丁云廣， 閔昌萬(wàn)

(空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100076)

目前， 在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域， 主要的能量供給方式為電池或有線供電. 在密閉狹小的空間內(nèi)， 由于安裝有眾多的電子設(shè)備， 采用電池供電方式會(huì)造成能量的二次補(bǔ)給困難、 采用有線方式會(huì)帶來(lái)走線困難的問(wèn)題.對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)這種超低功耗的負(fù)載， 使用有線供電的方式對(duì)于飛行器結(jié)構(gòu)減重也有不利影響.

2007年7月麻省理工學(xué)院以Marin Soljacic教授為首的研究小組在《Science》上發(fā)表論文[1], 他們發(fā)現(xiàn)了一種全新的無(wú)線供電模式——非輻射電磁能諧振隧道效應(yīng)， 稱(chēng)作“WiTricity(Wireless electricity transfer)”技術(shù)， 也稱(chēng)為磁共振感應(yīng)耦合技術(shù). 此后， Intel公司、 斯坦福大學(xué)、 Powermat公司、 SONY公司、 日本東京大學(xué)、 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)都對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了深入開(kāi)發(fā)[2-8].

基于磁耦合模型的無(wú)線電能傳輸技術(shù)被提出用于解決物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題， 目前對(duì)于磁耦合模型的無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究工作很多學(xué)者都有開(kāi)展， 在實(shí)際應(yīng)用中大多為大線圈正對(duì)的傳輸方式， 傳輸?shù)哪芰枯^大， 本文所要解決的是在狹小空間內(nèi)使用小線圈傳輸能量， 用于滿(mǎn)足超低功耗負(fù)載的應(yīng)用.

1　磁耦合無(wú)線電能傳輸模型

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)了電能無(wú)線傳遞的同時(shí)， 其傳輸效率受到多個(gè)因素的制約， 整體的工作效率是繞組結(jié)構(gòu)、 耦合效果、 工作頻率和驅(qū)動(dòng)模式等共同作用的結(jié)果， 而傳輸距離的增減也會(huì)直接影響傳輸效率[9]. 對(duì)于本文設(shè)計(jì)的磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸模型的關(guān)鍵在于電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)， 其模型如圖 1 所示.

圖 1　電磁耦合系統(tǒng)模型Fig.1　Electromagnetic coupling system model

圖 2　負(fù)載終端等效電路Fig.2　Terminal load equivalent circuit

考慮負(fù)載繞組對(duì)振蕩器品質(zhì)因素的影響時(shí)， 可將振蕩器a2及負(fù)載視為一個(gè)由兩者組合而成的新振蕩器[10]， 等效電路如圖 2 所示.

此時(shí)忽略負(fù)載電阻RD， 并保證電路工作在同一角頻率ω， 則負(fù)載所獲得的有功功率

(1)

圖 3　發(fā)射繞組與接收繞組示意圖Fig.3　A schematic diagram of the transmitting and receiving windings

針對(duì)同軸放置的繞組， 如圖 3 分析無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的軸向距離特性， 在發(fā)射繞組與接收繞組為同軸螺旋線圈時(shí)， 在準(zhǔn)靜態(tài)條件r=D下， 諧振耦合式無(wú)線電能傳輸距離與互感的關(guān)系為[11]

M=M12=M21=πμ0(n1n2)0.5(r1r2)2/2D3,

(2)

式中：n1,n2為發(fā)射與接收線圈繞組的匝數(shù)；r1,r2為發(fā)射與接收線圈繞組的半徑；D為線圈間的距離. 對(duì)于結(jié)構(gòu)、 參數(shù)相同的發(fā)射繞組：n1=n2=n，r1=r2=r, 則得到

M=πμ0nr4/2D3.

(3)

高頻條件下繞組的損耗電阻

(4)

式中：ω為角頻率；σ為電導(dǎo)率；a為線徑.

(5)

由式(5)可知： 有效傳輸距離D與繞組半徑r、 線徑a、 角頻率ω、 電導(dǎo)率σ等因素有關(guān).

至此， 基于等效電路的磁耦合基本理論模型建立完成.

2　磁耦合無(wú)線電能傳輸仿真分析

對(duì)于磁耦合無(wú)線電能傳輸?shù)姆抡娣治鍪窃O(shè)計(jì)良好的無(wú)線電能傳輸模塊的必要環(huán)節(jié). 本文仿真分析的物理基礎(chǔ)為： 發(fā)射繞組電源激勵(lì)為28 V； 負(fù)載用電需求電壓為5 V, 電流為100 mA； 使用MAXWELL仿真， 分別得到了實(shí)際環(huán)境容許使用的頻率范圍條件下， 不同頻率、 不同幅值下的無(wú)線電能傳輸能力的結(jié)果.

建立如圖 4 所示的仿真正對(duì)線圈模型： 兩個(gè)外徑6 cm， 內(nèi)徑1 cm的正對(duì)線圈間距為10 cm.

