無線電能傳輸磁耦合系統(tǒng)綜述

謝文燕，陳琪瑯，陳 為

（1.福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省電力有限公司泉州電業(yè)局，福建 泉州 362000）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的電子產(chǎn)品和設(shè)備進(jìn)入人們的生活，如筆記本電腦、電動車、MP3等。然而傳統(tǒng)的接觸式直接供電中冗長的滿足絕緣要求的導(dǎo)線引線以及電插頭的經(jīng)常拔插、發(fā)熱、燒蝕以及電弧等引起的故障限制了這些移動設(shè)備的便攜性、靈活性、安全性和穩(wěn)定性，也影響了環(huán)境的美觀性。人們迫切需要一種新型的電能傳輸技術(shù)，來滿足日常生活中一些新型電氣設(shè)備及各種特殊環(huán)境下的要求。無線電能傳輸技術(shù)能有效利用銅、塑料等材料，節(jié)約了資源，減少了污染，具有綠色環(huán)保、節(jié)能、免維護(hù)或少維護(hù)等優(yōu)勢。國內(nèi)外許多科研院所和公司對無線電能傳輸進(jìn)行了漫長而又執(zhí)著的研究［1－8］。

本文闡述了無線電能傳輸技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)，比較系統(tǒng)地綜述了無線電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——磁耦合元件，并探討了磁耦合元件的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢和研究方向。

1 無線電能傳輸系統(tǒng)簡介

無線電能傳輸技術(shù)是一種不依靠電導(dǎo)體傳輸電功率的技術(shù)。其能量傳輸框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，無線電能傳輸系統(tǒng)的總體架構(gòu)包括電源側(cè)的能量變換環(huán)節(jié)、能量傳遞環(huán)節(jié)和負(fù)載側(cè)的能量調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的工作原理是:工頻交流電經(jīng)過整流濾波電路變換成直流電后經(jīng)過功率因數(shù)校正電路和高頻逆變環(huán)節(jié)給初級發(fā)射線圈（TX）供給高頻交流電，次級接收線圈（RX）與初級發(fā)射線圈中高頻交變電流產(chǎn)生的磁鏈相交鏈，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)電動勢再通過高頻整流濾波和功率調(diào)節(jié)后給各類用電設(shè)備供電。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸框圖

系統(tǒng)架構(gòu)中的磁耦合元件是系統(tǒng)非常關(guān)鍵的部分，系統(tǒng)通過它才能夠?qū)崿F(xiàn)電能的無線傳輸。其原理上與傳統(tǒng)變壓器有很多的類似之處，都是通過電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能從初級側(cè)到次級側(cè)傳遞。但該磁耦合元件的初級發(fā)射線圈和次級接收線圈是分離的，導(dǎo)致漏磁很大，勵磁電感很小，因此耦合系數(shù)很小，這加大了傳輸系統(tǒng)的無功功率，從而增大了電路中功率開關(guān)器件的電壓或電流應(yīng)力，不僅對實(shí)現(xiàn)電能的高效、大容量無線傳輸具有很大影響，還會對周圍空間環(huán)境造成很大的電磁泄露和干擾。正是由于磁耦合元件的松耦合特性，導(dǎo)致其成為了制約無線電能傳輸系統(tǒng)高效、大容量傳遞的瓶頸，因此研究磁耦合元件，提高耦合系數(shù)對于提高無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率和減小電磁輻射具有重要的意義。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 磁耦合元件的工作原理

圖2給出了無線電能傳輸磁耦合元件的互感等效模型。圖中Ltx，Lrx表示初、次級線圈的自感，Rtx，Rrx表示初、次級線圈的內(nèi)阻，M表示初、次級線圈之間的互感，ω為高頻逆變電路的工作角頻率，Itx和Irx分別為初、次級線圈電流，jωMItx是初級線圈電流在次級線圈的感應(yīng)電壓，jωMIrx是次級線圈在初級線圈的反映電壓，Re為次級線圈接的等效負(fù)載電阻，Uin為前級高頻逆變電路輸出到初級線圈的電壓（這里假設(shè)高頻逆變電路的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于線圈的自諧振頻率，線圈的分布電容忽略）。

圖2 磁耦合元件的互感等效模型

由圖2給出的參考方向可以列出KVL方程:

