I標(biāo)準(zhǔn)的線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)"/>
摘 要:在研究分析非接觸感應(yīng)充電原理基礎(chǔ)上,建立了非接觸感應(yīng)充電系統(tǒng)的電路模型,推導(dǎo)出系統(tǒng)的傳輸效率函數(shù)式,利用Maxwell仿真分析了線圈匝數(shù)、直徑、屏蔽形狀、屏蔽與各級線圈間的距離和屏蔽厚度對耦合系數(shù)的影響,設(shè)計(jì)了一種符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的線圈結(jié)構(gòu),為非接觸感應(yīng)充電技術(shù)研究人員提供參考應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:Qi標(biāo)準(zhǔn);Maxwell;非接觸感應(yīng);線圈
引言
電子產(chǎn)品的大量使用,使得充電設(shè)備越來越多,有線充電和非接觸感應(yīng)充電是現(xiàn)在的主要供電形式。而非接觸感應(yīng)充電采用電磁感應(yīng)原理,由于充電器與待充電子產(chǎn)品之間沒有接點(diǎn),不會產(chǎn)生接觸不良、漏電等危險(xiǎn)。然而非接觸感應(yīng)充電也存在缺點(diǎn),能量是通過線圈間的交變磁場進(jìn)行傳遞,磁場強(qiáng)度會隨著線圈間距離的變化而變化,進(jìn)而影響充電效率。因此,對電磁感應(yīng)技術(shù)的研究顯得尤為重要,特別是線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。作為非接觸感應(yīng)充電行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium)制定的Qi標(biāo)準(zhǔn)由三部分構(gòu)成,即Interface Definition、Performance Requirements和Compliance Testing。
1 非接觸感應(yīng)充電原理
利用電磁感應(yīng)耦合對設(shè)備供電,在初級側(cè)和次級側(cè)各有一個(gè)線圈,初級側(cè)線圈(即初級線圈)與電源相連接,通過整流濾波、高頻逆變電路把交流電流轉(zhuǎn)化成電磁信號,次級側(cè)線圈(即次級線圈)感應(yīng)電磁信號并轉(zhuǎn)化成交流電流,交流電流經(jīng)過整流濾波、穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成直流電流給設(shè)備充電。非接觸感應(yīng)系統(tǒng)框架如圖1所示。
2 非接觸感應(yīng)電路模型
非接觸感應(yīng)系統(tǒng)電路模型如圖2所示。
式中:US為交流電壓;?棕為諧振頻率;I1和I2分別為初級電路和次級電路的電流;R1和R2分別為等效電阻;C1和C2分別為初級和次級串聯(lián)的共振電容;L1和L2分別為初級繞組和次級繞組的電感;M為互感;RL為負(fù)載
當(dāng)初級和次級處于同一諧振頻率時(shí),達(dá)到最佳諧振狀態(tài),此時(shí)有?棕L1=?棕L2=1/?棕C1=1/?棕C2。
由上式可知,非接觸感應(yīng)充電系統(tǒng)的傳輸效率與初、次級線圈的內(nèi)阻、互感和負(fù)載有關(guān)。
3 Maxwell有限元仿真
通過分析可知,傳輸效率也受線圈間距離和偏移量等影響,隨著線圈間距離、偏移量等的變化,傳輸效率也會變化。
文章選用Qi標(biāo)準(zhǔn)中A11型線圈在外部激勵(lì)為1A電流,100KHZ頻率下進(jìn)行仿真研究,分析線圈匝數(shù)、線圈直徑、次級屏蔽形狀、次級線圈與屏蔽間的距離、初級屏蔽形狀、初級線圈與屏蔽間的距離和屏蔽厚度對耦合系數(shù)的影響。利用Maxwell建立三維模型如圖3所示。
3.1 線圈匝數(shù)對耦合系數(shù)的影響
