基于鐵氧體的磁感應無線輸能系統傳輸效率優化

王雯雯，韓誠亮，都 明，何委林

(中國人民解放軍78111部隊，四川 成都 610031)

0 引言

磁感應無線輸能技術應用范圍很廣，文獻[1]提出填充鐵氧體的多層線圈設計方案，仿真分析了加入鐵氧體后系統傳輸效率和耦合系數的關系，但并未進行實驗驗證；文獻[2]在磁感應輸能系統收發線圈上添加鐵氧體隔磁片，實現了耦合系數的提高，但由于沒有考慮負載對系統的影響，在線圈間距5.6 mm，頻率100 kHz時，傳輸效率僅為58%。

本文設計了一種基于鐵氧體軟磁片的磁感應無線輸能系統。通過引入軟磁片，提高線圈的耦合系數和品質因數，在優選負載的情況下，該系統可有效提高近距離磁感應系統的傳輸效率。

1 系統理論分析

1.1 系統傳輸效率理論計算

磁感應無線輸能系統包括信號源、發射線圈、接收線圈和負載，其等效電路模型如圖1所示。k為收發線圈間的耦合系數；M為收發線圈間的互感；Q1，Q2分別為收發線圈的品質因數；R1，R2分別為收、發線圈的等效內阻；h為傳輸距離；ω為交流電的角頻率；Rs為信號源內阻；C1，C2分別為收、發回路的諧振補償電容；L1，L2分別為收、發線圈的自感；RL為接收端的負載電阻[1-2]。

圖1 系統等效模型

當收、發回路均諧振時，系統的傳輸效率為：

(1)

收、發線圈的品質因數和耦合系數分別為：

(2)

將式(2)代入式(1)，系統的傳輸效率可以表示為：

(3)

由式(3)可以看出，系統的傳輸效率與收發線圈間的耦合系數k，品質因數Q1、Q2，線圈等效內阻R1、R2及負載RL均有關[3-4]。

1.2 系統參數對傳輸效率的影響

相同線圈由于形狀和尺寸不變，兩線圈的品質因數也不變，這里只研究一個品質因數，設為Q。當同一工作頻率時，固定兩線圈內阻和負載，通過Matlab仿真得到傳輸效率η與耦合系數k和品質因數Q的關系如圖2所示；固定k、Q、RL，得到傳輸效率η與等效內阻R1、R2的關系如圖3所示；固定k、Q、R1、R2，得到傳輸效率η與負載RL的關系如圖4所示。

參考文獻[5-6]為便于計算，按照平面螺旋線圈內阻及該距離兩線圈品質因數普遍取值規律，其中R1、R2選擇具有等量遞增變化的0.1～0.5 Ω，品質因數Q選擇等量變化的0～300，耦合系數k選擇等量變化的0～1，負載RL選取市面上已有的、具有等量遞增變化的10～100 Ω的電阻。

由圖2可以看出，系統傳輸效率η隨耦合系數k、品質因數Q的增大而增大，耦合系數k對傳輸效率η的影響大于品質因數Q；由圖3可以看出，線圈等效內阻R2變化時，系統的傳輸效率η變化不大，R1變化時傳輸效率η不變；由圖4可以看出，傳輸效率η隨負載RL的增大而增大，當負載RL超過某一值后，傳輸效率趨于不變。

圖2 傳輸效率η與耦合系數k和品質因數Q的關系

圖3 傳輸效率η與等效內阻R1、R2的關系

圖4 傳輸效率η與負載RL的關系

從圖2～圖4分析得出，線圈的品質因數Q和耦合系數k是影響傳輸效率η的主要因素，在磁感應無線能量傳輸中可以通過提高線圈的品質因數和兩線圈間的耦合系數提高系統效率。

2 系統仿真及實驗驗證

2.1 Maxwell仿真

本文采用一種基于有限元分析的3D仿真軟件Maxwell對線圈進行建模[7]，3D模型如圖5所示。兩線圈參數相同，線圈內徑52 mm，外徑245 mm，匝數25，通過Eddy Current求解器求解平面螺旋線圈的品質因數及耦合系數。仿真中所用材料為銅，電導率為5.8×107S/m，激勵源是幅度1 A、f為100 kHz的交流電流，仿真中線圈內阻等效為一個0.1 Ω的電阻，負載為一個10 Ω的電阻。當傳輸距離h由5～50 mm以5 mm增量遞增時，仿真計算線圈間的品質因數Q和耦合系數k，如表1所示。

圖5 系統線圈仿真3D模型

表1 品質因數和耦合系數仿真值

2.2 實驗驗證

根據仿真模型，手工制作線圈。使用厚度為2 mm，直徑為350 mm的Acylic板作為線圈基板，將規格0.15 mm×135股的多股家裝電纜線密繞粘在Acylic板上，實物如圖6所示，測試線圈內阻約0.1 Ω，使用一個10 Ω的功率電阻作為負載，搭建磁感應無線輸能系統測試平臺如圖7所示[8]。

