一種無(wú)人機(jī)無(wú)線充電多發(fā)單收去耦合結(jié)構(gòu)的研究

王祖銘，曹 鑫，朱玉穎

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽(yáng) 621010）

0 引言

自1890年，尼古拉·特斯拉進(jìn)行無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)，無(wú)線電能傳輸進(jìn)入高速發(fā)展階段，而使用最多的便是磁耦合諧振式無(wú)線充電。磁耦合諧振式無(wú)線充電基本原理是在發(fā)射線圈通入交變勵(lì)磁電流后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，完成電能到磁能的轉(zhuǎn)變，再通過(guò)耦合機(jī)構(gòu)使接收線圈收到能量，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。

無(wú)線傳輸耦合機(jī)構(gòu)已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1]提出了單發(fā)單收的耦合機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，為兩平面結(jié)構(gòu)線圈平行對(duì)準(zhǔn)耦合，是線圈耦合傳統(tǒng)用法。隨著兩耦合線圈的成熟，學(xué)者們逐漸開(kāi)始研究多線圈耦合結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[2]中研究了一個(gè)線圈作為中繼線圈進(jìn)行能量傳輸?shù)娜€圈耦合形式，該結(jié)構(gòu)中繼能量過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大能量損耗是很大缺陷。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[5]研究了一發(fā)兩收耦合結(jié)構(gòu)，兩個(gè)小線圈作為接收線圈進(jìn)行能量拾取，此結(jié)構(gòu)由于兩個(gè)接收線圈之間存在的互感會(huì)產(chǎn)生較大損耗。文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]提出了四線圈耦合結(jié)構(gòu)，四個(gè)線圈為同心垂直排布，中間兩個(gè)線圈作為中繼線圈，該結(jié)構(gòu)對(duì)各線圈之間對(duì)準(zhǔn)情況要求較大，缺少對(duì)準(zhǔn)容錯(cuò)率。本設(shè)計(jì)提出五線圈耦合結(jié)構(gòu)，由處于同平面的四發(fā)射線圈和位于垂直方向的單接收線圈組合而成。由于四個(gè)線圈的功率將分擔(dān)發(fā)射總功率，這樣可以降低每個(gè)發(fā)射線圈輸出功率級(jí)別；并且該結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)覆蓋面積更廣，可以獲得更大的充電區(qū)域和對(duì)準(zhǔn)充電容錯(cuò)性。

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電多發(fā)射單接收耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行損耗分析，得出了損耗的根本原因，提出了兩種減少多個(gè)發(fā)射線圈之間的耦合、同時(shí)增加發(fā)射線圈和接收線圈間耦合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并利用ANSYS軟件對(duì)新耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證其可行性。

1 多線圈電路及耦合結(jié)構(gòu)的理論分析與設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)線充電電路及損耗分析

本文以四線圈為例，在補(bǔ)償電路后，四發(fā)射線圈串聯(lián)連接，這樣可以在發(fā)射線圈通過(guò)相同大小的電流，保證每個(gè)線圈產(chǎn)生相同磁場(chǎng)強(qiáng)度的電磁場(chǎng)。為了更加直接地分析發(fā)射線圈之間的互感產(chǎn)生的損耗，利用互感電動(dòng)勢(shì)等效模型繪制出等效電路如圖1所示。

圖1 耦合部分互感電動(dòng)勢(shì)模型等效電路

五個(gè)線圈每?jī)蓛芍g都會(huì)產(chǎn)生耦合，各線圈互感名稱(chēng)詳細(xì)如表1所示。

表1 耦合互感名稱(chēng)表

由于發(fā)射線圈之間存在耦合，即產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電路中U1，U2，U3，U4，U5，U6為各發(fā)射線圈之間的互感電動(dòng)勢(shì)，等效電動(dòng)勢(shì)計(jì)算如式(1)所示：

Uf為接收線圈的反射電動(dòng)勢(shì)：

設(shè)發(fā)射線圈之間產(chǎn)生互感消耗的功率為Ploss，其計(jì)算為:

將式(1)代入式(4)中可得：

根據(jù)式(4)、式(5)可以得出結(jié)論：要想降低發(fā)射線圈耦合造成的損耗，從根本上就是降低各個(gè)線圈之間的互感；又因?yàn)樵跓o(wú)線充電過(guò)程中線圈電感值基本變化不大，即相當(dāng)于降低耦合系數(shù)。

Us1，Us2，Us3，Us4為四個(gè)發(fā)射線圈在接收端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

接收端產(chǎn)生的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)設(shè)為Us：

設(shè)Pm為接收到的功率：

將式(6)代入式(8)得：

根據(jù)上述理論計(jì)算，為了提高無(wú)線充電效率，一方面是減少發(fā)射端線圈之間耦合損耗，另一方面是增大各發(fā)射線圈和接收線圈的能量傳輸。從設(shè)計(jì)耦合機(jī)構(gòu)角度出發(fā)，即四個(gè)發(fā)射線圈互相之間的耦合系數(shù)、互感盡量低，四個(gè)發(fā)射線圈與接收線圈之間耦合系數(shù)和互感盡量大。

