朱立穎 馬亮 張曉峰 劉治鋼
(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)
無線能量傳輸技術(shù)是借助電磁場或者電磁波進行能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)[1],一般分為電磁耦合式和微波(電磁輻射)2種,電磁耦合式根據(jù)傳輸原理不同又可分為感應(yīng)耦合式和共振耦合式[2-3]。相對而言,微波傳輸距離較遠(yuǎn),但其效率低,多應(yīng)用于需要遠(yuǎn)距離無線傳能的場合,如空間太陽能電站等。電磁耦合式傳輸距離在厘米級至米級,因此又被稱為近場無線能量傳輸,具有傳輸效率高、易小型化、方向適應(yīng)性強等優(yōu)點,是有線能量傳輸方式不適用范圍內(nèi)的有效替代手段。無線能量傳輸系統(tǒng)是以交變的電磁場為空間介質(zhì)進行能量傳輸。航天器對內(nèi)部設(shè)備的體積、質(zhì)量和電磁兼容等都有嚴(yán)格的要求,近場無線能量傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用首先要避免其對其余設(shè)備的影響。采用電磁屏蔽的方式可以減小近場無線能量傳輸系統(tǒng)對外部設(shè)備的影響,但電磁屏蔽體會改變近場無線能量傳輸系統(tǒng)的磁場分布,將對其磁場耦合特性產(chǎn)生影響,因此有必要開展電磁屏蔽對近場無線能量傳輸系統(tǒng)的影響分析。
近場無線能量傳輸技術(shù)在空間領(lǐng)域?qū)儆谇把丶夹g(shù),相關(guān)應(yīng)用報道較少,可查到的如ESA擬在火星探測任務(wù)中的生物采樣密封罐采用近場無線能量傳輸技術(shù)[4]。目前,對近場無線能量傳輸系統(tǒng)屏蔽前后周圍磁場的解析研究也相對較少,通常使用軟件仿真和試驗測試對系統(tǒng)進行磁場分析。由于近場無線能量傳輸系統(tǒng)為高頻電磁場環(huán)境,為討論其周圍磁場分布和建立仿真模型,主要通過交變磁場近似為準(zhǔn)靜態(tài)磁場來簡化分析,但這與實際系統(tǒng)的磁場環(huán)境分布并非完全一致。在國內(nèi)外對無線能量傳輸系統(tǒng)電磁屏蔽技術(shù)的研究中,文獻[5]中使用Maxwell仿真軟件對所設(shè)計的磁屏蔽無線能量傳輸系統(tǒng)進行仿真分析,分別研究了單線圈、加鐵氧體進行屏蔽和加鐵氧體與金屬材料進行屏蔽3種情況下,線圈周圍的磁場分布情況,并對線圈橫向上的磁通密度進行分析。文獻[6]中通過采用磁性材料改變磁場路徑,利用金屬導(dǎo)電板消除渦流,進而達(dá)到電磁屏蔽的目的,減小無線能量傳輸系統(tǒng)對器件的影響。文獻[7]中使用Maxwell仿真軟件對印刷電路板(PCB)式無線能量傳輸系統(tǒng)進行設(shè)計與分析。文獻[8]中使用Comsol仿真軟件對千瓦級電動汽車無線充電系統(tǒng)額定工作時在車體內(nèi)及充電裝置周圍產(chǎn)生的電磁場進行分析,對比了收發(fā)裝置整體屏蔽和其所提出的只在發(fā)射端外沿施加水平或豎直屏蔽3種屏蔽方式的屏蔽效果。上述文獻均針對車輛應(yīng)用近場無線能量傳輸技術(shù)的磁屏蔽特性開展仿真分析和試驗研究,其特性與在空間應(yīng)用的近場無線能量傳輸(包括輸出功率、電壓等級、傳輸距離等)不同,且未系統(tǒng)地開展電磁屏蔽對這些性能參數(shù)的影響分析。
基于近場無線能量傳輸系統(tǒng)在空間的應(yīng)用需求,本文建立空間近場無線能量傳輸系統(tǒng)的電磁仿真模型,開展電磁屏蔽對其傳輸功率、工作電壓等級、傳輸距離和工作頻率的影響分析,解決交變電磁場環(huán)境下系統(tǒng)參數(shù)與屏蔽影響無法準(zhǔn)確分析的問題,分析結(jié)果可用于空間近場無線能量傳輸系統(tǒng)增加電磁屏蔽后的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計。