圖6 平面螺旋線圈實物

圖7 磁感應無線輸能測試平臺

改變測試平臺線圈間的傳輸距離，用LCR電橋測出線圈的耦合系數及品質因數，仿真和測試結果對比如圖8和圖9所示。

圖8 系統耦合系數仿真和實測對比

圖9 系統品質因數仿真和實測對比

由圖8可以看出，線圈的耦合系數隨傳輸距離的增加而減小，當傳輸距離剛開始增加時，耦合系數急劇下降，隨著傳輸距離的增大緩慢衰減；圖9表明線圈的品質因數隨距離的變化并不明顯。

從圖8和9可以得出，在系統內阻及負載不變的情況下，隨著傳輸距離變化，系統線圈耦合系數仿真和實測基本吻合，品質因數實測和仿真存在誤差但變化趨勢基本一致。考慮到實測手工繞制線圈、讀數的誤差，周圍環境中雜散電磁干擾及溫度的影響，此誤差可以忽略。

3 鐵氧體軟磁片對系統效率的優化

由前文分析可知，耦合系數越大，品質因數越高，系統的傳輸效率就越高，引入鐵氧體軟磁片可以增加線圈的電感，進而提高線圈的品質因數及耦合系數，達到提高效率的目的。鐵氧體軟磁片參數如表2所示、實物如圖10所示。在前文平面螺旋線圈的背面附著鐵氧體軟磁片，分別測試附軟磁片前后系統耦合系數及品質因數的對比關系；不同負載在距離變化時對系統傳輸效率的影響以及兩系統傳輸效率在距離改變時的變化趨勢[9]。

表2 鐵氧體軟磁片參數

圖10 附鐵氧體軟磁片線圈實物圖

3.1 鐵氧體軟磁片對線圈耦合系數及品質因數的影響

通過改變傳輸距離，研究附軟磁片前后兩系統耦合系數及品質因數的變化規律，用LCR電橋測出線圈的耦合系數及品質因數[10]，得出對比值如圖11和圖12所示。

由圖11可以看出，當傳輸距離小于10 mm時，附軟磁片線圈的優勢更加突出，相比無軟磁片的系統，耦合系數最大提高約10%。由圖12可以看出，附軟磁片前后，線圈的品質因數明顯增加，最大提高約5%。但隨傳輸距離的增加，品質因數變化并不明顯，這種變化趨勢與前期仿真結果基本吻合。

圖11 兩系統耦合系數實測對比

圖12 兩系統品質因數實測對比

3.2 基于鐵氧體軟磁片的系統傳輸效率與負載、傳輸距離的關系

為驗證本文鐵氧體軟磁片對傳輸效率的優化[11]，在圖7磁感應測試平臺的基礎上進行實驗。信號源產生頻率f為100 kHz的交流電，實驗中發射線圈與接收線圈均匹配一個19～23 nF的可調補償電容，經過實際測量內阻約0.1 Ω。根據前文分析，當負載超過某一值后系統效率趨于不變，因此根據圖4變化規律，負載選取市面上已有的、具有等量遞增變化的10，20，30，40 Ω的功率電阻，當傳輸距離h由5～50 mm以5 mm增量遞增時，計算附軟磁片時不同負載對應磁感應系統的傳輸效率如圖13所示。

由圖13可以看出，系統的效率隨距離的增大單調遞減，不同阻值效率衰減速率不一樣，當負載為30 Ω時，系統效率最大約74%。

圖13 不同負載時系統傳輸效率與距離的關系對比

3.3 附鐵氧體前后兩系統傳輸效率與傳輸距離的關系

根據前文分析，選擇30 Ω作為系統負載，改變傳輸距離，研究附軟磁片前后兩系統傳輸效率的變化趨勢[12]，測量得出對比值，如圖14所示。

圖14 兩系統傳輸效率與距離的關系對比

由圖14可以看出，附軟磁片系統的效率明顯優于未附軟磁片的系統，在傳輸距離5 mm，頻率100 kHz時，前者效率相較后者提高約24%。

4 結束語

本文提出一種基于鐵氧體軟磁片的磁感應無線輸能系統優化方案。搭建實驗平臺測量后得出結論，在優選負載的基礎上，系統耦合系數最大提升約10%，品質因數最大提高約5%，效率提高約24%。運用該系統進行無線能量傳輸，可明顯提高系統效率。這種借助特殊材料優化系統參數的方式為近距離磁感應系統效率提升提供了有效的解決途徑[13]。現階段，磁感應輸能技術廣泛運用于電信、工業等領域，以解決無線充電等問題，下一步，本文將在現有研究基礎上深入研究線圈陣列、線圈材料等因素對磁感應系統的影響，以期進一步提高系統傳輸效率。