010金属障碍物对磁耦合谐振无线电能传输系统的影响_陈琛

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加入电磁屏蔽层的磁耦合谐振式无线电能传输系统优化

加入电磁屏蔽层的磁耦合谐振式无线电能传输系统优化刘伟;陈俞强;王赟【摘要】分析了电磁屏蔽层对磁耦合谐振式无线电能传输系统耦合系数与品质因数的影响,发现其能使谐振频率发生偏移,降低系统的传输功率和效率.在此基础上,提出填充铁氧体材料的多层线圈设计方案,借助数学建模分析发现:该方案可提高系统自感和互感系数,提升系统的耦合能力和传输效率,达到优化加入屏蔽层后的无线电能传输系统参数的目的.%This paper analyzes the influence of electromagnetic shielding layer on the coupling coefficient and quality factor of the magnetically coupled resonant wireless power transfer system,which makes the reso-nance frequency shift and reduces the transmission power and efficiency of the system.On the basis of the design of multilayer coil filled with ferrite materials,by means of mathematical modeling,it is found that the scheme can improve the system of self-inductance coefficient and mutual-inductance coefficient,improve sys-tem coupling capacity and transmission efficiency,optimize wireless power transfer system parameters after adding a shielding layer.【期刊名称】《湘潭大学自然科学学报》【年(卷),期】2018(040)002【总页数】4页(P54-57)【关键词】电磁屏蔽;耦合系数;品质因数;输出功率;传输效率【作者】刘伟;陈俞强;王赟【作者单位】广东工业大学华立学院机电与信息工程学部,广东广州511325;广东工业大学自动化学院,广东广州510006;东莞职业技术学院计算机工程系,广东东莞523808;广东工业大学华立学院机电与信息工程学部,广东广州511325【正文语种】中文【中图分类】O152.1目前，无线电能传输主要有3种方式[1]：第一种是电磁感应耦合方式；第二种是基于微波辐射的传输方式；第三种是非辐射磁共振耦合方式，其利用两个或多个具有相同谐振频率及高品质因数的电磁系统，通过工作于特定频率谐振系统耦合作用产生电磁谐振，充分利用电磁波近场耦合谐振技术，耦合方向性强[2]，传输效率高.但是，该技术对电路、天线设计要求比较高，需要设计品质因数较高的谐振匹配天线.随着无线电能传输技术的广泛应用，公众对其非工作区电磁辐射环境及安全问题日益关注，对无线电能传输电磁问题的研究变得十分重要.通过采取合适的屏蔽措施及频率控制等优化手段，保证系统的电磁环境符合相关国际、国内标准.但是，电磁屏蔽措施的实施，会影响传输系统功率和效率，所以，在处理好电磁环境安全技术问题同时，要对无线传输系统参数进行优化设计，保证系统传输功率和效率不受影响.本文分析了电磁屏蔽层对系统性能的影响，并提出了相应的优化措施.1 电磁屏蔽层对无线电能传输系统的影响无线电能传输系统的结构是：高频变换电源产生直流电压，经电力电子变换电路输出高频电压，再经谐振补偿网络产生谐振电压提供给原边线圈，经过电磁耦合，拾取线圈电磁感应后产生的电流经过谐振电路和高频整流后给负载供电.为了减少传输系统电磁辐射，在线圈外侧放置金属板电磁屏蔽层，在高频电磁场影响下，屏蔽层金属板产生涡流，涡流产生的磁场与原磁场反向，并且随着频率的变大而增大，可以抵消部分原磁场.但是，屏蔽层金属板的存在会影响线圈的自感，随着金属板越靠近线圈自感越小.线圈外侧加入屏蔽层后发射线圈的磁力线到接收线圈的磁通减少，影响到两个线圈之间的耦合，使两个线圈之间的互感减小 [3-4].因此，无线电能传输系统设置屏蔽层后传输系统自感和互感系数会发生变化.根据系统谐振频率公式自感系数变小，使谐振频率增大，传输系统发生谐振频率偏移现象.2 多层线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统2.1 铁氧体材料提高线圈耦合能力无线电能传输系统线圈间存在空气，属于松耦合，传输能量损耗大.为了提高系统耦合能力，根据互感经验公式M≈πμ0μrN2R4/2D3和自感经验公式L≈μ0μrN2πR4/2，用铁氧体(锰锌)材料填充线圈空心处，增大线圈内部介质的磁导率，当线圈产生高频电流时，铁氧体内部的磁畴取向一致，在其他参数不变的情况下，可以增大传输线圈互感和自感系数 [4].可补偿因屏蔽层加入对谐振频率的影响，使得系统参数保持稳定，优化后的屏蔽机构设计如图1所示.2.2 多层线圈谐振器结构的自感和互感为了减少电磁屏蔽层对传输系统参数的影响，稳定系统谐振频率，采用多层线圈结构谐振器设计，如图2所示，线圈间的连接方式采用正向串联方法.这种线圈的自感可以看作由两个相互重叠的电感连接组成，而多层线圈之间会产生较强的互感，使得线圈的电感得到很大提升.多层线圈的电感如下：L≈L1+L2+…+Ln+2(M12+M13+…+M1n+M23+…+M(n-1)n).(1)根据式(1),多层线圈电感随着层数的增多，电感值将会急剧增大，由于层间的距离变大，增速将会变得缓慢.多层线圈结构设计，有利于线圈自感系数的提高.由谐振电路品质因数公式Q=ωL/R可知: 增大自感系数，有利于谐振电路品质因数的提高，高品质因数的谐振传输系统不仅能完成持续的能量耦合，还能使整体能量衰减速度降低.采用多层线圈结构设计，可提高线圈互感系数，多层线圈的互感可以表示为每个发射端单层线圈与每个接收端单层线圈之间的互感叠加，即M≈M11′+M12′+…+M1n′+M23′+…+Mnn′.(2)根据互感经验公式M≈πμ0μrN2R4/2D3可知，在相同距离下，多层线圈的互感值是单层线圈的3～4倍[4].互感系数的提高，极大地增加了发射线圈和接收线圈的耦合强度，从而改善了系统的传输能力.3 多层线圈谐振系统的输出功率与效率分析3.1 多层线圈无线传输系统建模与分析基于多层线圈磁耦合谐振技术的无线电能传输系统的等效电路如图3所示.采用相同尺寸和机械结构的发射和接收线圈，谐振器模块由发射线圈、发射端补偿电容、接收线圈，以及接收端补偿电容组成.发射端与接收端一般采用结构参数和电参数相等的对称结构，使两端保持相同的谐振频率，接收端由高频整流稳压和负载组成[5-6].RP和RS分别表示发射线圈和接收线圈的内阻，M是两个线圈之间的互感，uP为高频功率放大器提供的等效交流电源，RL为等效负载阻抗。