1.2 耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的線圈材質(zhì)為利茲線600股，直徑3.4mm。鐵氧體為MnZn材料，在85khz工作頻率下磁導(dǎo)率為2700，MnZn鐵氧體可以實(shí)現(xiàn)聚合磁通的作用，既能提高線圈的自感，還能實(shí)現(xiàn)耦合機(jī)構(gòu)周?chē)拇欧雷o(hù)功能[8]。

為了更好地實(shí)現(xiàn)區(qū)域性充電，發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用四個(gè)線圈的圓心相連能構(gòu)成正方形的等距處理排布，并且四個(gè)相同尺寸的發(fā)射線圈處于同一平面放置于邊長(zhǎng)為300mm，厚度為10mm鐵氧體塊上方，接收線圈由于是附著于無(wú)人機(jī)上，本著降低負(fù)重的原則設(shè)計(jì)。接收線圈為單線圈，背面貼上厚度為1mm的MnZn鐵氧體薄片，總體耦合結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 耦合機(jī)構(gòu)模型設(shè)計(jì)圖

1.2.1 線圈形狀設(shè)計(jì)

耦合線圈形狀有很多種，通過(guò)繞線匝數(shù)增加來(lái)提高電感值和區(qū)域范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布。本次考慮到兩種線圈繞制形狀，線圈矩形倒圓角繞制法如圖3(a)所示，為正方形四個(gè)角用四分之一圓弧代替，內(nèi)部正方形邊長(zhǎng)為50mm，匝數(shù)為6匝；線圈圓形繞制法如圖3(b)所示，圓形繞制，內(nèi)圓直徑為50mm，匝數(shù)為6匝。兩種形狀線圈繞制方法的電磁場(chǎng)分布圖如圖3所示。線圈矩形倒圓角繞制法磁場(chǎng)分布較均勻，均勻磁場(chǎng)覆蓋面積更大；線圈圓形繞制法磁場(chǎng)主要集中在圓心處，圓心以外區(qū)域磁場(chǎng)較弱。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)充電時(shí)具有一定的偏移容錯(cuò)性，選擇具有磁場(chǎng)分布更均勻，且均勻磁場(chǎng)覆蓋面積更大的線圈矩形倒圓角繞制法。

圖3 兩種線圈磁場(chǎng)分布仿真圖

1.2.2 線圈耦合情況仿真

為了保證接收線圈與發(fā)射側(cè)能有足夠的耦合區(qū)域，又考慮減輕無(wú)人機(jī)負(fù)重，接收線圈尺寸須稍大于發(fā)射線圈。本次設(shè)計(jì)的發(fā)射線圈和接收線圈內(nèi)尺寸一樣，發(fā)射線圈為6匝，發(fā)射線圈為9匝。

耦合機(jī)構(gòu)布局如圖2所示。耦合機(jī)構(gòu)仿真數(shù)據(jù)如表2所示。由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)射線圈之間存在較多磁場(chǎng)交疊，造成發(fā)射線圈間存在較多耦合。并且發(fā)射線圈的耦合使更少的磁場(chǎng)到達(dá)接收線圈，導(dǎo)致發(fā)射和接收線圈的耦合不夠大。根據(jù)上文的理論計(jì)算，這樣會(huì)造成較大損耗，大大降低了傳輸效率。為了減少損耗，下面將提出兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

表2 線圈耦合系數(shù)表

2 耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本設(shè)計(jì)提出兩種耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，第一種方案是在發(fā)射線圈間加上一定高度的鐵氧體塊分隔開(kāi)發(fā)射線圈，第二種方案是在接收線圈鐵氧體薄片上打孔。

2.1 鐵氧體分隔發(fā)射線圈方案分析

通過(guò)十字形排布的鋅錳鐵氧體分隔開(kāi)四個(gè)發(fā)射線圈，來(lái)減少四個(gè)發(fā)射線圈之間的磁場(chǎng)交疊，模型圖如圖4所示。通過(guò)圖4(a)和圖4(b)的磁場(chǎng)分布對(duì)比，由于鐵氧體的高磁導(dǎo)率，對(duì)發(fā)射線圈平面進(jìn)行磁場(chǎng)分隔。可以明顯地看出發(fā)射線圈水平面上基本沒(méi)有磁場(chǎng)交疊部分，各發(fā)射線圈的磁場(chǎng)均在其各自對(duì)應(yīng)的空間。

