吳勁斌， 顏國(guó)正， 文人慶， 王志武， 莊浩宇

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

1 引 言

近年來(lái)，胃腸道惡性腫瘤的患病率與發(fā)病率不斷上升，胃腸道功能性疾病早已成為臨床上的常見(jiàn)病。目前，該類疾病癥狀十分隱匿難以確診，嚴(yán)重危害人們的身體健康，降低人們的生活質(zhì)量。據(jù) GLOBOCAN 2020年全球癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在2020年新癌癥患者病例中，結(jié)直腸癌和胃癌占癌癥患病率的15.6%，占癌癥死亡病例的17.4%［1］。造成胃腸道癌癥死亡率高的一個(gè)重要因素是未能早期診斷并進(jìn)行有效治療。用于胃腸道檢測(cè)的膠囊機(jī)器人（Capsule Robot， CR），相比于傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡具有無(wú)痛、無(wú)創(chuàng)的優(yōu)點(diǎn)，并能夠自主運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)駐留，對(duì)腸道塌陷和褶皺部位進(jìn)行徑向擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)全面檢測(cè)，有效克服目前胃腸道檢測(cè)方式漏檢的風(fēng)險(xiǎn)［2］。CR是新一代胃腸道診療的熱點(diǎn)研究方向，有望成為集成疾病診斷、黏液采集、藥物釋放的載體平臺(tái)［3］。

CR通常搭載了能量接收模塊、電源管理模塊、無(wú)線通信模塊、信號(hào)處理與控制模塊、照明與成像模塊。目前，CR正朝著集成生理信息檢測(cè)、黏液采集等多功能模塊發(fā)展。由于集成了多模塊，CR的功耗一般在500 mW以上［4］。常規(guī)的紐扣電池?zé)o法持續(xù)滿足能量需求，基于電磁感應(yīng)的無(wú)線能量傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）技術(shù)，為解決CR的供能問(wèn)題提供了有效途徑，并具有友好的生物安全性［5］。

用于CR的WPT系統(tǒng)，能量發(fā)射線圈與能量接收線圈之間的距離較遠(yuǎn)，線圈尺寸差異大，屬于弱耦合系統(tǒng)，相較于其他植入式醫(yī)療設(shè)備的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)，能量傳輸效率要低得多［6］。CR在檢測(cè)過(guò)程中，其空間姿態(tài)容易發(fā)生變化，這對(duì)WPT系統(tǒng)提出了更高要求，構(gòu)建一種能夠?yàn)镃R持續(xù)穩(wěn)定提供足夠功率的WPT系統(tǒng)具有重要意義。

目前，用于WPT系統(tǒng)的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)有螺線管［7］、螺線管對(duì)［8］、組合螺線管［9］以及亥姆霍茲線圈［10］等。相關(guān)研究表明［11］，螺線管線圈結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)較強(qiáng)，但空間磁場(chǎng)分布均勻性較差；亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)較弱，但空間磁場(chǎng)分布均勻性較好。文獻(xiàn)［12］構(gòu)建了一種改進(jìn)的亥姆霍茲發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，提高了能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低了電磁暴露的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)［13］提出了一種用于醫(yī)療植入式設(shè)備的新型三線圈WPT系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的兩線圈WPT相比，能量傳輸效率提高了48%左右，但接收功率只能達(dá)到85 mW，無(wú)法滿足CR的功率需求。當(dāng)前大多數(shù)WPT系統(tǒng)在工作過(guò)程中，檢測(cè)者需要穿過(guò)發(fā)射線圈內(nèi)部，一旦發(fā)射線圈尺寸固定，難以根據(jù)檢測(cè)者體型大小靈活控制線圈間距，造成了功率的損耗。其發(fā)射線圈內(nèi)部也無(wú)法通過(guò)嵌入磁芯來(lái)提高WPT系統(tǒng)的性能。多數(shù)發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)為一維，需要配置三維的接收線圈來(lái)提供穩(wěn)定功率，三維接收線圈與其配套的電路極大地降低了CR的空間利用率，不利于CR的小型化，同時(shí)多維線圈產(chǎn)熱也不利于CR的穩(wěn)定工作。文獻(xiàn)［14］提出了一種具有兩個(gè)平行相對(duì)線圈的WPT系統(tǒng)，發(fā)射線圈處于上下結(jié)構(gòu)，可以靈活調(diào)節(jié)線圈間距，將磁芯嵌入線圈內(nèi)部，提高了傳輸效率與功率穩(wěn)定性，但依舊只能產(chǎn)生一個(gè)單向磁場(chǎng)。