WPT系统磁耦合特性测量方法研究与装置开发

WPT系统磁耦合特性测量方法研究与装置开发李榜;陈为【摘要】在无线电能传输(WPT)产品的研发阶段,需要测量和评估发射线圈(TX)和接收线圈(RX)发生位置偏移时磁场感应强度(B)、耦合系数(k)和效率(η)的变化情况.设计了一套三维扫描定位的自动测量系统.通过上位机远程控制下位机和测量设备,可以获得位置、磁耦合参数的数据.上位机将数据保存在Excel里,通过调用MATLAB脚本绘制的k、η或者B在空间平面上分布的三维图形.通过与多匝平面螺旋空心线圈的理论计算对比,验证了测量方法以及系统的精度及其可靠性.【期刊名称】《电测与仪表》【年(卷),期】2019(056)001【总页数】7页(P146-152)【关键词】WPT;磁耦合;自动测量;三维扫描系统【作者】李榜;陈为【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院,福州350000;福州大学电气工程与自动化学院,福州350000【正文语种】中文【中图分类】TM9330 引言磁场耦合无线电能传输技术在消费类电子、医疗、电动汽车等领域应用广泛，被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一[1]。

考虑到WPT的应用场景，磁耦合结构的发射端线圈(TX)和接收端线圈(RX)会有一定的偏移量，所以在磁耦合产品的研发阶段，就需要评估TX和RX在空间不同偏移位置下耦合系数、效率、磁场感应强度的变化情况。