圖4 發(fā)射側(cè)磁場(chǎng)分布圖

鐵氧體高度設(shè)為25mm進(jìn)行仿真參數(shù)分析，表3為各耦合系數(shù)的數(shù)值。對(duì)比表2和表3的數(shù)據(jù)，可以看出發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)大大明顯降低了，說(shuō)明鐵氧體隔開(kāi)發(fā)射線圈平面內(nèi)的磁場(chǎng)，可以有效的減少發(fā)射線圈之間的耦合，但是還是存在一定耦合，說(shuō)明在發(fā)射線圈和接收線圈耦合過(guò)程中，部分磁場(chǎng)越過(guò)鐵氧體到達(dá)其他線圈的磁場(chǎng)空間產(chǎn)生耦合。發(fā)射線圈之間的磁場(chǎng)分隔使更多磁場(chǎng)到達(dá)接收線圈，所以各個(gè)發(fā)射線圈與接收線圈的耦合增強(qiáng)。

表3 鐵氧體隔磁方案耦合系數(shù)表

2.2 接收線圈鐵氧體薄片打孔方案分析

在發(fā)射線圈側(cè)的鐵氧體薄片上進(jìn)行一定形狀的打孔，在發(fā)射線圈附著的鐵氧體上打孔可以誘導(dǎo)磁場(chǎng)的聚集，使其發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)聚集在該發(fā)射線圈垂直方向映射到的接收線圈區(qū)域，減少其進(jìn)入發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)空間發(fā)生耦合。這樣就可以減少發(fā)射線圈之間的耦合。本次采用了四種打孔方式進(jìn)行仿真分析，如圖5所示，在豎直方向正中位置開(kāi)一個(gè)寬180mm、長(zhǎng)5mm的長(zhǎng)方形孔，橫向增加一個(gè)長(zhǎng)寬10mm，180mm的長(zhǎng)方形孔，在四個(gè)發(fā)射線圈映射的接收線圈區(qū)域，增加邊長(zhǎng)為10mm的正方形孔，使其每個(gè)映射區(qū)域呈三角形排布。

圖5 接收線圈側(cè)鐵氧體打孔情況圖

得到的數(shù)據(jù)如表4所示。對(duì)比表2和表4的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：接收側(cè)鐵氧體打孔解決方案誘導(dǎo)磁場(chǎng)在孔內(nèi)聚集，以降低發(fā)射線圈之間的耦合，但發(fā)射線圈和接收線圈間的耦合影響不大。

表4 四種情況對(duì)應(yīng)耦合系數(shù)表

2.3 去耦合機(jī)構(gòu)仿真分析

綜合兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，得出新的耦合結(jié)構(gòu)。如圖6所示，在四個(gè)發(fā)射線圈之間加入隔離鐵氧體，并在接收線圈側(cè)鐵氧體上進(jìn)行打孔操作。

圖6 耦合機(jī)構(gòu)XOZ面視圖

2.3.1 對(duì)準(zhǔn)情況耦合機(jī)構(gòu)仿真

為了直觀的看出優(yōu)化后的耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果，表5為優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果將優(yōu)化后的各線圈的耦合系數(shù)。

表5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)耦合系數(shù)與優(yōu)化數(shù)據(jù)表

對(duì)比表5和表2的數(shù)據(jù)，可以看出新結(jié)構(gòu)能夠大大降低各發(fā)射線圈之間的耦合、還增強(qiáng)了各發(fā)射線圈與接收線圈的耦合。

2.3.2 耦合機(jī)構(gòu)偏移分析

為了模擬線圈從外界進(jìn)入磁場(chǎng)的耦合情況，坐標(biāo)系如圖7所示。先對(duì)X方向產(chǎn)生的耦合系數(shù)變化進(jìn)行偏移仿真分析，設(shè)置初始掃描值-200mm，結(jié)束掃描為0mm，每40mm掃描一次，最后得到6組數(shù)據(jù)，繪制出X方向偏移耦合系數(shù)變化曲線如圖7(a)所示。再對(duì)XoZ-45°方向進(jìn)行偏移測(cè)試，進(jìn)行相同的參數(shù)掃描，得到6組數(shù)據(jù)，繪制出沿XoZ-45°方向偏移耦合系數(shù)變化曲線圖如圖7(b)所示。

圖7 兩種偏移測(cè)試曲線圖

根據(jù)圖7的兩張曲線圖，可以看出該耦合機(jī)構(gòu)基本能實(shí)現(xiàn)進(jìn)入方形區(qū)域即能夠開(kāi)始充電。且在對(duì)準(zhǔn)充電情況下允許正常充電的偏移量也較大，對(duì)準(zhǔn)容錯(cuò)面積大約在以發(fā)射側(cè)中心為中心，邊長(zhǎng)為50mm的正方形區(qū)域，對(duì)準(zhǔn)容錯(cuò)率較高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了無(wú)人機(jī)多線圈發(fā)射單線圈接收的電路模型，設(shè)計(jì)了兩種線圈去耦合的結(jié)構(gòu)。通過(guò)有限元仿真，該結(jié)構(gòu)降低了電路的損耗，提高了能量傳輸效率。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)對(duì)充電對(duì)準(zhǔn)精度要求不高，具有很高的容錯(cuò)空間。本文所提出的結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于無(wú)人機(jī)區(qū)域無(wú)線充電領(lǐng)域中。