一种磁耦合谐振式无线电能传输系统研究

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...

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