基于以上分析，本文提出了一種雙維正交矩形螺線管對(duì)發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制策略可改變平面合成磁場(chǎng)方向，線圈間距靈活可調(diào)，同時(shí)發(fā)射線圈可內(nèi)嵌磁芯。通過(guò)有限元仿真分析驗(yàn)證了磁芯的作用，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)單維接收線圈進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所構(gòu)建的WPT系統(tǒng)能夠滿足CR的功率需求。

2 WPT系統(tǒng)組成及其工作原理

基于電磁感應(yīng)的WPT系統(tǒng)主要由發(fā)射端、接收端和負(fù)載組成。位于體外的直流電源通過(guò)全橋驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生一定頻率的交流電，驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)作用于位于體內(nèi)的接收線圈以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)整流與穩(wěn)壓后給CR供能。通常對(duì)發(fā)射與接收電路調(diào)諧以增加線圈間的耦合效率。本文設(shè)計(jì)的WPT系統(tǒng)采用串聯(lián)諧振電路，其等效電路模型如圖1所示。

圖1 WPT系統(tǒng)的等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of WPT system

其中，雙維發(fā)射線圈的自感分別為L(zhǎng)1和L2，等效交流電阻分別為R1和R2，串聯(lián)諧振電容分別為C1和C2。接收線圈的自感、等效交流電阻和串聯(lián)諧振電容分別用Lr，Rr和Cr表示。兩組發(fā)射線圈之間的互感用M12表示，發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感分別用M1r與M2r表示，等效負(fù)載用RL表示。WPT系統(tǒng)等效電路的回路方程為：

在弱耦合WPT系統(tǒng)中，發(fā)射線圈與接收線圈間耦合系數(shù)小，可以忽略互感中接收端對(duì)發(fā)射端的影響，同時(shí)本文構(gòu)建的發(fā)射線圈處于正交狀態(tài)，可以忽略不同維度發(fā)射線圈之間的互感。在發(fā)射線圈繞制過(guò)程中，雙維發(fā)射線圈的尺寸以及繞線參數(shù)一致，其電路參數(shù)可視為相等。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，控制兩路發(fā)射線圈的電壓相等，由于雙維發(fā)射線圈參數(shù)視為相同，其發(fā)射電流也視為相等。簡(jiǎn)化關(guān)系可以表示為：

當(dāng)系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)時(shí)，回路方程可簡(jiǎn)化為：

發(fā)射端與接收端在頻率f下同時(shí)諧振，此時(shí)WPT系統(tǒng)的能量傳輸效率可以表示為：

其中：PL表示負(fù)載功率，Pt表示發(fā)射功率，α為電路負(fù)載因子，Qt與Qr分別為發(fā)射線圈與接收線圈的品質(zhì)因數(shù)，k1r與k2r為雙維發(fā)射線圈與接收線圈間的耦合系數(shù)。耦合系數(shù)是影響系統(tǒng)能量傳輸效率的關(guān)鍵參數(shù)，由于該系統(tǒng)屬于弱耦合系統(tǒng)，耦合系數(shù)小，由式（4）可以看出，耦合系數(shù)限制了系統(tǒng)的能量傳輸效率。同時(shí)當(dāng)α=1，即負(fù)載電阻與接收線圈內(nèi)阻相匹配時(shí)，WPT系統(tǒng)的能量傳輸效率最高。提高線圈的品質(zhì)因數(shù)以及優(yōu)化線圈間的耦合系數(shù)可提高WPT系統(tǒng)的能量傳輸效率。在線圈內(nèi)部嵌入適當(dāng)?shù)拇判荆梢蕴嵘€圈之間的耦合系數(shù)［15］，從而提高能量傳輸效率。

在實(shí)際過(guò)程中，由于線圈在繞制、安裝等過(guò)程中存在一定的誤差，兩組發(fā)射線圈之間的參數(shù)存在一定的差異，主要體現(xiàn)在發(fā)射線圈的等效串聯(lián)電阻以及電感上。電感間的差異對(duì)系統(tǒng)的影響可以通過(guò)回路中的可調(diào)電容加以平衡，但等效串聯(lián)電阻間的差異會(huì)一定程度上造成合成磁場(chǎng)方向的偏移，實(shí)際中應(yīng)盡可能控制發(fā)射線圈等效電路參數(shù)相等。