根據(jù)式（1）和式（2）可以推導(dǎo)出如圖3所示的初級側(cè)等效電路圖。次級線圈對初級系統(tǒng)的影響可以用反映阻抗Zr來表示。

圖3 初級側(cè)等效電路圖

從Rr的表達(dá)式可以看出互感M直接影響傳遞到次級的有功功率。而互感的大小是由線圈之間的耦合系數(shù)k決定的。兩磁耦合線圈之間耦合系數(shù)為:

耦合系數(shù)k與磁耦合元件的磁性材料、磁芯結(jié)構(gòu)，線圈布置方式以及氣隙的大小有關(guān)。

2.2 磁耦合元件的優(yōu)化

隨著氣隙的增大，磁耦合元件的耦合系數(shù)會減小。如何提高磁耦合元件的耦合系數(shù)，并盡可能地減小體積和重量已然成為研究的難點(diǎn)。要想在一定氣隙和占用空間內(nèi)，獲得更大的耦合系數(shù)只能去優(yōu)化磁性材料、磁芯結(jié)構(gòu)、繞組分布方式等因素。

（1）磁芯材料的選擇

由于在無線電能傳輸系統(tǒng)中，磁耦合元件是松耦合的，初、次級線圈之間的漏感比較大，耦合系數(shù)比較小。為減小整個(gè)裝置的體積，提高系統(tǒng)的能量密度和傳輸效率，通常系統(tǒng)工作的頻率都比較高，但隨著頻率的提高，磁芯的損耗越來越大。因此無線電能傳輸系統(tǒng)磁性材料的選擇對磁耦合元件實(shí)現(xiàn)高效、高功率和體積小型化顯得尤為重要。在實(shí)際系統(tǒng)中，為了防止磁芯飽和，減小體積，降低磁芯損耗，選取軟磁材料一般要求［9］:①高的磁導(dǎo)率；②很小的矯頑磁力和狹窄的磁滯回線；③高的電阻率；④足夠大的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

一般鐵氧體、鐵鎳軟磁合金、非晶合金三種軟磁材料都能滿足無線電能傳輸磁耦合元件對磁性材料的要求，但總體性能上，非晶合金的各項(xiàng)指數(shù)大體優(yōu)于其它軟磁材料。實(shí)際應(yīng)用中，磁材的選擇要對成本、性能、工作環(huán)境等進(jìn)行綜合考慮。

（2）磁芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

提高磁耦合元件的耦合系數(shù)是提高系統(tǒng)電能傳輸效率的關(guān)鍵所在。而如何提高耦合系數(shù)并盡可能地減小其體積和重量，卻是無線電能傳輸技術(shù)的研究難點(diǎn)。為此，各國學(xué)者進(jìn)行了很多的研究。為了提高磁耦合線圈耦合系數(shù)，文獻(xiàn)［10］不惜以加大磁芯的體積和重量為代價(jià)，用體積366 cm3、重量為17.2 kg的磁芯制作變壓器，但過大的體積和重量降低了它的實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)［11］在文獻(xiàn)［10］的基礎(chǔ)上，將圓形磁芯分割成扇面，如圖4所示。分割后，耦合系數(shù)與原來相當(dāng)，而磁芯重量大大減小，大大增加了它的適用性。此外，新西蘭奧克蘭大學(xué)以Boys教授為核心的課題組也采用分割磁芯方法來優(yōu)化無線電能傳輸?shù)拇篷詈显堰_(dá)到減輕重量的目的［12］，優(yōu)化的磁芯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 圓形磁芯分割成扇面示意圖

圖5 Boys教授課題組優(yōu)化的磁芯結(jié)構(gòu)

