基于电磁感应的无线电能传输线圈结构研究与设计.pdf

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1、第3期2016年6月机电元件ELECTROM哐CHANICALCoM咿ONENTSVol_36No．3Jun．2016基于电磁感应的无线电能传输线圈结构研究与设计田子良(武汉理工大学，湖北武汉，430070)摘要：无线电能传榆主要包括电磁感应式、耦合谐振式和微波传输式这三种，文章主要设计电磁感应无线充电方式中耦合线圈的结构。针对高效率和多维自由度等指标，利用AnsofiMaxwell和实验平台对不同形式的电感线圈进行了分析和比较，得出较为理想的线圈形式，更好地满足性能指标的需求。关键词：电磁感应；无线电能

2、传输；指标分析；线圈结构设计Doi：10．3969／j．issn．1000—6133．2016．03．007中图分类号：TN784文献标识码：A文章编号：1000—6133(2016)03—0003—021引言无线电能传输技术实现了将电能从电源测向用电侧安全、可靠、灵活的传输，达到了传统接触式充电无法实现的技术水准。但由于无线电能传输耦合机构属于松散耦合，其线圈结构的选择会对传输效率造成较大的影响。因此，设计一种高效的无线传输耦合线圈结构具有重要的意义。2电磁感应式无线电能传输原理电网的电输送会经过三个过

3、程：一次侧整流、滤波、逆变，一次侧与二次侧两者之间通过电磁感应传输，二次侧再通过整流逆变和功率调节给用电设备供电。通过对松散耦合系统分析得知：无论是增加互感M，还是发射端线圈电流I。都可以提升传输效率。如果增加发射端线圈电流则显然系统的损耗就会增大，因此提高互感M是提升磁耦合机构传输效率最好的方式，由诺依曼公式可知，互收稿13期：2016—03—06感M的大小又是由原副边线圈的位置和大小来决定的，因此如何设计线圈的结构来增强系统传输效率和空间自由度是无线电能传输研究的重要内容之一。3线圈结构设计3．1耦合

4、线圈不同形式对比当激励电流和线圈面积为固定值时，电磁耦合机构的互感是由其磁感应强度决定的，因此采用电磁仿真软件AnsoftMaxwell来分析其磁感应强度。在仿真过程中令发射端和接收端绕线的匝数一定(均为1)，传输距离一定(均为5cm)，当接收线圈在发生水平移动时，则耦合机构的耦合面积会减少，相应的其耦合系数也会降低，同样的通过仿真得出的结论如下图1所示。通过上图1可以得出的结论是：组合线圈在发生水平横移是其耦合系数衰减幅度要小于一般单线圈形式，因此在设计电动汽车电磁耦合无线充电系统时线圈最好采用组合线圈

5、形式。第3期田子良：基于电磁感应的无线电能传输线圈结构研究与设计33—◆一嘲形线矧—■一多边形—●一矩形线圈—*一组合线圈180160140锄1201008060水’¨情}≥图1线圈互感和水平偏移量关系曲线3．2耦合线圈结构设计与仿真通过上面的分析可知对于静止式的电动汽车无线充电方式，其耦合系数对接收线圈和发射线圈之间的自由度的要求较高，而组合线圈对线圈的偏移容忍度较高，又考虑到普通组合线圈的矩形折角处磁损耗比较大，因此本文提出了一种圆角矩形的组合线圈(DRD，DoubleRoundD)形式。其绕线方式如

6、下图2所示。图2圆角矩形组合线圈绕线方式接下来，主要对不同线圈结构在空间自由度上的进行对比试验，验证本文设计的合理性。本文采用水平螺旋线圈和DRD线圈进行对比实验，实验设计的两种线圈的导线的线径相同，绕制的线圈结构的面积相同，对比两者之间在空间上进行横向偏移纵向偏移的能力。由于本次实验的线径较小，大约为2mm左右，在水平螺旋线圈上通电时，当电压的有效值超过3V时线圈发热比较严重，故设定实验的电压有效值为2．085V，频率为50Hz。水平螺旋线圈的匝数为20匝，DRD线圈有四个圆角矩形，每个圆角矩形的匝数为

7、5匝。实验所用两种线圈的线径和面积均相等，实验平台搭建如下图3所示。如上图3所示，实验没有进行电容补偿，也未添加磁芯，仅针对不同线圈的输入输出电压进行测定，在同等输入电压、线圈线径、线圈面积的情况下，比较两种线圈的输出电压有效值，实验分为两个方面。3．2．1传输距离实验分别对两种线圈在线圈中心线未发生偏离的情况进行的实验，在传输距离分别为1、2、3、4、5cm下测得接收端的电压有效值如下图4所示。图4两种线圈不同传输距离下接收端电压有效值可以看出DRD线圈较水平螺旋线圈在水平在传输距离上具有较大的传输效率

8、。(下转第52页)52机电元件2016正6结论本文通过ANSYSworkbench软件对继电器各种工况下的温升进行了仿真分析，确认继电器内部的最高温度不超过限值，保证继电器能可靠工作。此外，通过对比仿真分析结果与实测结果的差异，并对差异原因进行分析，对温度场仿真分析模型进行了修正，修正后的模型分析结果与实际值较接近。参考文献：[1]陈德桂．虚拟样机成为开发新型低压电器的关键技术．低压电器，2002，6：3—7．[2]张冠生．电