杜博文，肖伸平，羅昌勝

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

杜博文，肖伸平，羅昌勝

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對(duì)傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率和效率較低等問(wèn)題，提出了一種平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)。并運(yùn)用MATLAB仿真軟件，對(duì)平面螺旋型四線(xiàn)圈和傳統(tǒng)四線(xiàn)圈非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率和傳輸距離、傳輸效率和傳輸距離之間的關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：在相同距離時(shí)，平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率均高于傳統(tǒng)四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)的，且平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率比傳統(tǒng)四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)的高3%。

磁耦合；非接觸；平面螺旋型；電能傳輸系統(tǒng)

0 引言

非接觸電能傳輸系統(tǒng)，是一種運(yùn)用電磁場(chǎng)或者電磁波來(lái)傳遞電能的新型電能傳輸系統(tǒng)。為了解決電線(xiàn)腐化、地下布線(xiàn)難、人為操作危險(xiǎn)等問(wèn)題，近年來(lái)，非接觸電能傳輸技術(shù)成為了電能傳輸領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸技術(shù)尚處于發(fā)展階段，該傳輸方式存在傳輸距離短、傳輸效率低等缺陷，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制[1-2]。

20世紀(jì)90年代，有國(guó)外科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并且驗(yàn)證[3]，可通過(guò)共振磁場(chǎng)發(fā)射和接收能量[4-5]，從而開(kāi)創(chuàng)了基于磁耦合式的非接觸電能傳輸技術(shù)，這是在電磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)上的一次突破。

非接觸電能傳輸系統(tǒng)的主要傳輸參數(shù)是傳輸距離、輸出功率和傳輸效率[6]，但是已有相關(guān)文獻(xiàn)研究中，此類(lèi)系統(tǒng)的傳輸距離較短，傳輸效率較低。因此，本研究提出了一個(gè)平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合非接觸的電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)中平面螺旋型線(xiàn)圈與傳統(tǒng)型四線(xiàn)圈相比，不僅能夠節(jié)省材料和空間，并且能夠提高傳輸效率。最后，為了驗(yàn)證所提出系統(tǒng)的有效性，通過(guò)建立平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)模型，并且對(duì)其輸出功率和傳輸效率進(jìn)行了分析，且運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證對(duì)比，以期為電能的傳輸和非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的理論參考依據(jù)。

1 模型的建立與分析

磁耦合式非接觸的電能傳輸系統(tǒng)，是基于線(xiàn)圈之間發(fā)生磁共振建立可傳遞能量的穩(wěn)定電場(chǎng)，從而完成電能的傳輸過(guò)程。本部分內(nèi)容主要基于系統(tǒng)傳遞能量的角度，通過(guò)建立等效電路、構(gòu)建等效參數(shù)等，對(duì)平面螺旋型接收裝置的四線(xiàn)圈系統(tǒng)模型的構(gòu)建進(jìn)行理論分析[7-9]。

1.1 傳統(tǒng)四線(xiàn)圈系統(tǒng)傳輸模型

傳統(tǒng)的四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示。圖中，Us為高頻電壓源；C1～C4為4個(gè)線(xiàn)圈的補(bǔ)償電容；L1～L4分別為4個(gè)線(xiàn)圈的等效電感；Dmn為線(xiàn)圈m和線(xiàn)圈n之間的距離；RL為負(fù)載電阻。

圖1 傳統(tǒng)四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)模型Fig. 1 Traditional four-coil transmission system

如圖1所示，傳統(tǒng)的四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)由4個(gè)完全相同的線(xiàn)圈組成，每個(gè)線(xiàn)圈上接有補(bǔ)償電容，且由發(fā)射線(xiàn)圈和中繼線(xiàn)圈構(gòu)成發(fā)射端，接收線(xiàn)圈和負(fù)載線(xiàn)圈構(gòu)成接收端。

1.2 平面螺旋型四線(xiàn)圈系統(tǒng)傳輸模型

本研究所設(shè)計(jì)的平面螺旋型四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 平面螺旋型四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)模型Fig. 2 A planar spiral four-coil transmission system mode

由圖2所示平面螺旋型四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)模型可知，該系統(tǒng)中將接收裝置線(xiàn)圈設(shè)計(jì)成平面螺旋型，這樣使得接收線(xiàn)圈的厚度僅為單匝線(xiàn)圈的厚度，而線(xiàn)圈的大小可根據(jù)負(fù)載的大小和實(shí)際需求確定[10]。

根據(jù)圖2所示平面螺旋型四線(xiàn)圈非接觸電能傳輸系統(tǒng)模型，建立如圖3所示的系統(tǒng)等效電路。

圖3 平面螺旋型四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)等效電路Fig. 3 Equivalent circuit of the planar spiral four-coil transmission system

