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排列3 www.jeimw.cn 谐振式无线电力传输线圈的电磁场分析与设计

线圈的电磁场分析与设计 3.1 谐振式无线电力传输的整体思想 非接触式无线能量传输利用电磁感应原理实现能量传递,而谐振耦合无线电能传输 是非接触式无线能量传输的一种特例,其特别之处在于:实现能量传输的两个传输线圈 各自工作在自谐振条件下 [36] [39] 。谐振耦合无线电力传输原理如图 3-1 所示。

图中,高频振荡电路和高频功率放大电路形成高频功率源,高频功率源产生的能量 信号为发射线圈 D L 提供“驱动”, D L 与传输线圈近距离耦合,而两个传输线圈的自谐振 频率与高频振荡电路产生的信号的频率相同。接收??榈拇湎呷τ虢邮障呷?S L 近距离 耦合。将能量传递给 S L 。接收线圈 S L 与 L R 形成负载回路, L R 即为现实中的电子电器设 备。整个电路原理图描述了从电能产生到传输,到最后提供给负载,表达了无线电力传 输的基本思想。

基于电磁场分析与线圈制作 在文献:Numerical analysis on transmission efficiency of evanescent resonant coupling wireless power transfer system [4] [37] 中,作者使用的无线电力传输研究的 谐振线圈为矩形线圈。这种线圈模型相对文献:Wireless power transmission via strongly coupled magnetic resonances [5] 与文献:Coupled-mode theory for general free-space resonant scattering of waves [6] 中的圆形线圈模型来说在更宽的频带范围 内具有更稳定的传输效率 [4] 。与分析无线电类似,商业软件 FEKO 被用本文研究,其核心 求解器利用 MOM(矩量法)求解。

3.2.1 基于 FEKO 电磁场分析 3.2.1.1 FKEO 简介 EMSS 公司旗下的 FEKO 软件是一款强大的三维全波电磁仿真软件。EMSS 公司成 立于上个世纪的九十年代初期,在创始人 Smith 博士领导下,将 80 年代盛行的数 值求解方法——矩量法(MOM)成功引入到 FEKO。FEKO 是世界上第一个把该方法推 向市场的商业软件。该方法使得精确分析电磁场近场与远场问题成为可能。其主要 应用于 1、天线分析 2、共形天线设计 3、阵列天线设计、4、天线罩分析设计 5、 多天线布局分析 6、电磁隐身分析 7、生物电磁、复杂线缆束、微波电路和射频器 件 l0、系统的 EMC [7][26] 。 矩量法是求解电磁场边界值问题中一种行之有效的数值方法。矩量法在电磁场分 析中有着广泛的应用。其原理是用未知场的积分方程去计算给定媒质中场的分布 [8] 。 3.2.1.2 矩形线圈分析过程 如图 3-2 所示为模型原理图。模拟的电磁场分析系统由接收线圈 D L 、发射线圈 S L 和 L R 所在回路线圈 C L 组成( D L 、 S L 分别为图 3-1 中的两个传输线圈)。为模拟实际 生活需要, S L 采用大线圈尺寸设置成 2m × 6m(模拟室内空间尺寸)。接收线圈 D L 设 置成 0.3m×0.3m(与电脑显示器尺寸相当),导线半径 r=3mm,三个线圈材料均为铜, D L 与 C L 之间的间隙为 0.01m。其中 S L 发射线圈为单匝, D L 接收线圈为 5.5 匝,回路 阻抗 L R 为 50Ω。由 FKO 软件可直接得出 S L 线圈的谐振频率为 9.96MHz,为满足接收线圈 D L 与发射线圈 S L 自谐振频率相等, D L 的匝之间的间隙设成 0.026m。其中 2 S H = m, 6 S W = m, 0.3 D D = m。 发射线圈产生的电磁场分析 在 1MHz 条件下,采用 10W 的能量信号输入,内阻为 50Ω。如图 3-3 所示。线圈 在 X-Z 平面的磁场以分贝 dB 表示,如图 3-4 所示 Y=0.27m 的线圈电场强度、图 3-5 磁场强度、图 3-6 坡印廷矢量 S=E×H。从图中我们可以感性的认识到,线圈周围空 间的场强度较大。

由图我们可以看出。随着 Y 轴的空间位置变化,坡印廷矢量在 Y=0mm 附近处获 得最大值。与理论分析一致,验证了模拟实验的可行性。 如图 3-8 所示为坐标在抽样的三个点在不同频率条件下测得的坡印廷矢量。文 献:Antenna Theory Analysis and Design [9][27] [40] 中给出了不同形状螺旋线圈的自谐 振频率的计算公式,而我们可以从 FEKO 软件中直接获得线圈的自谐振频率为 9.96MHz,由图可知最大输入功率点不在谐振点而在 17.9MHz 左右。 负载电流在 9.96MHz 获得最大值,即 L R 获得的功率最大,传输效率最高。通过继续 增加仿真参数可以证明在谐振频率下得到的传输效率最高,从而证明了谐振式耦合无线 电力传输原理的正确性。

由于器材与空间限制,下面的分析与实际制作采用小尺寸线圈。本节的重点工作内 容为制作出平面倒角线圈,求出倒角线圈的电感表达式。 由前面介绍可知:矩形线圈在更宽的频带内具有更稳定的传输效率。本文选择平面 正方形倒角线圈作为研究的对象,根据文献:平面矩形螺旋状线圈的电感计算 [10][28][33] 可得如图 3-10-a 单匝矩形线圈的电感为: 多匝线圈的电感为每匝线圈的自感和匝间互感的总和,平面螺旋结构如图 3-12-b, 可以用同心线圈近似代替,如图 3-12-c 所示,相邻导线中心之间距离约等于线径 w。假 定电流所在匝的系数为(p+1),另一任意线圈匝的系数为(q+1),所以第(p+1)匝线 圈和第(q+1)匝线圈直接的互感为: 本章利用 FEKO 软件进行了电磁场分析,制作了无线电力传输线圈模型,从电磁场 角度分析了谐振式耦合无线电力传输原理,给出了发射线圈辐射范围内磁场、电场、功 率密度分布。证实了在发射线圈与接受线圈同时工作在自谐振频率下获得最大传输效率 的理论。线圈制作部分根据数学公式推导得出方形线圈电感的计算表达式,给出了 C 程 序计算 ( x , y) B 、 (2 a x ,2 a y) B 与Φ的代码。并由公式 0 0 L4 L Φ Φ′ = ′Φ 可以得到存在倒角情况下 0 L ′ 的计算表达式。由此得到的 0 L ′ 可与 FEKO 得到的理论值进行对比分析,也可以用作分 析线圈的寄生电容,有一定的利用价值。

 
     
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