與傳統(tǒng)的有線能量傳輸方式相比,空間近場無線能量傳輸技術(shù)具有無接插環(huán)節(jié)、無裸露導(dǎo)體、無漏電觸電危險等優(yōu)點,可滿足空間在軌服務(wù)系統(tǒng)中在軌接管、在軌維修、在軌組裝對能量傳輸?shù)男枨?。同時,空間近場無線能量傳輸技術(shù)在無線配電、大功率太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)、交會對接等方面具有重要的應(yīng)用價值。
空間近場無線能量傳輸系統(tǒng)在航天器上應(yīng)用時,會對航天器設(shè)備的電磁兼容性產(chǎn)生影響,應(yīng)用屏蔽技術(shù)可以有效減小系統(tǒng)對外的電磁輻射影響,同時通過屏蔽措施可以提升本身系統(tǒng)的傳輸性能及抗干擾能力。因此,需要研究電磁屏蔽對空間近場無線能量傳輸系統(tǒng)的影響。①電磁屏蔽體使原設(shè)計的諧振補償網(wǎng)絡(luò)無法滿足屏蔽后的系統(tǒng)需求,從而導(dǎo)致系統(tǒng)在非諧振狀態(tài)下工作,為保證屏蔽后的系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài),需要對系統(tǒng)的補償網(wǎng)絡(luò)進行重新設(shè)計。②由于屏蔽體為非線性磁材料,因此對屏蔽后系統(tǒng)周圍磁場環(huán)境的理論推導(dǎo)較為復(fù)雜,很難得到準(zhǔn)確的解析公式。③近場無線能量傳輸系統(tǒng)為高頻電磁場環(huán)境,目前地面多采用將交變磁場近似為準(zhǔn)靜態(tài)磁場來簡化分析,這與實際系統(tǒng)的磁場環(huán)境分布并非完全一致,若要得到更精確的系統(tǒng)周圍磁場分布情況,需在交變電磁場環(huán)境下對系統(tǒng)進行分析?;谝陨?,本文利用Comsol仿真軟件構(gòu)建空間近場無線能量傳輸系統(tǒng)及其電磁屏蔽的仿真模型,選擇場變量隨時間變化的“瞬態(tài)”研究方法對模型進行設(shè)置和分析??臻g近場無線能量傳輸系統(tǒng)模型包含線圈電磁模型(見圖1)和電路傳輸模型(見圖2),通過瞬態(tài)耦合仿真實現(xiàn)對近場無線能量傳輸頻域特性的分析。圖1和圖2中:IS為發(fā)射端電流;IL為接收端電流;L1和L2為發(fā)射和接收線圈在高頻下的等效電感;M為線圈間的互感系數(shù);C1和C2為串聯(lián)的諧振電容;R1和R2為電路的等效電阻;Req為等效負(fù)載電阻;VS為發(fā)射端電壓。
圖1 線圈電磁模型Fig.1 Coil electromagnetic model
圖2 電路傳輸模型Fig.2 Circuit transmission model
空間近場無線能量傳輸系統(tǒng)電路傳輸模型中,電路接口用于模擬系統(tǒng)中電流源、電阻、電容、電感等。此模型采用串串補償?shù)睦硐朐O(shè)計,輸入阻抗角為零,系統(tǒng)效率最高。
根據(jù)基爾霍夫定律,列出發(fā)射線圈與接收線圈回路的電壓方程,可求得電路各元件的參數(shù)。
(1)
式中:ω為角頻率。
當(dāng)電源頻率等于系統(tǒng)諧振頻率時,發(fā)生諧振,即
1/(jωC1)+jωL1=1/(jωC2)+jωL2=0
(2)
通過式(2)諧振條件,可對整個系統(tǒng)進一步求解,可得諧振角頻率為
(3)
式中:f0為諧振頻率。
可計算系統(tǒng)的負(fù)載電流幅值為
