示。

由圖8中數(shù)據(jù)得出，在對互感耦合器原、副邊進行電容補償后，能量耦合傳輸系統(tǒng)整體電路于75kHz頻率處工作在諧振狀態(tài)，能量傳輸效率得到了進一步提高，10mm氣隙處能量傳輸效率達到33.74%，20mm氣隙處能量傳輸效率達到17.37%。此時，互感耦合器原邊采用串聯(lián)補償，補償電容為11nF，副邊采用并聯(lián)補償，補償電容為13.3nF［6］。

圖8 諧振狀態(tài)能量傳輸效率圖Fig．8Energy transmission efficiency under resonance state

5 能量傳輸效率測試結(jié)果說明及提升能量傳輸效率方法分析

5.1 能量傳輸效率測試結(jié)果說明

本文所設計的無線能量傳輸系統(tǒng)，是針對小功率用電設備設計的研究模型。完成整套系統(tǒng)的搭建工作后，給出以下系統(tǒng)正常工作的實測結(jié)果，目的是對以上實驗結(jié)果加以驗證和說明。

下面給出的是系統(tǒng)輸入電壓分別為+10V、+ 12V和+15V，負載RS為6.6 Ω，互感耦合器氣隙為20mm的能量傳輸實測數(shù)據(jù):

實測①:輸入電壓+10V，互感耦合器原邊諧振電壓為+39.47V，電流為0.176A，互感耦合器原邊輸入功率約為6.95W。諧振時負載電壓為2.82V，電流為0.428A，互感耦合器副邊輸出負載功率約為1.21W。能量耦合傳輸效率為17.41%。

實測②:輸入電壓+12V，互感耦合器原邊諧振電壓為+47.52V，電流為0.211A，互感耦合器原邊輸入功率約為10.03W。諧振時負載電壓為3.39V，電流為0.514A，互感耦合器副邊輸出負載功率約為1.74W。能量耦合傳輸效率為17.35%。

實測③:輸入電壓+15V，互感耦合器原邊諧振電壓為+59.21V，電流為0.276A，互感耦合器原邊輸入功率約為16.34W。諧振時負載電壓為4.23V，電流為0.672A，互感耦合器副邊輸出負載功率約為2.84W。能量耦合傳輸效率為17.38%。

在忽略測量誤差和計算誤差的情況下，以上實測數(shù)據(jù)表明，改變輸入能量，互感耦合器輸出能量仍然符合能量傳輸效率實驗結(jié)果，并且系統(tǒng)實際輸出功率已經(jīng)能夠滿足小功率用電設備需求。圖9給出了本文研制的無線能量耦合傳輸系統(tǒng)外加+15V直流電壓時，在150mm氣隙處點亮了四只照明用白光LED的實物照片。

5.2 提升能量傳輸效率方法分析

圖9 無線能量耦合傳輸系統(tǒng)驗證實物圖Fig．9Real products for verification of wireless energy coupling transmission system

由空心螺線管組合而成的互感耦合器，負載運行時等效磁路如圖10所示。

圖10 互感耦合器負載運行等效磁路Fig．10Equivalent magnetic circuit of mutual inductance coupling under load running

圖10中，原邊產(chǎn)生磁動勢為Fp，副邊感應磁動勢為Fs，原邊能量感應到副邊經(jīng)過的氣隙磁路磁阻為Rg1，通過互感，副邊能量反映到原邊經(jīng)過的氣隙磁路磁阻為Rg2，原、副邊管徑內(nèi)部空氣磁路磁組分別為Rgp和Rgs，Rpc和Rsc分別為原、副邊外部漏磁。其中Rg1、Rg2、Rgp和Rgs均為空氣磁路磁阻，其磁阻計算公式為:

式中，Rg為空氣磁路磁阻;lg為空氣磁路長度;μ0為空氣磁導率;Sg為磁路截面積。

綜上可知，若要提升互感耦合器的能量傳輸效率，必定要減小磁阻損耗，實際方式是減小空氣磁路磁阻。而式(7)中空氣磁導率μ0為定值，如果要減小空氣磁路磁阻Rgp、Rgs、Rpc和Rsc，則需要以下條件:①增大磁路截面積Sg，即增大空心螺線管管徑;②減小空氣磁路長度lg，即減小空心螺線管長度和互感耦合器的氣隙值。因為大氣隙傳輸能量是希望達到的目標，所以減小互感耦合器的氣隙值固然能夠提高能量的傳輸效率，但這一點不可取。所以采取的方法是增大空心螺線管管徑和減小空心螺線管長度，即選用密集繞法繞制的多層、大管徑螺線管組合成互感耦合器［16］。6組空心螺線管中，4-1與4-2這組螺線管就是密集繞制的大管徑、多層螺線管。實驗中，由4-1與4-2所組成的互感耦合器在經(jīng)過諧振補償后，10mm氣隙處能量傳輸效率能夠達到33.74%，它是所有不同規(guī)格的空心螺線管組合而成的互感耦合器當中，能量傳輸效率最高的一個，這與本節(jié)的理論分析是完全相符的。

6 結(jié)論

為了減小能量耦合傳輸系統(tǒng)的體積和重量，增強能量耦合傳輸系統(tǒng)的實用性，本文使用空心螺線管組合成能量耦合傳輸系統(tǒng)的核心部件互感耦合器，并通過對36個自制互感耦合器的能量傳輸效率的實驗測量，研究了不同規(guī)格與結(jié)構(gòu)的空心螺線管組成的互感耦合器，在不同氣隙下的能量傳輸效率的變化規(guī)律，以及互感耦合器原、副邊進行電容補償對能量傳輸效率產(chǎn)生的影響。得出以下結(jié)論:首先，互感耦合器原、副邊均采用密集纏繞的多層、大管徑螺線管時，系統(tǒng)的能量耦合傳輸效率較高;其次，通過對互感耦合器原、副邊進行電容補償，將能量耦合傳輸系統(tǒng)整體電路調(diào)整到諧振點附近時，可以進一步提高系統(tǒng)的能量耦合傳輸效率。

