何亞偉，李 陽(yáng)，楊慶新，張 獻(xiàn)，倪衛(wèi)濤，劉維娜，張雅希，楊曉博

（天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸線圈的磁聚焦仿真

何亞偉，李 陽(yáng)，楊慶新，張 獻(xiàn)，倪衛(wèi)濤，劉維娜，張雅希，楊曉博

（天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

為通過(guò)磁聚焦技術(shù)提高無(wú)線電能傳輸效率，對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中的磁場(chǎng)分布特性進(jìn)行分析，并采用Comsol Multiphysics多物理場(chǎng)軟件，對(duì)不同類型線圈、不同線圈排列結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)聚焦特性進(jìn)行仿真.結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的5線圈結(jié)構(gòu)通過(guò)角度、距離、尺寸的逐級(jí)優(yōu)化，其磁場(chǎng)聚焦特性不斷增強(qiáng)，最終得到一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的線圈結(jié)構(gòu).

無(wú)線電能傳輸；磁場(chǎng)聚焦；線圈類型；排列結(jié)構(gòu)

線圈類型和線圈結(jié)構(gòu)是影響磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸效率的關(guān)鍵因素之一[1-4].目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)平面螺旋線圈、三層PCB板六邊形線圈等電磁場(chǎng)耦合情況進(jìn)行仿真或?qū)嶒?yàn)，旨在讓無(wú)線電能傳輸過(guò)程中線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)耦合更強(qiáng)，從而提高傳輸效率和距離[5-9].磁聚焦技術(shù)是電磁成像、功能磁刺激及電磁場(chǎng)工程等領(lǐng)域的一種關(guān)鍵技術(shù)[10-13].該技術(shù)利用不同的線圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)矢量場(chǎng)，從而對(duì)目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng).如果在無(wú)線傳能的過(guò)程中，能夠在一定的距離處產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)區(qū)域，那么能量接收的效率勢(shì)必增高.目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)磁聚焦特性在無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的研究還相對(duì)較少.本文通過(guò)對(duì)發(fā)射端線圈的角度、距離、尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從而獲得磁聚焦特性最優(yōu)結(jié)構(gòu)；通過(guò)對(duì)不同形狀的線圈和排列結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，觀測(cè)其磁場(chǎng)聚焦效果，得到最優(yōu)的線圈排列組合，以期為實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)在無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的高效利用提供參考.

1 無(wú)線電能傳輸中距離與磁場(chǎng)分布特性的分析

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)一般由高頻信號(hào)發(fā)射源、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、負(fù)載等部分組成.其中發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)是無(wú)線傳能整套系統(tǒng)中的核心部分，典型模型如圖1所示.在無(wú)線傳能的整套系統(tǒng)中，激磁線圈A通過(guò)直接耦合將能量傳遞到發(fā)射線圈S，發(fā)射線圈S和接收線圈D之間通過(guò)空間磁場(chǎng)的諧振耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸，接收線圈通過(guò)直接耦合將能量傳遞到負(fù)載線圈B.

圖1 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)整體模型Fig.1 Whole model of wireless power transfer

文獻(xiàn)[6-8]中對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的頻率特性、方向特性、距離特性以及功率與效率特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：在頻率一定、負(fù)載一定的情況下，接收端電壓會(huì)隨著距離的增大先增大后減小，效率會(huì)隨著距離的增大而減??；同時(shí)，隨著距離的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)減小.

由法拉第電磁感應(yīng)定律分析多匝圓環(huán)線圈時(shí)，可得到線圈上的感應(yīng)電壓[14-15]如下式所示.

式中：E為接收端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；f為諧振頻率；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為與磁場(chǎng)方向垂直的平面面積；N為線圈匝數(shù).

由公式（1）可知：在發(fā)射端功率、負(fù)載、諧振頻率、線圈匝數(shù)、能量發(fā)射線圈和接收線圈距離一定的情況下，如果能利用磁聚焦特性提高磁感應(yīng)強(qiáng)度B，那么接收端電壓會(huì)增高，同時(shí)無(wú)線電能傳輸?shù)墓β示蜁?huì)越高.這樣，在能量發(fā)射線圈和接收線圈距離更遠(yuǎn)的位置，也能獲得和磁場(chǎng)疊加之前大小相同的功率.