(4)
式中:PL為Req上的負(fù)載功率。
由此可知,當(dāng)PL和Req確定后,可求得發(fā)射端電流IS的幅值為
(5)
通過式(3)~(5),可大致計算出系統(tǒng)的各個參數(shù)。
由式(1)也可得到發(fā)射端電壓與電流的關(guān)系為
(6)
當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)時,可得
(7)
(8)
系統(tǒng)的輸出功率為
(9)
系統(tǒng)效率為
(10)
通常R1,R2遠(yuǎn)小于Req,因此式(10)可簡化為
(11)
由式(11)可知,系統(tǒng)的工作頻率、互感、負(fù)載電阻等對效率均有影響。
為了簡化設(shè)計,本文只用兩線圈來設(shè)計系統(tǒng)。兩線圈系統(tǒng)可用于模擬多線圈系統(tǒng),對仿真分析結(jié)果無影響。無線能量傳輸系統(tǒng)中的線圈按結(jié)構(gòu)可分為平面螺旋型線圈、圓柱螺旋型線圈、圓環(huán)同軸結(jié)構(gòu)型線圈等,其中,平面螺旋線圈的耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)都比較高,且集成度高、空間占用少,因此本文選用平面螺旋線圈。將平面螺旋線圈簡化為同心圓并視為等效模型,這樣,線圈模型在電路中既沒丟失總電流,在電磁場計算中又能高效地對線圈模型進行有限元網(wǎng)格剖分和計算,且計算時所占計算機內(nèi)存相對較少,可以提高計算速度。無線能量傳輸系統(tǒng)及其電磁屏蔽模型如圖3所示。其物理場接口求解為Maxwell方程,對于線圈采用標(biāo)量電勢作為因變量。系統(tǒng)模型參數(shù)見表1,其中屏蔽體材料選用鐵氧體材料,互感系數(shù)與線圈形狀、周圍磁性材料及線圈距離有關(guān),由Comsol仿真軟件直接計算得到。此系統(tǒng)模型主要對空間近場無線能量傳輸系統(tǒng)進行磁場仿真,磁場接口用于計算線圈、導(dǎo)體和磁鐵內(nèi)部和周圍的磁場及感應(yīng)電流分布,支持二維及三維的穩(wěn)態(tài)、頻域、小信號分析及時域模擬。
圖3 電磁屏蔽模型Fig.3 Electromagnetic shielding model
參數(shù)名稱與符號數(shù)值輸入電壓Vs/V40頻率f/kHz85~110負(fù)載電阻Req/Ω10寄生參數(shù)R1,R2/Ω0.1線圈電感L1,L2/μH49.72線圈寄生電阻RL1,RL2/Ω0.03補償電容C1,C2按不同諧振頻率設(shè)計距離d/cm5~10屏蔽體鐵氧體,電導(dǎo)率2500
在研究屏蔽下傳輸距離與系統(tǒng)效率影響關(guān)系時,設(shè)定輸入電壓、工作頻率、負(fù)載和線圈等不變,通過讀取的線圈電感,并依據(jù)諧振條件計算出所需的補償電容,仿真參數(shù)見表1,其中頻率為100 kHz,補償電容為50.85 nF。兩線圈的距離變化范圍為5~10 cm。
由圖4可知,在系統(tǒng)加上鐵氧體材料屏蔽體后,其整體效率高于不帶屏蔽體時。這是因為:不帶屏蔽體時,兩線圈間的空間漏磁較多;帶有屏蔽體后可有效減少空間漏磁,增大兩線圈間的耦合系數(shù)。在屏蔽條件下,當(dāng)線圈距離較近時,系統(tǒng)的整體效率較高;但隨著兩線圈的距離加大,系統(tǒng)的效率大幅下降。當(dāng)兩線圈間的距離為5 cm時,系統(tǒng)的效率可達(dá)94%;當(dāng)距離變?yōu)?0 cm時,系統(tǒng)的效率降為81.5%。這是因為兩線圈距離變大后,它們之間的磁場耦合逐步減弱,相應(yīng)耦合系數(shù)減小。