3 平面磁場(chǎng)控制策略

為保證CR的能量供應(yīng)，WPT系統(tǒng)多采用一維發(fā)射線圈和三維接收線圈結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)多維發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)以減少接收線圈維度具有重要的應(yīng)用前景。為產(chǎn)生全向平面或空間的多維交變磁場(chǎng)，多采用多組正交的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)。通常通過(guò)不同維度發(fā)射線圈之間變電流相位、變發(fā)射頻率或者變電流幅值的控制方式來(lái)產(chǎn)生全向磁場(chǎng)。文獻(xiàn)［16-18］對(duì)不同產(chǎn)生全向平面或空間交變磁場(chǎng)的方式進(jìn)行了數(shù)學(xué)理論分析。相比于變發(fā)射頻率與變電流幅值，變電流相位的控制方式更容易實(shí)現(xiàn)。

本文所構(gòu)建的雙維正交矩形螺線管對(duì)發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。兩個(gè)維度的發(fā)射線圈可單獨(dú)控制，通過(guò)調(diào)整兩組發(fā)射線圈之間電流的大小與方向，在YOZ平面產(chǎn)生不同方向的合成磁場(chǎng)。為簡(jiǎn)化控制，本研究中不改變電流大小，只改變電流方向，即當(dāng)發(fā)射線圈通入圖2所示的交變電流時(shí)，在YOZ面，其合成磁場(chǎng)方向位于第一、三象限。當(dāng)驅(qū)動(dòng)改變某一維發(fā)射線圈正負(fù)極，即將某一維電流相位改變180°，其合成磁場(chǎng)方向位于二、四象限。平面合成磁場(chǎng)方向可通過(guò)集成于CR上的控制電路模塊與通信模塊來(lái)控制，預(yù)先設(shè)定滿足CR工作的電壓值，并留適當(dāng)余量，當(dāng)控制電路檢測(cè)電壓低于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)通信控制改變合成磁場(chǎng)方向。即使CR在YOZ平面的姿態(tài)發(fā)生變化，全平面內(nèi)發(fā)射線圈也能給CR提供一定接收功率，只需要保證CR在該平面工作區(qū)域內(nèi)接收到的最小功率能夠滿足能量需求。相比于單維結(jié)構(gòu)，除接收線圈與某一維發(fā)射線圈同向的特殊位置外，兩組發(fā)射線圈同時(shí)為CR提供功率，增大了有效磁感應(yīng)面積，能有效提高CR的接收功率。

圖2 發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmitting coil structure

當(dāng)采用單維接收線圈時(shí)，該結(jié)構(gòu)要求接收線圈朝向在YOZ平面內(nèi)或平行于該平面，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析中，單維接收線圈的朝向滿足這一要求。

4 仿真分析

通過(guò)ANSYS Maxwell仿真軟件對(duì)雙維正交矩形螺線管對(duì)發(fā)射線圈有無(wú)內(nèi)嵌磁芯以及在變線圈間距條件下進(jìn)行仿真分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用靜磁場(chǎng)進(jìn)行求解，使用薄壁模型模擬線圈。線圈匝數(shù)N為52，電流激勵(lì)設(shè)置為2 A，內(nèi)嵌磁芯采用錳鋅鐵氧體PC44，同組線圈間距設(shè)置在300～500 mm內(nèi)。發(fā)射線圈的空間結(jié)構(gòu)與圖2相同。

在線圈間距300 mm的條件下，仿真計(jì)算得到Y(jié)軸與Z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，如圖3所示，同時(shí)得到不同發(fā)射線圈間距下的中心磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，如圖4所示。仿真結(jié)果表明，在距發(fā)射線圈很近的小范圍內(nèi)，Y軸與Z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度在無(wú)磁芯條件下略高于內(nèi)嵌磁芯。在磁感應(yīng)強(qiáng)度較小的中心區(qū)域，內(nèi)嵌磁芯能夠有效增大磁感應(yīng)強(qiáng)度，同時(shí)圖3曲線的下降趨勢(shì)表明內(nèi)嵌磁芯能有效減緩Y軸與Z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度的下降速度，一定程度上提高CR在中心區(qū)域的接收功率與穩(wěn)定性。在圖4仿真發(fā)射線圈間距范圍內(nèi)，中心磁感應(yīng)強(qiáng)度在內(nèi)嵌磁芯條件下均有增加，同時(shí)線圈間距已能夠滿足絕大多數(shù)檢測(cè)需求。

圖3 Y軸與Z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.3 Magnetic induction intensity distribution of Y axis and Z axis

圖4 中心磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.4 Central magnetic induction distribution