雖然采用磁芯的磁耦合元件能夠提高耦合系數(shù)，但由于磁芯的存在，不僅增加磁件的重量，限制了電氣設(shè)備的便攜性還帶來了磁損。近年來，隨著無芯變壓器的發(fā)展，無線電能傳輸?shù)拇偶膊捎昧藷o芯變壓器。空心變壓器具有重量輕和無磁芯損耗等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是傳輸?shù)墓β实燃壿^小，線圈之間的耦合系數(shù)較小。目前對空心線圈的研究主要集中在耦合系數(shù)與初、次級線圈的空間布局上，初、次級的線圈結(jié)構(gòu)、匝數(shù)的關(guān)系以及漏感引起的鄰近效應(yīng)、趨膚效應(yīng)等。空心線圈能夠?yàn)槎鄠€(gè)負(fù)載同時(shí)供電，為了使接收線圈與發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)不隨負(fù)載位置的變化而發(fā)生很大的變化，希望在發(fā)射線圈的上方產(chǎn)生盡可能均勻分布的磁場。比較有代表性的是香港城市大學(xué)許樹源教授（S.Y.R.Hui），提出的三層六邊形螺旋PCB線圈［13］，如圖6所示，圖中每一個(gè)六邊形代表一個(gè)六邊形螺旋線圈。雖然這種結(jié)構(gòu)能夠在發(fā)射線圈的上方產(chǎn)生較為均勻分布的磁場，但由于各線圈緊密或是交替排列，產(chǎn)生的磁場相互抵消了一部分，因而產(chǎn)生的總磁場強(qiáng)度與單個(gè)線圈相比，大大減弱了。文獻(xiàn)［14］利用集中線圈產(chǎn)生的“凹形磁場”（圖7（a）所示）和螺旋線圈產(chǎn)生的“凸形磁場”（圖7（b）所示）相互疊加形成較均勻的磁場（圖7（c）所示）。采用這種方法雖能夠在發(fā)射線圈上方得到較為均勻的磁場，但這種線圈的設(shè)計(jì)過程較為繁瑣，需要通過計(jì)算機(jī)程序，詳細(xì)地搜索每一匝線圈的位置和大小。

圖6 三層六邊形PCB線圈結(jié)構(gòu)

（3）繞組優(yōu)化

為減小磁耦合元件的體積和提高電能的傳輸能力，一般磁耦合元件都是工作在較高的頻率下，但高頻會帶來磁耦合線圈由鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)引起的損耗，因此為了減小該損耗，線圈多采取多股細(xì)線或Liz線交叉換位的繞法。此外，也可以從繞組的分布方式出發(fā)，進(jìn)行優(yōu)化無線電能傳輸?shù)拇篷詈显?/p>

圖7 均勻磁場合成示意圖

圖8 繞組分布方式及其Ansoft磁場仿真圖

圖8給出了U型磁芯分布式繞組和集中式繞組及其Ansoft磁場仿真圖，從中可以看出，當(dāng)采用分布式繞組時(shí)，由于初、次級線圈接觸比較緊密，磁力線可以在初、次級線圈之間垂直通過，因此漏磁通比較少，耦合系數(shù)比較高。因此，在選擇繞組分布時(shí)，為提高磁耦合線圈的耦合系數(shù)應(yīng)采用分布式繞組［15］。

3 存在的技術(shù)關(guān)鍵和發(fā)展趨勢

從近年來無線電能傳輸技術(shù)理論與實(shí)驗(yàn)的研究成果來看，目前無線電能傳輸磁耦合元件還需要解決下面兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵:一是，如何在大氣隙下盡可能地提高兩磁耦合線圈的耦合系數(shù)，保證接收線圈能拾取盡量多的磁場，尤其是當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈發(fā)生提離和偏移的時(shí)候；二是，為了避免發(fā)射線圈發(fā)射出來的磁場對周圍空間環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場必須限制在一定的區(qū)域內(nèi)，使其對周圍空間環(huán)境產(chǎn)生盡可能小的電磁干擾。因此對磁耦合元件電磁兼容性和可靠性的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。目前對無線電能傳輸技術(shù)研究的深度和廣度還不夠，主要局限在較小功率和短距離方面的研究，對于其傳輸電能的容量、效率、距離、電磁干擾等關(guān)鍵問題，還有待進(jìn)一步的研究和開發(fā)。無線電能傳輸磁耦合元件的發(fā)展趨勢是遠(yuǎn)距離、高效化、低成本化，小體積化、輕量化和平面化。

4 結(jié) 論

磁耦合元件作為磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能對系統(tǒng)的傳輸能力、傳輸效率以及應(yīng)用便捷性有著至關(guān)重要的影響，對其要求也是多方面的。目前，無線電能傳輸系統(tǒng)的研究更多地是集中于電路系統(tǒng)及其控制策略，而對磁耦合系統(tǒng)的關(guān)注比較少。磁耦合元件已成為制約無線電能傳輸進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效和便捷實(shí)用的主要技術(shù)瓶頸。本文通過無線電能傳輸系統(tǒng)磁耦合元件的關(guān)鍵問題的綜述，分析了磁耦合元件的工作原理、特點(diǎn)和優(yōu)化考慮，并給出了磁耦合元件目前亟待研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢，這對更加深入的研究無線電能傳輸技術(shù)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。

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