圖4 傳輸距離與系統(tǒng)效率和線圈間效率的關(guān)系Fig.4 Gap length versus system efficiency and coil efficiency
由圖5可知,未加屏蔽體時,系統(tǒng)的負(fù)載端的功率隨著距離的變大而先增加后減小,這是由于兩線圈距離很近時耦合系數(shù)較大,由式(7)和式(8)可知,在輸入電壓、補償電容、寄生電阻和負(fù)載不變的情況下,系統(tǒng)接收端電流受互感的影響較大,接收端電流隨互感的減小而變大。系統(tǒng)加上屏蔽體后,鐵氧體屏蔽體增加了兩線圈間的耦合,但是屏蔽體同時也對線圈的自感有很大的影響。在兩線圈距離很近時,耦合機構(gòu)間的磁場耦合較為緊密,所以加屏蔽體后線圈自身參數(shù)的變化對系統(tǒng)的影響較?。划?dāng)距離變大后,由于耦合機構(gòu)間的磁場耦合減弱,即系統(tǒng)的互感減小,由式(6)所示,在互感較小而線圈自感較大的情況下,系統(tǒng)輸出端的電壓與電流的相位差也會變大。
圖5 傳輸距離與系統(tǒng)負(fù)載端功率的關(guān)系Fig.5 Gap length versus power of system load
由圖6可知,通過使用屏蔽體對系統(tǒng)進行電磁屏蔽后,耦合磁場外側(cè)垂直方向10 cm以外區(qū)域磁屏蔽效能均大于26 dB,隨著兩線圈距離的增加,屏蔽體對耦合磁場的屏蔽性能也有所提升。當(dāng)兩線圈距離較近時,線圈上流過的電流較?。浑S著距離的增加,耦合系統(tǒng)的影響減弱,導(dǎo)致線圈上的電流逐漸變大,隨之在所測點的磁場強度也會變大。當(dāng)系統(tǒng)加上屏蔽體后,在距離較近時屏蔽體對系統(tǒng)的影響較小,但隨著距離的變大,屏蔽體的影響逐漸加大,系統(tǒng)的屏蔽效能也得到了進一步的提升。
圖6 傳輸距離與系統(tǒng)屏蔽效能的關(guān)系Fig.6 Gap length versus system shielding effectiveness
在仿真分析屏蔽條件下輸入電壓與系統(tǒng)效率的影響關(guān)系時,設(shè)定工作頻率、補償電容負(fù)載、線圈和線圈距離不變,各參數(shù)的值見表1,兩線圈距離為5 cm。
輸入電壓對無線能量傳輸系統(tǒng)及其屏蔽性能的影響如圖7所示。由圖7可知:未帶屏蔽體時,系統(tǒng)的整體效率和線圈間的效率都可達(dá)91%以上;帶屏蔽體后,系統(tǒng)的整體效率可達(dá)94%,而線圈間的效率可高達(dá)95%以上。在其他參數(shù)不變的情況下,屏蔽后,輸入電壓的等級對系統(tǒng)的效率基本沒有影響。
由圖8可知,隨著輸入電壓等級的增加,系統(tǒng)的輸出功率以二次方增加。由式(7)和式(8)可知,在其他參數(shù)不變的情況下,接收端電流與輸入電流成正比關(guān)系,同時由于負(fù)載為純電阻,因此負(fù)載端的輸出功率也隨電壓的增加以二次方關(guān)系增加。同理,在相同的電路參數(shù)條件下,帶屏蔽體后的系統(tǒng)負(fù)載端的輸出功率與輸入電壓成平方關(guān)系。
由圖9可知,通過鐵氧體對耦合系統(tǒng)進行屏蔽后,輸入電壓的等級對屏蔽后系統(tǒng)的屏蔽效能基本沒有影響。使用屏蔽體后,屏蔽體對激勵側(cè)的屏蔽效能可達(dá)28.3 dB,對負(fù)載側(cè)的屏蔽效能可以達(dá)26.2 dB,使用鐵氧體對系統(tǒng)進行屏蔽基本可達(dá)到較好的屏蔽效能。
圖7 輸入電壓與系統(tǒng)效率和線圈間效率的關(guān)系Fig.7 Input voltage versus system efficiency and coil efficiency
圖8 輸入電壓與系統(tǒng)負(fù)載端功率的關(guān)系Fig.8 Input voltage versus power of system load