圖3中：Mmn為線(xiàn)圈m和線(xiàn)圈n之間的互感；Rs為電源內(nèi)阻；R1～R4分別為4個(gè)線(xiàn)圈的等效電阻；為系統(tǒng)的角頻率。

由等效電路可得4個(gè)線(xiàn)圈的自阻抗Z11，Z22，Z33，Z44分別為：

耦合互阻抗為：

互感為：

Nm和Nn為線(xiàn)圈m和線(xiàn)圈n的匝數(shù)；

rm和rn為線(xiàn)圈m和線(xiàn)圈n的半徑。

當(dāng)平面螺旋型四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)，4個(gè)線(xiàn)圈的電流分別為i1，i2，i3，i4，由等效電路可以列出KVL（Kirchhoff laws）方程，為

各線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)Qm為：

將式（5）和（6）代入式（4），可得：

四線(xiàn)圈非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率Pout和傳輸效率為：

2 仿真分析

為了驗(yàn)證本研究所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的有效性，運(yùn)用MATLAB軟件，對(duì)平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)和傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率進(jìn)行了仿真分析。

2.1 輸出功率

在其他參數(shù)相同的情況下，計(jì)算出平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)和傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率與傳輸距離之間的關(guān)系、傳輸效率與傳輸距離之間的關(guān)系，所得結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率與D12、D23的關(guān)系Fig. 4 The relationship between the output power of the conventional four-coil magnetic coupling contactless transmission system andD12,D23

圖5 平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率與D12、D23的關(guān)系Fig. 5 The relationship between the output power of the planar spiral four-coil magnetic coupling contactless transmission system andD12,D23

由圖4與圖5可以得知：兩個(gè)磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率均隨著傳輸距離D12的增大而增加，隨著D23的增大出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)D12一定且較小時(shí)，隨著D23的逐漸增大，兩個(gè)磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率Pout逐漸變大；當(dāng)D12=D23時(shí)，取得最大輸出功率Pout；當(dāng)D12和D23取相同參數(shù)時(shí)，平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率大于傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率。

2.2 傳輸效率

平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)和傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率與線(xiàn)圈1和線(xiàn)圈2之間的距離D12、線(xiàn)圈3和線(xiàn)圈4之間的距離D34、總的傳輸距離D之間的關(guān)系如圖6～8所示。

圖6 傳輸效率和發(fā)射線(xiàn)圈與中繼線(xiàn)圈間距離的關(guān)系曲線(xiàn)Fig. 6 The relationship curve between the transmission ef fi ciency and the distance between the transmitting coil and relay coil

由圖6所示平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)和傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率與發(fā)射線(xiàn)圈到中繼線(xiàn)圈D12之間的關(guān)系曲線(xiàn)，可以得知當(dāng)發(fā)射線(xiàn)圈到中繼線(xiàn)圈的傳輸距離為0.5 m時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率達(dá)到最大值。

圖7 傳輸效率和接收線(xiàn)圈與負(fù)載線(xiàn)圈間距離的關(guān)系曲線(xiàn)Fig. 7 The relationship curve between the transmission ef fi ciency and the distance between the receiving coil and load coil

由圖7可以看出，隨著線(xiàn)圈3和4之間的距離不斷增大，系統(tǒng)的傳輸效率先增大后減小。在接收線(xiàn)圈與負(fù)載線(xiàn)圈距離D34=0.5 m時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率達(dá)到最大值，且平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率比傳統(tǒng)型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的高3%。其后，隨著線(xiàn)圈3和4之間的距離不斷增大，傳輸效率逐漸降低，且平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的下降速度比傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸傳輸系統(tǒng)的緩慢。

圖8 傳輸效率和總傳輸距離的關(guān)系曲線(xiàn)Fig. 8 The relationship curve between the transmission ef fi ciency and the total transmission distance

由圖8可以得出，當(dāng)線(xiàn)圈和負(fù)載的參數(shù)確定后，平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率比傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的高3%。

3 結(jié)論

本文提出了一種平面螺旋型的四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)，并且對(duì)平面螺旋型四線(xiàn)圈和傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率的表達(dá)式進(jìn)行了分析；最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證，得出了平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)和傳統(tǒng)四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的最大傳輸效率與線(xiàn)圈間距離D12和D34的關(guān)系。通過(guò)對(duì)比得出：

1）當(dāng)兩線(xiàn)圈在相同的距離、取相同的參數(shù)時(shí)，平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率比傳統(tǒng)型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的高；

2）當(dāng)發(fā)射線(xiàn)圈到中繼線(xiàn)圈的傳輸距離、接收線(xiàn)圈與負(fù)載線(xiàn)圈間距離均為0.5 m時(shí)，2個(gè)傳輸系統(tǒng)的傳輸效率均達(dá)到最大值，但平面螺旋型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率比傳統(tǒng)四線(xiàn)圈螺旋型磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)的高3%。