在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射端線圈的排列結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)提高無(wú)線電能傳輸過(guò)程中的功率和效率有著重要的意義.本文對(duì)不同形狀的線圈進(jìn)行仿真，選擇出適合磁場(chǎng)聚焦的線圈，然后對(duì)此種線圈在不同結(jié)構(gòu)下的磁聚焦特性進(jìn)行分析，以期為實(shí)際提供指導(dǎo).

2 不同類型線圈的磁聚焦效果仿真

本文利用Comsol軟件，對(duì)不同類型線圈的磁聚焦特性進(jìn)行了仿真.為了比較不同類型線圈的磁場(chǎng)分布特性，現(xiàn)對(duì)底面積、高度、線圈匝數(shù)和通入電流相同的6種不同形狀的線圈進(jìn)行仿真[16-20]，觀察軸向方向的磁場(chǎng)分布情況，從而選擇出理想的線圈類型.先用Com sol軟件進(jìn)行幾何建模，如圖2所示，線圈橫截面積S1=S2=S3=S4=S5=S6=100 πmm2，豎直高度H1=H2= H3=H4=H5=H6=3 mm，通入電流均為1 A，線圈匝數(shù)為10，而且外圍正方體區(qū)域的邊長(zhǎng)都為35 mm.材料設(shè)置為銅，且均在邊長(zhǎng)為35 mm的正方體的空氣域內(nèi)，再對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分，計(jì)算，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

圖2 不同種類的線圈比較Fig.2 Comparison of different types of coil

取一條三維截線起點(diǎn)為（0，0，-30），終點(diǎn)為（0，0，30），單位mm，分析這條線上的磁場(chǎng)分布特性，如圖3所示.

圖3 不同種類線圈時(shí)的磁場(chǎng)分布Fig.3 Magnetic field distribution of different types of coils

由圖3仿真結(jié)果分析可得：橢圓形的整體磁感應(yīng)強(qiáng)度較?。粓A形、正方形、五邊形和長(zhǎng)方形的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布區(qū)別不大；在-2～6 mm處正六邊形的變化最大；圓形線圈的變化比較平緩，適合較大范圍內(nèi)的供電，而且圓形線圈設(shè)計(jì)和制作簡(jiǎn)便，適合在實(shí)際場(chǎng)合中應(yīng)用.

3 不同線圈排列結(jié)構(gòu)的磁聚焦效果仿真

3.1 線圈間角度優(yōu)化

在對(duì)不同線圈排列結(jié)構(gòu)的磁聚焦效果進(jìn)行仿真時(shí)，設(shè)計(jì)5線圈結(jié)構(gòu)[21-22]，線圈均為圓形，底面積為100π mm2，高度為3 mm，匝數(shù)為10，材料為銅，且均在邊長(zhǎng)為35 mm的正方體空氣域中.中心線圈的圓心位于原點(diǎn)，其余4個(gè)線圈的圓心分別位于xOy平面的（-30，0）、（30，0）、（0，-30）、（0，30）處，單位為mm，因?yàn)橐詫?duì)稱形式排列，為簡(jiǎn)化分析，簡(jiǎn)化示意圖如圖4所示，d1=30 mm.4個(gè)線圈與xOy平面角度為α，角度α分別取0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)，觀測(cè)z軸方向的磁場(chǎng)分布情況.

圖4 不同角度時(shí)簡(jiǎn)化示意圖Fig.4 Simplified schematic of different angles

因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以研究z軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布時(shí)，取一條三維截線，起點(diǎn)為（0，0，-30），終點(diǎn)為（0，0，30），單位mm.觀察與z軸垂直平面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況時(shí)，取一條三維截線，起點(diǎn)為（0，-30，15），終點(diǎn)為（0，30，15），單位mm.仿真結(jié)果如圖5所示，由仿真結(jié)果分析可知：當(dāng)α取90°時(shí)，此線圈排列結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)聚焦特性最好.

3.2 線圈間距離優(yōu)化

對(duì)以上5線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，除中心線圈外其余4線圈與xOy平面成90°，位置不變，調(diào)整中心線圈與xOy平面的距離d2，如圖6所示，分別取-15、-10、-5、0、5、10、15 mm.然后取一條三維截線，起點(diǎn)為（0，0，-30），終點(diǎn)為（0，0，30），單位mm；取另一條三維截線，起點(diǎn)為（0，-30，20），終點(diǎn)為（0，30，20），單位mm，分析這兩條線上的磁場(chǎng)分布特性，結(jié)果如圖7所示.

