非對稱線圈諧振式無線充電系統的設計與研究

楊瑞東 楊俊卿 孫博

摘 ?要： 動物機器人神經刺激器使用微型電池供電，較小的電池容量限制了刺激器的工作時長，為能使刺激器持續工作，文中提出一種基于無線充電的供電方案。為減小接收線圈的重量和尺寸對動物運動的影響，需要選擇較小的尺寸，同時要保障足夠的傳輸功率，因此提出并設計了基于非對稱諧振線圈的無線充電方案。首先，基于電路理論和無線電能傳輸系統的電路模型，分析無線電能傳輸系統傳輸特性;然后，基于Matlab分析線圈匝數和線圈半徑對傳輸性能的影響，并通過HFSS探明了非對稱諧振線圈情況下傳輸距離與磁場的空間分布的關系;最后，建立一套基于磁耦合諧振的非對稱無線電能傳輸實驗平臺，并進行實驗驗證。實驗結果表明，理論數據、模擬數據和實驗數據吻合較好，此方案既能滿足接收線圈尺寸小的要求，又能抑制頻率分裂，提高傳輸功率和效率，完全適用于動物機器人神經刺激器的無線電能傳輸。

關鍵詞： 充電系統; 動物機器人; 無線電能傳輸; 非對稱諧振線圈; 頻率分裂; 傳輸效率; HFSS仿真

中圖分類號： TN915?34; TM724 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0094?06

Abstract： The nerve stimulator of the animal robot is powered by the micro?battery， and the small capacity of the battery limits the working time of the stimulator. Therefore， a power supply scheme based on wireless charging is proposed in this paper to make the stimulator work continuously. Since it is necessary to select a small size receiving coil to reduce the influence of the weight and size of the receiving coil on animal motion， and sufficient transmission power needs to be ensured， a wireless power charging scheme based on the asymmetric resonant coil is proposed and designed. The transmission features of the wireless power energy transmission system are analyzed based on the circuit theory and circuit model of the wireless power energy transmission system. The influences of coil turns and radius on the transmission performance are analyzed with the Matlab. The relationship between the transmission distance and the spatial distribution of the magnetic field in the case of asymmetric resonant coil is explored by using the HFSS. An asymmetric wireless power energy transmission experimental platform based on the magnetic coupling resonance is established， and verified by the experiment. The experimental results show that the theoretical data， simulation data and experimental data are in good agreement; the scheme can not only meet the small size receiving coil requirement， but also suppress frequency splitting and improve the transmission power and efficiency， which is fully applicable to the wireless power energy transmission for the nerve stimulator of the animal robot.

Keywords： power charging system; animal robot; wireless power energy transmission; asymmetric resonant coil; frequency splitting; transmission efficiency; HFSS simulation

0 ?引 ?言

動物機器人的原理是利用電信號刺激動物特定的神經位點，從而控制活體動物按照人的要求運動，因為其操控的本體是動物本身，所以被稱作動物機器人[1]。圖1所示為動物機器人大鼠。動物機器人的神經刺激器安置在動物身上。為擺脫電線對動物運動的束縛，神經刺激器工作于無線遙控方式，因此，整個刺激器利用電池供電。如果使用大電池，會增加動物的負重，影響控制效果;如果使用小電池，電能容量有限，更換較為頻繁，每次更換都要中斷實驗過程，并且更換過程中的外界因素會使動物的情緒產生波動，破壞實驗過程的連續性，在一定程度上影響了實驗數據的客觀性和一致性，為實驗數據的分析帶來干擾。為了在使用小容量電池的同時又不頻繁地更換電池，本文提出一種邊刺激邊為電池無線充電的電能傳輸方案。無線電能傳輸（Wireless Power Transfer，WPT）可以在互不接觸的發射端和接收端之間傳輸電能，這符合動物機器人自由運動的要求。然而，動物機器人神經刺激器無線電能傳輸不同于一般的電子設備的無線電能傳輸方案。它對接收線圈的尺寸有特殊要求，主要原因是動物機器人的神經刺激器安裝于動物身上，接收線圈與刺激器相連，為減小接收線圈的重量和尺寸對動物運動的影響，需要選擇較小尺寸的接收線圈。

圖1 ?動物機器人大鼠

為使無線電能傳輸系統獲得高的傳輸效率，需要保持無線電能傳輸系統工作在臨界耦合的狀態下。隨著兩線圈之間距離的變化，系統可能從臨界耦合狀態變為過耦合狀態，從而出現頻率分裂現象，導致傳輸效率降低。為了提高系統的傳輸效率，必須抑制頻率分裂的發生。抑制頻率分裂有如下多種方法：采用阻抗匹配網絡來調整等效負載電阻的方法[2];通過測量和比較接收端和發射端的功率來調整諧振頻率的方法[3];調整四線圈結構系統中各線圈之間的距離改變耦合系數來抑制頻率分裂的方法[4];使用自適應匹配網絡抑制頻率分裂的方法[5];利用一套由兩組線圈組成的特殊發射線圈減緩耦合系數的變化，從而抑制頻率分裂的方法[6]。

