一种磁耦合谐振式无线电能传输系统研究周永勤+王传宇+朱萌+贾宗凯+孙玉玲摘要：针对传统的由发射-接收线圈组成的磁耦合谐振式无线能量传输系统存在的传输距离短、远距离传输效率低的缺点，提出了一种以单中继的三线圈模式为基础，在中继线圈与接收线圈之间加入磁芯的方案。利用电路理论建立三线圈电路模型，推导出传输效率数学表达式，并对在中继线圈与接收线圈之间加入磁芯的传输系统进行仿真分析，确定出平板磁芯可以有效地提高系统传输距离及传输效率。最后通过实验研究，验证了所提方案的可行性。关键词：磁耦合谐振；三线圈模式；平板磁芯；传输效率DOI：10.15938/j.jhust.2017.02.011：TM724文献标志码：A：1007-2683（2017）02-0055-06Abstract：Inordertoextendthetransmissiondistanceandimprovethetransmissionefficiencyofthetraditionalwirelesspowertransmission（WPT）systemcomposedwiththetransmittingandreceivingcoilresonatorsbasedonmagneticresonancecoupling，weproposedaneffectivemethodtoaddamagneticcorebetweenrepeatingcoilandreceivingcoilbasedonthesinglerepeatingthreecoilsmode.Thispaperdeducedamathematicalexpressionofthetransmissionefficiency，andbuiltamodelbythecircuittheory，andalsosimulatedthetransmissionsystemaddedwiththemagneticcorebetweenrepeatingandreceivingcoil.Thenweselectedtheflatmagneticcorefortest.Atlast，weverifiedthefeasibilityoftheproposalbyactualexperiment.Keywords：magneticresonancecoupling；threecoilmode；planarcore；efficiency0引言近年来，随着科学技术的发展，无线电能传输技术得到了广泛的应用[1-3]。尤其在2007年，麻省理工学院的MarinSoljacic教授提出了磁耦合谐振式无线电能传输技术，利用磁场的近场耦合原理，通过构建两个半径为30cm的发射和接收谐振器线圈，在1.9m之外成功点亮了60W的灯泡[4-5]，成功开辟了无线电能传输技术的一个新方向。目前，较短的传输距离已成为限制磁谐振耦合式WPT（wirelsspowertransmission）应用的一个重要约束。线圈间的磁耦合强度随传输距离的增加迅速减小，导致效率和传输功率在超出一定距离后急剧下降。为了克服这一问题，人们提出了利用超导技术制作的高Q振器[6]，插入负折射材料板[7]、中继谐振线圈[8]等方法。其中，在发射端和接收端之间插入无源中继线圈是一种增大传输距离，提高传输效率的有效途径，其在发射端和接收端的能量传送过程中起到中转站的作用。文[9-12]對加入无源中继线圈的系统进行了理论分析，并通过建模与理论推导对三线圈的工作状态进行了系统化的研究，得出无线能量传输系统的传输效率与耦合系数有关，增大耦合系数能有效地增加传输效率。增大耦合系数的传统方式是增大谐振线圈的设计尺寸，但这会受到设计条件的制约，本文选用了一种加入平板磁芯作为增大耦合系数的方法，通过对整个传输系统进行理论分析、仿真建模，最后再进行实验验证得到相应的结论。1三线圈电路模型根据电路理论，本文首先建立三线圈磁耦合谐振传输系统的电路模型，如图1所示。2系统仿真2.1磁芯选择仿真按照法拉第电磁感应定律[14-16]可知，闭合回路中的感应电动势e与穿过此回路的磁通变化率（dΦdt）成正比，而Φ又与B成正比，即增大线圈之间的磁感应强度B是十分重要，因而本文通过增加磁芯的方法来增大线圈之间的磁感应强度B。下面将利用AnsoftMaxwell14.0有限元仿真软件，对加入圆柱磁芯和平板磁芯的系统进行仿真，计算加有两种不同磁芯的系统在不同传输距离下的磁感应强度B。圆柱磁芯和平板磁芯的侧视图模型如图2所示，圆柱磁芯和平板磁芯的俯视图模型如图3所示。本文采用铜线为载流线圈，线圈直径为200mm，高度为20mm，导线线径为5mm，匝数为6，每匝通入电流为10A，对线圈所建模型网格划分以及对带空气的整体网络划分图如图4、图5所示。对于所做仿真，本文做如下假设和约定[13]：1）近似认为材料各向同性；2）不考虑温度变化影响；3）近似认为空气区域无限远；4）近似认为磁芯的B-H曲线为线性的（仿真中加入磁芯时）；5）不考虑涡流去磁效应（仿真中加...