圖9 輸入電壓與系統(tǒng)屏蔽效能的關(guān)系Fig.9 Input voltage versus system shielding effectiveness
在仿真分析輸入負(fù)載對無線能量傳輸系統(tǒng)及其屏蔽性能的影響時,設(shè)定工作頻率100 kHz、補償電容50.85 nF、線圈距離5 cm,其余參數(shù)見表1。
輸入負(fù)載對無線能量傳輸系統(tǒng)及其屏蔽性能的影響如圖10所示。當(dāng)輸入負(fù)載電阻值較大時,未帶屏蔽的系統(tǒng)效率較低。由式(6)和式(7)可知,假設(shè)負(fù)載電阻值很小,則兩線圈間的互感對發(fā)射端電流的影響較大,這將使線圈間的電流減小,且對輸入端的相位角影響較大。帶屏蔽體后,負(fù)載對系統(tǒng)效率的影響較小,在負(fù)載電阻值由小變大時,系統(tǒng)的效率與線圈間的效率基本相近,變化較少,達(dá)到92%以上。由圖11可知,未帶屏蔽體時,系統(tǒng)負(fù)載端功率與負(fù)載電阻值成正比例關(guān)系。帶上屏蔽體后,系統(tǒng)負(fù)載端功率在負(fù)載電阻值為2.5~10 Ω時,輸出功率略高于未加屏蔽體,但隨著阻值的變大,功率會有所減小。由圖12可知,通過鐵氧體對耦合系統(tǒng)進行屏蔽后,隨著負(fù)載電阻值的變大,系統(tǒng)的屏蔽效能會有小幅的上升,在激勵側(cè)屏蔽效能基本在27.8 dB以上,而在負(fù)載側(cè)的屏蔽效能偏低,負(fù)載電阻值小于10 Ω時,屏蔽效能略低于26 dB。
圖10 負(fù)載電阻值與系統(tǒng)效率和線圈間效率的關(guān)系Fig.10 Load resistance versus system efficiencyand coil efficiency
圖11 負(fù)載電阻值與系統(tǒng)負(fù)載端功率的關(guān)系Fig.11 Load resistance versus power of system load
圖12 負(fù)載電阻值與系統(tǒng)屏蔽效能的關(guān)系Fig.12 Load resistance versus system shielding effectiveness
在仿真分析頻率對無線能量傳輸系統(tǒng)及其屏蔽性能的影響時,參數(shù)設(shè)置如表1所示。其中,設(shè)定兩線圈距離為5 cm,已知線圈的自感,并依據(jù)諧振條件按照不同的工作頻率計算所需的補償電容,如表2所示。
表2 不同頻率所對應(yīng)的補償電容值
仿真分析結(jié)果見圖13。未帶屏蔽體時,系統(tǒng)的效率隨著頻率的上升會有小幅的下降;帶屏蔽體后,系統(tǒng)的效率也會隨頻率的上升有小幅的下降。但是,系統(tǒng)的整體效率不會隨頻率的變化而有很大的變動,帶屏蔽體時,系統(tǒng)的整體效率可達(dá)94%~96%,兩線圈間的磁場耦合在85~110 kHz的頻率范圍內(nèi)基本不變。未加屏蔽體時,系統(tǒng)負(fù)載端的功率隨著工作頻率的變大而減小,如圖14所示。由式(6)和式(7)可知,當(dāng)激勵電壓和負(fù)載不變時,耦合機構(gòu)兩線圈的工作頻率越小,發(fā)射端電流和接收端電流都會變大,導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出功率變大,這與理論分析一致。同理,帶屏蔽體后,對整個系統(tǒng)而言,只改變了兩線間的耦合關(guān)系,在其他條件不變的情況下,發(fā)射端電流和接收端電流會隨著工作頻率的減小而增加。由于系統(tǒng)的負(fù)載為純電阻,因此功率的變化趨勢與接收端電流相同。