圖 4　建立仿真正對(duì)線圈模型Fig.4　Establishment of a simulation model of positive pair of coils

圖 5　諧振電路Fig.5　Resonant circuit

振蕩頻率為500 kHz， 幅值1 A時(shí)的仿真結(jié)果如圖 6 所示； 振蕩頻率為500 kHz， 幅值為10 A時(shí)仿真結(jié)果如圖 7 所示； 振蕩頻率為1 000 kHz， 幅值為1 A時(shí)的仿真結(jié)果如圖 8 所示.

圖 6　500 kHz, 1 A的場(chǎng)強(qiáng)分布與輸入輸出電流Fig.6　Field intensity distribution and input and output current of 500 kHz and 1 A

圖 7　500 kHz, 10 A的場(chǎng)強(qiáng)分布與輸入輸出電流Fig.7　Field intensity distribution and input and output current of 500 kHz and 10 A

圖 8　1 000 kHz, 1 A的場(chǎng)強(qiáng)分布與輸入輸出電流Fig.8　Field intensity distribution and input and output current of 1000 kHz and 1 A

由仿真結(jié)果可知， 在500 kHz, 1 A幅值與1 000 kHz, 1 A幅值時(shí)都可以滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求， 考慮對(duì)其余單機(jī)的影響， 選擇500 kHz更加貼合設(shè)計(jì)需求， 由仿真結(jié)果可知： 諧振頻率在一定范圍內(nèi)的提高有助于提高傳輸效率， 超過(guò)一定頻率后傳輸效率下降.

3　結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的電磁輻射、 電磁兼容以及產(chǎn)品推廣中的標(biāo)準(zhǔn)也都進(jìn)行了研究[12-15]， 本文介紹了磁耦合無(wú)線電能傳輸?shù)母拍睢?原理模型.對(duì)磁耦合模型使用maxwell進(jìn)行了建模以及聯(lián)合仿真分析， 結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用需求， 設(shè)計(jì)者可以更加形象地了解磁耦合無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用.未來(lái)， 磁耦合無(wú)線電能傳輸?shù)哪K化、 小型化和協(xié)同化是應(yīng)用的主流.

參考文獻(xiàn)：

[1]Andre K, Aristeidis K, Robert M, et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. Science， 2007， 317(5834)： 83-86.

[2]Sample A P， Meyer D A， Smith J R. Analysis， experimental results and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011， 58(2)： 544-554.

[3]Yu X， Sandhu S， Beiker S， et al. Wireless energy transfer with the presence of metallic palanes[J]. Applied Physics Letters， 2011， 99(21)： 1-3.

[4]OLEV公司. www.olevtech.com.

[5]Imura T， Hori Y. Maximmizing air gap and efficiency of magnetic resonant couling for wireless power transfer using equialent circuit and neumann formula[J]. IEEE Transactions on Industrial， 2011， 58(10)： 4746-4752.

[6]Koh K， Beh T， Imura T， et al. Impedance matching and power divison using impedance inverter for wireless power transfer via magnetic resonant coupling[J]. IEEE Transation on Industry Applications， 2013， 50(3)： 2061-2070.

[7]Teck Chuan Beh， Kato M， Imura T， et al. Automated impedance matching system for robust wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J]. IEEE Transactions on Industria Electronice Coupling， 2013， 60(9)： 3689-3698.

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

[9]楊慶新，張獻(xiàn)，李陽(yáng)，等.無(wú)線電能傳輸技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[10]楊宏正，曹軍青，王三勝，等. 線圈磁耦合模型仿真及其應(yīng)用[J]. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)， 2016，30(6)：471-477.

Yang Hongzheng， CAO Junqing， Wang Sansheng, et al. Simulation of magnetic coupling model of coil and its application[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2016，30(6)：471-477. (in Chinese)

[11]Domingo M C. Magnetic induction for underwater wireless communication networks[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2012, 60(6): 2929-2939.

[12]傅文珍，張波，丘東元, 等. 自諧振線圈耦合式電能無(wú)線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009(18)： 21-26.

Fu Wenzheng， Zhang Bo， Qiu Dongyuan, et al. Maximum efficiency analysis and deign of self-resonance coupling coils for wireless power transmisson system[J]. Proceedings of the CSEE， 2009(18)： 21-26. (in Chinese)

[13]蔣維，傅文珍，王蕊玲，等. 一種小功率的諧振耦合電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)仿真[J]. 嘉興學(xué)院學(xué)報(bào)， 2012(3)： 107-110.

Jiang Wei， Fu Wenzheng， Wang Ruiling, et al. A low-power system simulation of wireless energy transfer based on resonant coupling[J]. Journal of Jiaxing University， 2012(3)： 107-110. (in Chinese)

[14]柏楊，黃學(xué)良，鄒玉煒，等. 基于超聲波的無(wú)線電能傳輸?shù)难芯縖J]. 壓電與聲光， 2011(2)： 324-327.

Bo Yang， Huang Xueliang， Zhou Yuwei, et al. Study of wireless power transfer system based on ultrasonic[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics， 2011(2)： 324-327. (in Chinese)

[15]黃學(xué)良，譚林林，陳中，等. 無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2013(10)： 1-11.

Huang Xueliang， Tan Linlin， Chen Zhong, et al. Review and research progress on wireless power transfer technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013(10)： 1-11. (in Chinese)