圖5 不同角度時(shí)的磁場(chǎng)分布Fig.5 Magnetic field distribution of different angles

圖6 不同距離時(shí)簡(jiǎn)化示意圖Fig.6 Simple diagram of different distances

由圖7結(jié)果可知，當(dāng)中心線圈與xOy平面的距離為-15～5 mm時(shí)，z軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度最高點(diǎn)一直往z軸正方向增大，但是y軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)較低；雖然當(dāng)距離到達(dá)15 mm時(shí)，z軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布移動(dòng)到z軸正方向更遠(yuǎn)處，而且y軸方向磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值較大，但是這種情況波動(dòng)較大，說(shuō)明此時(shí)這一位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化幾乎是由中心線圈主導(dǎo)的，而其余4個(gè)線圈的影響很小，這樣就不是多線圈的排列結(jié)構(gòu)分析，而只是單線圈的影響了；而當(dāng)距離位于10 mm處，z軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布位于z軸正方向較遠(yuǎn)處，而且y軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布比較均勻且數(shù)值較大.綜合以上分析，所以最后選取距離10 mm為最優(yōu)結(jié)果.

圖7 不同距離時(shí)的磁場(chǎng)分布Fig.7 Magnetic field distribution of different distances

3.3 線圈尺寸優(yōu)化

繼續(xù)對(duì)以上5線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[23]，除中心線圈外其余4線圈均與xoy平面成90°且位置不變，當(dāng)中心線圈位于10 mm處時(shí)，調(diào)整中心線圈的體積大小，示意圖如圖8所示.當(dāng)體積放大倍數(shù)分別取其1.2、1.4、1.6、1.8、2倍時(shí)，取一條三維截線，起點(diǎn)為（0，0，-30），終點(diǎn)為（0，0，30），單位mm，取另一條三維截線，起點(diǎn)為（0，-30，20），終點(diǎn)為（0，30，20），單位mm，分析這兩條線上的磁場(chǎng)分布特性，結(jié)果如圖9所示.

圖8 不同體積的線圈結(jié)構(gòu)比較Fig.8 Copararation of the different scale

由圖9仿真結(jié)果可得，隨著中心線圈體積的增大，y軸方向的較大磁感應(yīng)強(qiáng)度分布范圍逐漸增大，但是變化不是很大，而z軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸變小.為同時(shí)兼顧y軸方向和z軸方向的磁場(chǎng)分布特性，中心線圈取1.4倍時(shí)效果最好.

圖9 不同尺寸組合時(shí)的磁場(chǎng)分布Fig.9 Magnetic field distribution of different scale

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)運(yùn)用Comsol Multiphysics軟件對(duì)不同類型的線圈進(jìn)行仿真，然后設(shè)計(jì)了5線圈結(jié)構(gòu)，并對(duì)5線圈結(jié)構(gòu)的角度、距離、尺寸進(jìn)行優(yōu)化并仿真，由仿真結(jié)果得：合理的設(shè)計(jì)線圈排列結(jié)構(gòu)的角度、線圈間的距離以及不同線圈的尺寸，可以在發(fā)射端功率、負(fù)載、諧振頻率、線圈匝數(shù)，能量發(fā)射線圈和接收線圈距離一定的情況下，有效增加相同距離下的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而提高接收端電壓，改進(jìn)無(wú)線電能傳輸效率.

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Simulation of focus magnetic field of magnetically coupled resonant wireless power transfer coil

HE Ya-wei，LI Yang，YANG Qing-xin，ZHANG Xian，NI Wei-tao，LIU Wei-na，ZHANG Ya-xi，YANG Xiao-bo
（Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to improve the efficiency of the wireless power transmission via focusing magnetic distribution，the magnetic distribution during the magnetically coupled resonant wireless power transmission was analyzed.Comsol Multiphysics simulation software was used to simulate the properties of the magnetic field of different types of coils and coil arrangement.The result shows that 5 coil structure designed was optimized step by step by angle，distance and size，the property of magnetic field focusing turns stronger and stronger，finally a coils structure which was simple and reliable was obtained.

wireless power transfer；focus magnetic field；coil type；coil arrangement

TM72

A

1671－024X（2015）02－0075－05

2014-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51207106，51477117，51207120）

何亞偉（1990—），男，碩士研究生.

李 陽(yáng)（1979—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸.E-mail：liyang@tjpu.edu.cn