非接觸式渦輪葉片溫度測量無線供電系統研究

趙 陽，馬游春，劉鵬媛，何 巧

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

隨著近代航空發動機的發展，對機組渦輪葉片工作狀態測量的遙測系統要求也越來越高了。早期在旋轉構件中對部分遙測設備供電的方法是采用電池供電。由于采用電池供電時，電池的電能存儲有限，不能長時間對部件上的被測參量進行監測，而且會給系統增加額外的重量，所以采用非接觸式供電對旋轉體遙測設備供電成為了首選方案[1-2]。

Maxwell是一款常用的電磁設計軟件，而Maxwell 3D可以分析線圈損耗、指定頻率下的阻抗、電感、互感和耦合系數等，同時也可以仿真得到B和H分布圖、能量密度和溫度分布等圖形結果[3]。Maxwell軟件搭配Simplorer軟件使用，通過將Maxwell軟件產生的電路模型提供給Simplorer調用，可以很好的得到電路的各種狀態參數[4]。

根據實際要求情況和理論分析，利用Maxwell和Simplorer軟件對所設計的無線充電模型進行電磁場和電路的聯合仿真，設計一款無線充電線圈以搭建無線充電平臺。

1 無線充電的理論分析

無線供電系統的能量傳輸部分是由發射線圈和接收線圈構成，發射端的高頻逆變激勵使得發射、接收線圈產生交互磁場，通過電磁感應實現能量傳輸，其基本結構如圖1所示[5]。

圖1為無線充電系統的電路等效模型。其中Up為發射端的等效交流電壓源，其頻率為W，ip和is分別為發射端和接收端回路電流，Zp和Zp分別代表發射端與接收端回路的阻抗;Rp和Rs分別為發射線圈和接收線圈的等效阻抗；Cp和Cs分別為發射端和接收端串聯共振電容；Lp和Ls分別為發射線圈和接收線圈電感；M為線圈間互感；RL為負載[6]。

圖1 無線充電系統的電路等效模型示意圖

根據無線充電的等效原理圖，利用基爾霍夫定律，可以寫出回路方程[7]：

(1)

可以得到電路阻抗方程為：

(2)

由式(1) (2)方程進行聯立求解，可求得發射端回路電流ip、接收端回路電流is分別為

(3)

由功率計算公式，可以計算出負載輸出功率PL和系統輸入功率Ps:

(4)

(5)

線圈傳輸效率為負載輸出功率PL和系統輸入功率Ps的比值，即：

(6)

線圈的互感M、耦合系數K、發射線圈電感Lp和接收線圈電感Ls之間的關系為

(7)

由于RL/(RS+RL)≈1，將式(7)代入式(6)得：

(8)

由式(8)可以得出，無線充電的充電效率與系統的固有頻率，耦合系數，發射端和接收端的電感以及等效阻抗等有關。

2 Maxwell仿真建模分析

有限元分析是無線充電線圈電磁仿真中最常用的方法，Ansys Maxwell使用高精度的有限元方法來解算穩態、頻域和時變電磁場和電場。Maxwell軟件具有瞬態磁性、靜磁和電場等求解模式，可以分析不同情況下的電磁場模型。Maxwell軟件可以分析趨膚效應、鄰近效應、渦流和位移電流影響的模型，同時也可以計算出模型的功率損耗、線圈損耗、電感和阻抗等參數，得到能量密度和B/H分布圖等結果。Simplorer軟件可進行系統級別的數字原型建模、仿真和分析，同時Simplorer軟件具有靈活的建模功能，與Ansys 3D物理仿真緊密集成，廣泛支持裝配和仿真系統級物理模型，還可以進行概念設計、詳細分析和系統驗證。

2.1 線圈天線建模

普通多股線纏繞而成的線圈在高旋環境下很容易出現線圈脫落等問題，PCB線圈可以有效的避免這些情況的發生。無線充電線圈應符合國際無線充電聯盟(WPC)推出的無線充電標準(Qi)，同時也需符合硬件電路工作時的諧振頻率設計需求，因此以IDT公司為P9242發射和P9221接收部分在110 kHz工作時推出的配套線圈MP-A2線圈作為模型標準。為此，在滿足WPC-1.2標準的前提下，所設計的PCB線圈匝數應在7～10匝，電感值在6～11 μH。

線圈使用Maxwell軟件建立3D模型，PCB線圈高度 35 μm，寬度635 μm,內徑17 mm[8]，設置線圈匝數為變量值T，T的初始值7，終止值為10。選擇Maxwell軟件求解類型為渦電流模式，激勵為電流激勵、網格采用自適應設置，線圈模型如圖2所示[9]。

圖2 PCB線圈模型示意圖

在添加鐵氧體的情況下，通過Maxwell軟件仿真計算，得到發射線圈和接受線圈的最優解為：匝數分別為9匝和10匝，電感值分別為6.3 μH和8.0 μH。

2.2 屏蔽材料對線圈間磁場的影響

無線充電線圈的設計中鐵氧體屏蔽材料可以在增加磁場強度、減少漏磁的同時增加感應距離[10]。線圈在距離3 mm 的情況下仿真得到的磁場強度分布圖如圖3所示。從圖中可以看到鐵氧體屏蔽材料起到了減少漏磁的作用，磁通量在集中在了兩個線圈之間，保證了磁場強度的穩定。

圖3 線圈磁場的分布示意圖

2.3 耦合系數的變化

線圈的充電效率受線圈耦合系數的影響[11]，如圖4所示，X軸為線圈間距，Y軸為線圈間的耦合系數，從耦合系數曲線可以看到線圈間的耦合系數受線圈間距的影響較大，因此距離的增加也造成了充電效率的顯著降低。