5 實(shí)驗(yàn)與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。為減小趨膚效應(yīng)所導(dǎo)致的渦流損耗，采用180股線徑為0.1 mm的LITZ線繞發(fā)射線圈，LITZ線密 繞在尺寸為240 mm×260 mm的磁芯上。當(dāng)磁芯尺寸過(guò)大時(shí)，制作工藝要求高，且磁芯所帶來(lái)的磁滯損耗與渦流損耗也會(huì)增加。為減小磁芯厚度，發(fā)射線圈采用多層線圈結(jié)構(gòu)，單層13匝，密繞4層，共52匝，總厚度為30 mm。同組發(fā)射線圈串聯(lián)，安裝在滑軌支架上，可靈活調(diào)節(jié)發(fā)射線圈間距，具體的發(fā)射線圈參數(shù)如表1所示。由真空可調(diào)電容與線圈組成串聯(lián)諧振電路，實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)調(diào)節(jié)兩組線圈回路的可調(diào)電容，使系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)。由于工作頻率升高不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電磁安全性，本文系統(tǒng)的工作頻率為50 kHz，通過(guò)信號(hào)發(fā)射器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的方波信號(hào)，控制全橋逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，以驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈。在該頻率下通過(guò)阻抗分析儀測(cè)得兩組發(fā)射線圈的等效串聯(lián)電阻分別為2.59 Ω和2.65 Ω，電感分別為4.31 mH和4.26 mH，誤差較小，可近似為電路參數(shù)相等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室以往的經(jīng)驗(yàn)，正常工作狀態(tài)下的CR負(fù)載大約在30 Ω，通過(guò)滑動(dòng)變阻器模擬機(jī)器人負(fù)載，阻值設(shè)置為30 Ω。

表1 發(fā)射線圈參數(shù)Tab.1 Parameters of transmitting coil

圖5 多維無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Experimental platform of multiple wireless power transmission system

5.2 接收線圈股數(shù)優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)中采用單維的接收線圈，接收線圈繞制在磁芯上，以提高能量傳輸效率。在一定范圍內(nèi)增大磁芯直徑與厚度能夠增加聚磁效果，從而提高WPT系統(tǒng)的耦合效率，但磁芯需要與CR對(duì)應(yīng)的模塊匹配，其厚度與直徑不可過(guò)大，所采用的磁芯尺寸外徑為15 mm，厚度為1 mm，長(zhǎng)度為14 mm。收線圈同樣采用多股LITZ線繞制，繞制匝數(shù)為90，單股線徑為0.05 mm，股數(shù)S在4～24之間，以每4股為間隔繞制，具體的接收線圈參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，發(fā)射線圈間距設(shè)置為300 mm，接收線圈位于中心，其朝向與一組發(fā)射線圈相同。此時(shí)接收線圈朝向與平面合成磁場(chǎng)方向的夾角為45°，在該位置下接收線圈功率只由一維的發(fā)射線圈提供，當(dāng)前朝向負(fù)載獲得最小接收功率。

表2 接收線圈參數(shù)Tab.2 Parameters of receiving coil

由于模擬負(fù)載上所測(cè)的電壓是經(jīng)過(guò)整流后的電壓，計(jì)算得到的模擬負(fù)載功率可視為平均功率。發(fā)射電壓為15 V條件下得到不同接收線圈股數(shù)下的模擬負(fù)載功率與能量傳輸效率，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同磁芯尺寸與匝數(shù)的條件下，隨著線圈股數(shù)的增加，負(fù)載功率與能量傳輸效率先增加后下降。這是因?yàn)殡S著股數(shù)的增加，線圈的等效串聯(lián)電阻下降，交流損耗也會(huì)下降，線圈的品質(zhì)因素增加，一定程度上能提高能量傳輸效率。相比于單股導(dǎo)線，多股LITZ線能夠減少由趨膚效應(yīng)所導(dǎo)致的交流電阻損耗，但當(dāng)LITZ線股數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，LITZ因鄰近效應(yīng)所產(chǎn)生的交流電阻損耗會(huì)增加，這也導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中當(dāng)股數(shù)超過(guò)12時(shí)，線圈損耗增加。實(shí)驗(yàn)中得到的接收線圈最佳繞制股數(shù)為12，此時(shí)中心最小負(fù)載電壓為5.68 V，負(fù)載功率為1 075 mW，系統(tǒng)的能量傳輸效率為2.63%。

圖6 不同股數(shù)下的負(fù)載功率與能量傳輸效率Fig.6 Load power and energy transmission efficiency under different number of strands