本文提出一種基于非對稱諧振線圈的無線電能傳輸的方案來抑制頻率分裂和提高傳輸效率。首先，基于Matlab分析了線圈匝數和線圈半徑對傳輸性能的影響;其次，利用HFSS仿真工具探明了傳輸距離和磁場空間分布之間的關系;最后，建立一套基于磁耦合諧振的非對稱WPT系統，并進行了實驗驗證，結果表明理論數據、模擬數據和實驗數據吻合較好。最終結果表明此方案既能滿足接收線圈尺寸小的要求，又能抑制頻率分裂，提高傳輸功率和效率，可以應用于動物機器人神經刺激器的無線電能傳輸。

1 ?系統建模和分析

1.1 ?建立電路模型

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統一般可分為兩線圈結構和多線圈結構，為便于分析，本文采用兩線圈結構，電路模型見圖2。其中：U1為發射端所連接的激勵電壓;R1，R2分別為發射端和接收端的內阻;L1，L2分別為發射線圈和接收線圈的電感;C1，C2為發射端和接收端的諧振電容;RL為負載;M為發射和接收線圈間的互感。

圖2 ?無線電能傳輸系統電路模型

對于確定的RL，傳輸效率是關于線圈的耦合系數、線圈品質因數的函數f（Q1，Q2，K）。通過函數關系可得出最佳的線圈參數，從而獲得最佳傳輸性能。

2 ?仿真分析

2.1 ?線圈匝數對傳輸性能的影響

由第1節的理論分析可知，傳輸效率的大小由線圈的耦合系數和品質因數共同決定，而線圈的匝數直接決定了線圈的品質因數以及耦合系數，所以最優的傳輸效率可以通過選擇合適匝數的線圈得到。因此，通過研究線圈的匝數和系統傳輸效率之間的關系，可以合理地設計系統的耦合機構。

選擇用截面半徑為1 mm和0.5 mm的聚氨酯純銅漆包線分別繞制成發射線圈和接收線圈，設定發射線圈和接收線圈的形狀均為半徑r=10 cm的圓形，傳輸距離d=15 cm，發射線圈和接收線圈的匝數分別為N1，N2，仿真時的匝數起始于5匝，終止于20匝，其仿真的步長為1匝，對其進行有限元的仿真。圖3為傳輸效率隨線圈匝數變化的關系。

觀察圖3可知，發射線圈的匝數對傳輸效率的影響比較小，可以忽略不計。接收線圈匝數對傳輸效率影響較大，隨著接收線圈匝數的增加，傳輸效率先增大后減小，接收線圈匝數為15匝時，傳輸效率最高。

圖3 ?傳輸效率隨線圈匝數變化的關系

2.2 ?線圈半徑對傳輸性能的影響

在兩個線圈的距離逐漸接近時，電能傳輸會發生頻率分裂的現象，從而導致傳輸效率的下降，此時兩線圈處于過耦合的狀態，可以通過耦合因數θ的大小來判斷線圈是否處于過耦合狀態。當θ>1時，稱之為過耦合;當θ=1時，稱之為臨界耦合;當θ<1時，稱之為欠耦合。耦合因數定義為：

根據第2.1節中的仿真數據，選擇N1=8，N2=15，r1=10 cm，進行有限元的仿真，得出如圖4所示的傳輸距離d、接收線圈半徑r2和耦合因數θ的關系。

圖4中，接收線圈的半徑不變時，耦合因數隨傳輸距離的減小而增大;接收線圈的半徑越小，耦合因數增大的速度越慢。因為θ>1時，會出現頻率分裂，所以為了抑制耦合因數的快速增大，可以選擇較小半徑的接收線圈。由此可知，接收線圈半徑較小的不對稱線圈結構可以有效地抑制頻率分裂。

2.3 ?基于磁場分布的HFSS仿真

為了進一步驗證，對其進行HFSS仿真。首先仿真得出如圖5所示的電能傳輸系統工作時的平面磁場分布圖。圖中藍色表示磁場強度最小，紅色表示磁場強度最大，所以由圖5可知，隨著距離的增加，磁場強度逐漸減小。然后，再進一步對電能傳輸系統的磁場增益進行仿真，得出如圖6所示的三維磁場增益圖。觀察圖6可得，在線圈軸向方向（沿y軸方向）系統的磁場增益最大，說明沿軸向方向電能的傳輸性能最好。