圖4 線圈耦合系數曲線

2.4 Maxwell和 Simplorer聯合仿真

在進行 Maxwell和 Simplorer的聯合仿真之前，還需要再對線圈進行瞬態場求解模式下的電磁場仿真，再將模型導入到Simplorer中，在Simplorer中搭建硬件仿真電路實現特性仿真分析[10]。為了使仿真結果更貼近與實際無線充電系統，硬件仿真電路中加入了Mosfet半橋，其中電阻Rp和Rs的阻值可在靜態場仿真時得到。

根據Qi標準設計的Simplorer仿真電路圖，其中Mosfet半橋產生的方波信號可以使發射線圈的頻率從100 kHz調節至205 kHz,同時在電路圖中加入電壓表和功率表以實現仿真結果的查看。根據仿真得到的發射和接收線圈電感值，通過式(9)，可以得到合適的諧振電容值實現電路共振：

(9)

Simplorer與Maxwell聯合仿真總體電路圖如圖5所示。圖5中，發射端激勵為單相正弦交流電，在諧振頻率為110 kHz，峰值電壓為12 V時，發射端的諧振電容Cp= 316.7 nf，電阻Rp=0.063 2 ohm，接收端的諧振電容Cs=261.6 nf，電阻Rs=5.53 Ω。

圖5 聯合仿真總體電路圖

當發射線圈和接收線圈的充電頻率在110 kHz，兩線圈的間距為3 mm時，可以根據聯合仿真的瞬態求解模式得出電壓源的輸出功率、經過Mos管半橋輸出功率和負載功率曲線，如圖6所示。

圖6 電壓源、MOS管半橋及負載輸出功率圖

通過功率曲線積分比較Mos管半橋輸出功率/負載功率，可以得到聯合仿真時無線充電系統的充電效率為94%，據此使用此系統模型進行無線充電系統的實物設計。

3 硬件電路設計

3.1 無線充電發射模塊

使用IDT P9242作為無線充電發射部分的主控芯片可以支持高達15 W的功率[12]。發射模塊帶有兩個LED指示燈，可以顯示無線充電狀態，同時發射模塊還兼具異物檢測、過流保護和溫度檢測等功能，可以保證無線充電的安全性和有效性，無線充電發射模塊電路圖如圖7所示。

圖7 無線充電發射模塊電路圖

3.2 無線充電接收模塊

使用IDT P9221作為無線充電接收部分的主控芯片同樣可以支持高達15 W的功率[13]。該芯片集成了全波同步整流器，低壓差線性穩壓器和基于ARM的32位微處理器，以管理符合要求的所有數字控制與WPC-1.2.3通信協議。接收模塊轉換交流電源信號從諧振回路到可編程的穩壓9 V或12 V直流輸出電壓，無線充電接收模塊電路圖如圖8所示。

圖8 無線充電接收模塊電路圖

3.3 無線充電流程

無線充電從接收模塊放置到開始充電要經過6個階段，分別是:選擇階段、Ping階段、識別和配置階段、協商階段、校準階段和充電階段[14]，無線充電流程如圖9所示。

在選擇階段，發射模塊在檢測到接收模塊放置后確定是否進入Ping階段。進入Ping階段后，發射模塊將發送能量并檢測來自接收模塊的響應。識別和配置階段時發射模塊執行協議的一部分，以識別接收模塊并建立默認的能量傳輸合約。協商階段是為了使發射模塊和接收模塊進行協商以微調能量傳輸合約，而且如果發射模塊檢測到異物，則返回選擇階段。在校準階段，接收模塊會提供信息，發射模塊可以使用這些信息來提高其在充電過程中異物檢測的能力。在充電階段，發射模塊通過控制數據包來控制充電，一旦識別和配置階段完成，發射模塊便會啟動充電階段，接收模塊的控制電路將錯誤數據包發送至發射模塊，以將整流器電壓調整到最大線性穩壓器所需的水平，同時實際收到的功率數據包發送給發射模塊，以進行異物檢測，用于確保充電過程安全有效地進行[15]。

圖9 無線充電流程框圖

4 系統性能測試結果

通過測量，無線充電系統在輸入電壓VIN為12 V時輸入電流IIN為1.39 A，其輸出電壓VOUT和輸出電流IOUT會因距離的改變,在間距3 mm時，無線充電系統的電壓VOUT和輸出電流IOUT如圖10所示。

無線充電系統的充電效率為

(10)

當改變線圈間距后，無線充電的充電效率會隨著距離的增加而逐漸降低，如表1所示。

實際的充電效率要小于仿真充電效率，如圖11所示。因為在實際充電系統中，鐵氧體的類型與仿真時所用有差別，造成的損耗也不相同，且實際電路更加復雜，與聯合仿真時所要求的電路簡潔不同，實際電路增加了LED燈等耗能元件，因此也造成了充電效率下降。但無論是仿真還是實物，其充電效率都在3 mm后快速下降，基于渦輪葉片上溫度測量系統的供電要求，最終選擇距離在3 mm時進行15 W的非接觸式無線充電。

圖11 充電效率曲線

5 結論

通過Maxwell和Simplorer軟件的聯合仿真，驗證了Qi標準電磁感應無線充電系統的有效性，為使用IDT P9242和IDT P9221做無線充電系統增加了可靠性，縮短了實驗周期，最終搭建了一個具有溫度檢測、異物檢測和過流限制等功能的15 W無線充電系統。最終測試確定無線充電效率為90%，證明了該無線充電系統的實用性，可供類似向旋轉設備進行無線供電的應用參考。