5.3 接收線圈匝數(shù)優(yōu)化

在接收線圈股數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行匝數(shù)優(yōu)化，接收線圈股數(shù)采用實(shí)驗(yàn)最佳股數(shù)12股繞制。接收線圈的匝數(shù)受體積的限制，為盡量減小接收線圈外徑，限制其層數(shù)不超過(guò)3。3層接收線圈的繞制匝數(shù)約為120，實(shí)驗(yàn)中控制匝數(shù)在80～120，繞制匝數(shù)間隔為10，在與股數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下得到不同匝數(shù)下負(fù)載功率與系統(tǒng)能量傳輸效率的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 不同匝數(shù)下的負(fù)載功率與能量傳輸效率Fig.7 Load power and energy transmission efficiency under different turns

在實(shí)驗(yàn)中，隨著匝數(shù)的增加，負(fù)載功率與系統(tǒng)的能量傳輸效率接近線性增加。接收線圈匝數(shù)的變化主要影響線圈間的互感M以及接收線圈等效電阻Rr。當(dāng)接收線圈匝數(shù)增加時(shí)，Rr增加較快而M增加較緩慢。由于所測(cè)匝數(shù)范圍內(nèi)接收線圈的等效電阻較小，故當(dāng)匝數(shù)增加時(shí)能量傳輸效率與負(fù)載電壓均會(huì)增加。但在實(shí)際過(guò)程中，接收線圈匝數(shù)不宜過(guò)大，匝數(shù)過(guò)大時(shí)，線圈等效電阻增加所帶來(lái)的損耗高于互感增加所帶來(lái)的增益，系統(tǒng)性能反而會(huì)下降，同時(shí)接收線圈匝數(shù)需要綜合考慮線圈尺寸。采用120匝接收線圈得到的中心位置最小朝向負(fù)載電壓為6.88 V，負(fù)載功率為1 578 mW，系統(tǒng)的能量傳輸效率為3.85%。

5.4 變發(fā)射線圈間距實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文接收線圈采用優(yōu)化后的12股120匝線圈參數(shù)，由于所構(gòu)建的發(fā)射線圈間距可隨檢測(cè)者尺寸靈活調(diào)整，滿足絕大多數(shù)檢測(cè)者的需求。實(shí)驗(yàn)測(cè)試在發(fā)射線圈間距為300，400以及500 mm的條件下進(jìn)行。負(fù)載電壓與對(duì)應(yīng)的接收功率在不同發(fā)射線圈間距下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同線圈間距測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results with different coil spacings

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)射電壓為15 V時(shí)，在實(shí)驗(yàn)間距400 mm的條件下依舊可以提供最低958 mW的接收功率。400 mm的線圈間距在實(shí)際中已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)檢測(cè)者的體型需求。當(dāng)線圈間距繼續(xù)增大時(shí)，由于所設(shè)計(jì)的發(fā)射線圈尺寸較小，效率下降較快，在500 mm間距下最低接收功率為388 mW，無(wú)法滿足CR 500 mW的功率需求，將發(fā)射電壓提高到20 V便可提供762 mW的接收功率，滿足CR的正常功率需求。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型雙維正交矩形螺線管對(duì)發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)的WPT系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過(guò)多維的發(fā)射線圈電流控制產(chǎn)生不同方向的合成磁場(chǎng)，為CR在全平面內(nèi)提供能量。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)可根據(jù)檢測(cè)者體型靈活調(diào)整發(fā)射線圈間距，減小功率的損耗，發(fā)射線圈內(nèi)部可嵌入磁芯來(lái)提高系統(tǒng)性能。本文通過(guò)仿真分析得到了磁芯對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)單維接收線圈進(jìn)行了股數(shù)和匝數(shù)的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接收線圈的最佳繞制股數(shù)為12，優(yōu)化匝數(shù)為120，在發(fā)射線圈間距為300 mm，發(fā)射電壓為15 V條件下得到中心的最小接收功率為1 578 mW，對(duì)應(yīng)的能量傳輸效率為3.85%。該WPT系統(tǒng)在300～500 mm發(fā)射線圈間距下均可滿足CR的功率需求。

由于目前所構(gòu)建的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)只能改變二維平面內(nèi)合成磁場(chǎng)方向，后續(xù)可通過(guò)增加另外一個(gè)維度的發(fā)射線圈來(lái)控制改變?nèi)S空間合成磁場(chǎng)方向。在實(shí)際應(yīng)用中，由于CR的金屬機(jī)械結(jié)構(gòu)，會(huì)造成一定的渦流損耗以及發(fā)熱，工作步態(tài)的切換會(huì)一定程度影響諧振狀態(tài)，造成功率損耗，這些是目前有待優(yōu)化的地方。未來(lái)，通過(guò)磁芯材料和磁路的設(shè)計(jì)可進(jìn)一步優(yōu)化提高系統(tǒng)的整體性能。