本文設計的能量耦合傳輸系統(tǒng)，工作在75kHz的諧振頻率點，在10mm氣隙處，所能達到的能量耦合傳輸效率為33.74%。而且，我們認為，在氣隙相對不變的情況下，繼續(xù)采用密集纏繞、多層等結(jié)構(gòu)的空心螺線管，進一步增大空心螺線管管徑，并對互感耦合器原、副邊進行更好的補償，能量耦合傳輸效率還可以得到進一步的提高。

［1］W C Brown．The history of power transmission by radio waves［J］．IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1984，32(9):1230-1242．

［2］W C Brown，E E Eves．Beamed microwave power transmission and its application to space［J］．IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1992，40 (6):1239-1250．

［3］Charles Greene，Daniel Harrist，John Shearer，et al．Implementation of an RF power transmitter and network［P］．United States:0191075，2007．

［4］Anil KumarRamRakhyani，ShahriarMirabbasi，Mu Chiao．Design and optimization of resonance-based efficient wireless power delivery systems for biomedical implants［J］．IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2011，5(1):48-63．

［5］B J Jang，S Lee，H Yoon．HF-band wireless power transfer system:Concept，issues，and design［J］．Progress in Electromagnetics Research，2012，124:211-231．

［6］Zhen Ning Low，Chinga R A，Ryan Tseng，et al．Design and test of a high-power high-efciency loosely coupled planar wireless power transfer system［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(5):1801-1812．

［7］傅文珍，張波，丘東元，等(Fu Wenzhen，Zhang Bo，Qiu Dongyuan，et al．)．自諧振線圈耦合式電能無線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設計(Maximum efficiency analysis and design of self-resonance coupling coils for wireless power transmission system)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2009，29(18):21-26．

［8］M Catrysse，B Hermans，R Puers．An inductive power system with integrated bi-directional data-transmission［J］．Sensor and Actuators A:Physical，2004，115(2-3):221-229．

［9］L Peng，O Breinbjerg，N A Mortensen．Wireless energy transfer through non-resonant magnetic coupling［J］．Journal ofElectromagneticWavesandApplications，2012，24(11-12):1587-1598．

［10］L Peng，J Y Wang，L X Ran．Performance analysis and experimental verification of mid-range wireless energy transfer through non-resonant magnetic coupling［J］．Journal ofElectromagneticWavesandApplications，2012，25(5-6):1587-1598．

［11］J J Casanova，Zhen Ning Low，Jenshan Lin，et al．Transmitting coil achieving uniform magnetic field distribution for planar wireless power transfer system［A］．Proceedings of the 4th International Conference on Radio and Wireless Symposium［C］．San Diego，USA，2009.530-533．

［12］R Ravaud，G Lemarquand，V Lemarquand．Mutual inductance and force exerted between thick coils［J］．Progress in Electromagnetics Research，2010，102:367-380．

［13］Benjamin L Cannon，James F Hoburg，Daniel D Stancil，et al．Magnetic resonant coupling as a potential means for wireless power transfer to multiple small receivers［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(7): 1819-1825．

［14］A Kurs，A Karalis，R Moffatt，et al．Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances［J］．Science，2007，317:83-86．

(，cont．on p.75)(，cont．from p.32)

［15］Michael W Baker，Rahul Sarpeshkar．Feedback analysis and design of RF power links for low-power bionic systems［J］．IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2007，1(1):28-38．

［16］S I Babic，C Akyel．New mutual inductance calculation of the magnetically coupled coils:thin disk coil-thin wall solenoid［J］．Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2006，20(10):1281-1290．

Research on energy transmission efficiency based on air-core solenoid mutual inductance coupling

HAN Jian-hui1，ZHANG Wei2，ZHAO Li-zhi1
(1．No．91404 Troop PLA，Qinhuangdao 066200，China; 2．Shandong Vanform High Energy Physics Technology Co．Ltd．，Jinan 250000，China)

According to the principle of wireless energy transmission technique，this paper studied a set of energy coupling transmission system whose core component is air-core solenoid combination(mutual inductance coupling)．Through the experimental measurement to the energy transmission efficiency of 36 self-made mutual inductance couplings，this paper studied the mutual inductance coupling composed of air-core solenoid of different specifications and structures，the energy transmission efficiency variations under different air gaps，as well as the impact of capacitance compensation application by the primary and secondary windings of the mutual inductance coupling on the energy transmission efficiency，aiming to reduce the volume and weight of the energy coupling transmission system and strengthen its practical applicability．Analyzed the measurement data，this paper found a pair of air-core solenoid combination with high energy transmission efficiency．The energy transmission efficiency of the mutual inductance coupling consisted by this air-core solenoid combination reached 33.74%under 10mm air gap and 17.37%under 20mm air gap after its primary and secondary windings receiving the capacitance compensation．The energy transmission system made by this coupling，when applied with additional+15V direct voltage，is measured practically under 20mm air gap，showing an input power of 16.34W and an output power of 2.84W．The practical output power was able to satisfy the need of small power electric equipments．

air-core solenoid;pipe diameter;winding method;air gap;efficiency

TM724

A

1003-3076(2014)10-0028-05

2013-03-07

韓建輝(1979-)，男，黑龍江籍，工程師，碩士，主攻電力電子、雷達對抗技術(shù);張威(1986-)，男，山東籍，技術(shù)員，碩士，主攻電力電子技術(shù)。