由圖15可知,通過鐵氧體對耦合系統(tǒng)進行屏蔽后,工作頻率對屏蔽后系統(tǒng)的屏蔽效能會有小幅的影響,隨著工作頻率的上升,鐵氧體對系統(tǒng)的屏蔽效能會有所下降。帶屏蔽體后,屏蔽體對激勵側(cè)的屏蔽效能可達(dá)28.5~29.0 dB,對負(fù)載側(cè)的屏蔽效能可達(dá)26.0~26.3 dB。
需要說明的是,本文中仿真參數(shù)來源于目前空間應(yīng)用近場無線能量傳輸系統(tǒng)樣機,對于不同的工程電路,其參數(shù)不同,但基于電路傳輸模型(圖2)及式(1)可知,本文的仿真結(jié)果對參數(shù)不同的工程電路具有參考價值,得到的變化趨勢可用于指導(dǎo)近場無線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計。另外,本文中鐵氧體材料選擇了常值電導(dǎo)率,鐵氧體材料在實際應(yīng)用中不完全線性,導(dǎo)致仿真結(jié)果存在誤差。不過,鐵氧體材料電導(dǎo)率增大或減小的幅度較小,其仿真結(jié)果趨勢變化不大,因此可作為空間應(yīng)用近場無線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計的參考。
圖13 工作頻率與系統(tǒng)效率和線圈間效率的關(guān)系Fig.13 Frequency versus system efficiency and coil efficiency
圖14 工作頻率與系統(tǒng)負(fù)載端功率的關(guān)系Fig.14 Frequency versus power of system load
圖15 工作頻率與系統(tǒng)屏蔽效能的關(guān)系
本文建立了瞬態(tài)感應(yīng)耦合無線能量傳輸系統(tǒng)的電磁仿真模型,開展了電磁屏蔽條件下傳輸功率、工作電壓等級、傳輸距離、工作頻率對系統(tǒng)效率的仿真分析,得到結(jié)論如下。
(1)在電磁屏蔽體條件下,系統(tǒng)效率隨著傳輸距離的增大而減小,在距離較近時屏蔽體對系統(tǒng)的影響較小,但隨著距離的變大,屏蔽體的影響逐漸加大,系統(tǒng)的屏蔽效能也得到了進一步的提升。
(2)電磁屏蔽下,輸入電壓的上升會提升線圈上的電流,使線圈周圍的磁場有所增大,但對屏蔽效能無太大影響。
(3)存在電磁屏蔽時,負(fù)載電阻對系統(tǒng)的效率影響較小,輸出功率略高于未加屏蔽體時,但隨著負(fù)載阻值的增大,輸出功率會有所下降。通過鐵氧體對耦合系統(tǒng)進行屏蔽后,隨著負(fù)載阻值的增大,系統(tǒng)的屏蔽效能會有小幅的提升。
(4)在電磁屏蔽條件下,系統(tǒng)效率和屏蔽效能會隨著工作頻率的增加而有微幅的減小。
空間近場無線能量傳輸系統(tǒng)若采用直接加屏蔽體的方式,系統(tǒng)的效率與屏蔽效能等會有所提升,但系統(tǒng)的輸出功率會大幅減小,系統(tǒng)中的無功成分會大幅增加。為了使屏蔽后的系統(tǒng)與未屏蔽的系統(tǒng)輸出功率相近,在得到屏蔽體對線圈影響而增大的自感值后,可匹配相應(yīng)的補償電容,使系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài),與此同時,輸入端的電壓也相應(yīng)的加大。本文為空間近場無線能量傳輸系統(tǒng)增加電磁屏蔽后系統(tǒng)參數(shù)的選取及屏蔽效能的評估提供依據(jù)。目前,空間近場無線能量傳輸?shù)膫鬏斁嚯x低于1 m,對其應(yīng)用存在限制。因此,除電磁兼容及電磁屏蔽外,還應(yīng)針對諧振補償網(wǎng)絡(luò)、高效同步整流設(shè)計、線圈優(yōu)化設(shè)計、空間環(huán)境適應(yīng)性等開展相關(guān)研究。