當(dāng)初、次級線圈之間的距離為4mm,其他仿真參數(shù)不變的情況下,通過改變線圈匝數(shù),得到匝數(shù)對耦合系數(shù)的影響如圖4所示。
從圖中可以看出,當(dāng)次級線圈匝數(shù)N=11匝時(shí),耦合系數(shù)最高,說明線圈之間的耦合程度最好。
3.2 線圈直徑對耦合系數(shù)的影響
當(dāng)次級線圈匝數(shù)N=11匝,線圈間距為4mm,其他仿真參數(shù)不變的情況下,建立三維模型如圖3所示。通過改變線圈直徑,得到線圈直徑對耦合系數(shù)的影響如圖5所示。
從圖中可以看出,當(dāng)次級線圈直徑為D=45.3mm時(shí),耦合系數(shù)最高,說明線圈之間的耦合程度最好。
考慮到初、次級線圈之間的距離對耦合系數(shù)也有影響,通過仿真分析可以得到線圈直徑、兩線圈之間的距離對耦合系數(shù)的影響如圖6所示。
從圖中可以看出,初、次級線圈之間的耦合系數(shù)隨著兩線圈間距L和線圈直徑的變化而變化。
3.3 次級側(cè)屏蔽對耦合系數(shù)的影響
限于手機(jī)尺寸的要求,屏蔽不可能無限大。通過仿真分析次級屏蔽的形狀、厚度和屏蔽與次級線圈之間的距離對耦合系數(shù)的影響,得到下面的影響曲線。
從圖7中可以看出,次級側(cè)屏蔽形狀為方形時(shí)的耦合系數(shù)高于圓形屏蔽的耦合系數(shù),說明方形屏蔽更有利于兩線圈之間的耦合。
從圖8中可以看出,當(dāng)次級屏蔽厚度為0.9mm時(shí),耦合系數(shù)最高,說明初、次級間的耦合程度最好。
從圖9中可以看出,當(dāng)次級線圈和次級側(cè)屏蔽的距離為0mm時(shí),耦合系數(shù)最高,初、次級線圈的耦合程度最好。
3.4 初級側(cè)屏蔽對耦合系數(shù)的影響
限于手機(jī)尺寸的要求,屏蔽不可能無限大。通過仿真分析初級屏蔽的形狀、厚度和屏蔽與初級線圈之間的距離對耦合系數(shù)的影響,得到下面的影響曲線。
從圖10中可以看出,初級側(cè)屏蔽形狀為方形時(shí)的耦合系數(shù)高于圓形屏蔽的耦合系數(shù),說明方形屏蔽更有利于兩線圈之間的耦合。
從圖11中可以看出,隨著初級側(cè)屏蔽厚度的增加,初、次級線圈之間的耦合系數(shù)增加緩慢,考慮到實(shí)際所需,選擇合適的初級側(cè)屏蔽厚度。
從圖12中可以看出,當(dāng)初級線圈和初級側(cè)屏蔽的距離為0mm時(shí),耦合系數(shù)最高,初、次級線圈的耦合程度最好。
考慮到初、次級線圈之間的距離對耦合系數(shù)也有影響,通過仿真分析可以得到偏移量S、兩線圈之間的距離L對耦合系數(shù)的影響如圖13所示。
從圖13中可以看出,隨著線圈間距L和偏移量S的減小,初、次級線圈間的耦合程度逐漸增加。
3.5 仿真結(jié)果
通過以上仿真分析,設(shè)計(jì)了一種符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的線圈結(jié)構(gòu),當(dāng)兩線圈間的距離為4mm時(shí),初、次級線圈間的耦合系數(shù)可以達(dá)到0.763。參數(shù)如表1所示。
4 結(jié)束語
利用Maxwell對Qi標(biāo)準(zhǔn)中A11型線圈進(jìn)行研究,通過仿真分析線圈匝數(shù)、線圈直徑、屏蔽形狀、屏蔽厚度和屏蔽與各級線圈間距對耦合系數(shù)的影響,設(shè)計(jì)了一種符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的線圈結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果表明,當(dāng)初、次級線圈之間的距離為4mm時(shí),線圈間的傳輸效率可以達(dá)到0.763,對非接觸感應(yīng)產(chǎn)品的研究開發(fā)具有一定參考價(jià)值。
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