圖4 ?傳輸距離、接收線圈半徑和耦合因數[θ]的關系

圖5 ?平面磁場分布圖

圖6 ?三維磁場增益圖

為了更加直觀地觀察在軸向方向上的磁場增益，進一步仿真得出圖7所示的二維磁場增益圖，表示在不同的軸向傳輸距離下的二維磁場增益。

根據圖7可以繪制出圖8所示的傳輸距離和磁場增益關系圖。觀察圖8可知，隨著傳輸距離的增大，磁場增益都會先增大后減小。這是因為近距離電能傳輸時會產生一定的頻率分裂，所以磁場增益較小，隨著距離的增加，頻率分裂消失，磁場增益會逐漸增大，然而當傳輸距離太大時，線圈間的耦合系數會減小，導致磁場增益減小。同時磁場增益在線圈近距離傳輸時也保持較高的數值（大于1 dB），由此可以證明非對稱線圈可以使磁場的增益在近距離傳輸時保持較高的值，從而使接收端的感應電壓較高，系統的傳輸功率較大。

圖7 ?非對稱線圈在不同傳輸距離下的磁場增益圖

圖8 ?非對稱線圈下傳輸距離和磁場增益關系圖

通過仿真分析可知：發射線圈的匝數對傳輸效率影響很小，負載確定的情況下，可以通過改變接收線圈的匝數來提高傳輸效率，為了在近距離傳輸時抑制頻率分裂，可以采用半徑較小的接收線圈。同時半徑較小的接收線圈的非對稱線圈結構也可使近距離傳輸時的磁場增益保持較高的值，使近距離傳輸時達到較高的傳輸功率。

3 ?實驗驗證

3.1 ?實驗裝置

為了驗證理論的正確性，設計開發了一套實驗系統，如圖9所示。該系統包括逆變電源、發射裝置、接收裝置、穩壓模塊和負載。發射電路采用單E類高頻逆變電源電路，發射線圈采用線徑為2 mm的漆包線，繞制成直徑20 cm的多匝線圈，匝數為8;接收線圈采用線徑為1 mm漆包線，繞制成直徑8 cm的多匝線圈，匝數為15。接收回路采用全橋整流電路進行整流，然后并聯一個大電容進行濾波。為了進行比較，再繞制一個與發射線圈相同的線圈作為比較線圈。各線圈參數如表1所示。

圖9 ?無線電能傳輸系統

表1 ?各線圈參數

3.2 ?驗證比較

將線圈接入電路進行驗證實驗，固定發射端的電壓為5 V，電流為1 A，多次改變傳輸距離，分別測量不同傳輸距離下的接收端的電壓和電流，然后計算出傳輸效率，結果如表2所示。

表2 ?不同距離的傳輸效率

根據表2中的數據繪制距離與傳輸效率關系圖，把兩組數據進行直觀的比較，如圖10所示。由圖10可知，當系統近距離傳輸時，不對稱線圈有效地抑制了頻率分裂，使傳輸效率相比使用對稱線圈時提高了接近1倍;但是中距離傳輸時，使用不對稱線圈時的傳輸效率略低于使用對稱線圈時的傳輸效率。

圖10 ?傳輸效率隨距離變化的關系

3.3 ?驗證結果

由以上實驗可知，不對稱的線圈可以有效地抑制頻率分裂，提高近距離的電能傳輸的效率。將實驗結果與理論數據和仿真數據進行比較，結果如圖11所示。

圖11 ?理論、仿真和實驗數據

由圖11可知，理論數據與仿真數據基本一致，實驗數據在每個節點上傳輸效率都略低于理論數據，但是整體趨勢是相同的，這是因為在實驗中產生了各種消耗以及外界的干擾。要消除干擾和減少消耗是需要進一步考慮的問題。

4 ?結 ?論

本文以動物機器人神經刺激器的無線充電為背景，提出一種使用非對稱諧振線圈的無線充電方案。此方案采用具有較大尺寸發射線圈和較小尺寸接收線圈的非對稱線圈結構，小尺寸的接收線圈可以有效地減輕動物機器人的負重，從而減小對動物運動的不利影響。本文在理論分析和仿真驗證的基礎上，設計一套基于磁耦合諧振的非對稱無線電能傳輸系統。實驗表明該系統既能滿足接收線圈尺寸小的要求，又能抑制頻率分裂，提高傳輸功率和效率，從而驗證了非對稱諧振線圈無線電能傳輸為動物機器人神經刺激器無線充電的可行性。

注：本文通訊作者為楊俊卿。

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