本研究所提出的新型四線(xiàn)圈磁耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)的四線(xiàn)圈傳輸系統(tǒng)相比，不僅能節(jié)省材料和空間，并且能提高傳輸效率，增大傳輸距離，可望被應(yīng)用于解決電線(xiàn)腐化、地下布線(xiàn)難、人為操作危險(xiǎn)等問(wèn)題的電能傳輸系統(tǒng)中。

[1] 張?zhí)煊瑁瑥埲鸪?，耿曉紅，等. 接收端并聯(lián)諧振的耦合式無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1) ：123-125，132．ZHANG Tianyu，ZHANG Ruicheng，GENG Xiaohong，et al. The Coupled Resonances Wireless Power Transfer System Based on Parallel Resonance Receiver[J]. Application of Eletronic Technique，2016，42(1) ：123-125，132.

[2] 樊英杰，張開(kāi)如，狄東照，等．小型諧振器無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)研究[J]．工礦自動(dòng)化，2016，42(3) ：48-51．FAN Yingjie，ZHANG Kairu，DI Dongzhao，et al. Study of Wireless Power Transmission System of Small Size Resonator[J]. Industry and Mine Automation，2016，42(3) ：48-51．

[3] 秦玉偉．電磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸實(shí)驗(yàn)研究[J].河南科學(xué)，2016，34 (1) ：41-44．QIN Yuwei. Experimental Study on Electro-Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transmission System[J]. Henan Science，2016，34 (1) ：41-44.

[4] 李 江，張 鵬，馬 騰，等. 磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2015，19(11) ：72-77. LI Jiang，ZHANG Peng，MA Teng，et al. Simulation and Experimental Analysis of Wireless Power Transmission System via Magnetic Resonance Coupling[J]. Electric Machines and Control，2015，19(11) ：72-77.

[5] 王國(guó)東，原璐璐，王允建. 磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的四線(xiàn)圈模型研究[J]. 電源學(xué)報(bào)，2015，13(1) ：101-106．WANG Guodong，YUAN Lulu，WANG Yunjian. Resarch on the Four Coil Model of Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transmission Systems[J]. Journal of Power Supply，2015，13(1) ：101-106．

[6] LI Yang，YANG Qingxin，CHEN Haiyan. Basic Study on Improving Power of Wireless Power Transfer via Magnetic Resonance Coupling[J]. Adcanced Materials Research，2012，459：445-449.

[7] 張 獻(xiàn)，楊慶新，陳海燕，等. 電磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(21) ：153-158．ZHANG Xian，YANG Qingxin，CHEN Haiyan，et al. Modeling and Design and Experimental Verification of Contactless Power Transmission System via Electromagnetic Resonant Coupling[J]. Proceedings of the CSEE，2012，32(21) ：153-158.

[8] 李 陽(yáng)，楊慶新，閆 卓，等．磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的頻率特性[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012，16(7) ：7-11．LI Yang，YANG Qingxin，YAN Zhuo，et al. Characteristic of Frequency in Wireless Power Transfer System via Magnetic Resonance Coupling[J]. Electric Machines and Control，2012，16(7) ：7-11.

[9] 陳 明，肖強(qiáng)輝. UC3842雙管正激式單級(jí)PFC變換器研究[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28(2) ：46-51. CHEN Ming，XIAO Qianghui. Design of Dual-Transistor Forward Single PFC Converter Based on UC3842[J]. Journal of Hunan University of Technology，2014，28(2) ：46-51.

[10] KIANI M，JOW U M，GHOVANLOO M. Design and Optimization of 3-Coil Inductive Link for Efficient Wireless Power Transmission[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and System，2011，5(6) ：579-591.

(責(zé)任編輯：廖友媛)

Design of a Planar Spiral Four-Coil Magnetic Coupling Contactless Power Transmission System

DU Bowen，XIAO Shenping，LUO Changsheng
（School of Electrical & Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the low output power and output efficiency exhibited by the conventional four-coil magnetic coupling contactless power transmission system, a planar spiral four-coil magnetic coupling contactless power transmission system has been proposed. A comparative analysis has been made between its output power and transmission distance, as well as its transmission ef fi ciency and transmission distance by using MATLAB simulation software. The results show that,with the distance a constant, the output power and transmission ef fi ciency of the planar spiral four-coil magnetic coupling contactless power transmission system are 3% higher than those of the traditional four-coil transmission system.

magnetic coupling；contactless；planar spiral；power transmission system

TM72

A

1673-9833(2017)02-0061-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.02.011

2016-10-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61672225），國(guó)家火炬計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（2015GH712901），湖南省教育廳科研基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（14A038）

杜博文（1991-），男，河北衡水人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電能傳輸，E-mail：386430669@qq.com

肖伸平（1965-），男，湖南東安人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，主要從事時(shí)滯系統(tǒng)魯棒控制，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及網(wǎng)絡(luò)化控制等方面的研究，E-mail：xsph_519@163.com