在TX和RX发生相对偏移时，耦合系数和效率都在发生改变，所以在研发阶段需要准确知道各个偏移位置上的k和η的大小，以便在研发阶段就留有偏移裕量，保证产品的性能，提升用户体验。

另外在WPT系统的研发阶段还需要知道空间各个位置的磁场分布情况，有利于耦合系数和效率的提高。

现有的应用在无线充电领域的测量装置主要是：通过直流源、电子负载来获得电压电流,进而获得效率值；通过阻抗分析仪获得电感值进而获得耦合系数；通过近场探头和频谱分析仪来获得磁场感应强度。

然而，这些数据的获取往往依靠人工数据记录，程序相当繁琐且可重复性差，更难以获得空间不同平面上k、η或者B的分布特性。

磁耦合谐振无线传输系统传输特性的研究及优化

0 引言
在全球经济化高速发展的今天，世界各国都在经受着能源短缺及环境污染的巨大压力。对于我国这样的人口大国而言，经济增长所带来的环境污染问题尤为突出[1]。
电动汽车无线充电技术是一种新型的充电方式，它避免了传统有线充电方式的电源电线频繁拔
基金项目：国家自然科学基金重点支持项目资助(U1766209)
第 48 卷第 9 期 2020 年 5 月 1 日
DOI: 10.19783/ki.pspc.190754
电力系统保护与控制
Power System Protection and Control
Vol.48 No.9 May 1, 2020
磁耦合谐振无线传输系统传输特性的研究及优化
焦宇峰 1，李锐杰 2，宋国兵 3
This work is supported by Key Program of National Natural Science Foundation of China (No. U1766209). Key words: magnetic coupling resonance; wireless energy transfer; transmission characteristics; efficiency optimization; adaptive particle swarm optimization
Supply Company, State Grid Shaanxi Electric Power Supply Company, Xi’an 710032, China; 3. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

耦合谐振系统中基于Fano共振的光学压力传感器

耦合谐振系统中基于Fano共振的光学压力传感器
陈召;马昕新;李童;王艺霖
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2024(73)8
【摘要】光学压力传感器在微小形变检测、环境监测以及医学领域等方面具有非常重要的作用.然而,外加压力与谐振腔形变前后的光学响应之间的定量关系很难获得.本文提出了一种基于金属-介质-金属波导的耦合谐振腔系统用于实现光学压力传感器.利用有限元方法对该系统的力学特性以及受力前后的光学传输特性进行详细分析.仿真结果显示谐振腔的最大形变量与所施压力呈简单的线性关系.给出了光学压力传感器灵敏度的直接定义,并基于条形腔与槽形腔耦合产生的Fano共振现象,获得了灵敏度为6.75 nm/MPa的光学压力传感器件.除此之外,添加了stub谐振腔,获得了双Fano共振现象,且随着外部压力的变化,两个Fano线型表现出不同的变化规律;特别地,合适的压力数值可使得双Fano共振变成单Fano共振.该结构的特点适用于不同压力下的光学性质变化检测、化学高压实验测量和化学反应动力学过程的研究.
【总页数】7页(P131-137)
【作者】陈召;马昕新;李童;王艺霖
【作者单位】北京化工大学数理学院;山西大学光电研究所
【正文语种】中文
【中图分类】R28
【相关文献】
1.基于耦合H型谐振腔的双重Fano共振研究
2.基于半圆形与矩形谐振腔耦合结构的Fano共振
3.双耦合谐振子Fano共振特性的实验设计与研究
4.基于单挡板的MDM波导侧向耦合谐振腔的Fano共振及传感特性
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电磁耦合谐振式无线电能传输实验研究

电磁耦合谐振式无线电能传输实验研究秦玉伟【摘要】搭建了一种电磁耦合共振原理的无线电能传输装置,介绍了电磁耦合共振式无线电能传输原理,测量了线圈不同耦合距离下的输出电流和输出功率,获得了其关系曲线,并进行了分析.实验结果表明,在0～8 cm范围内,该装置能够有效进行能量传输,可靠性好、电路简单、成本低.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2016(034)001【总页数】4页(P41-44)【关键词】电磁耦合;共振;无线电能传输【作者】秦玉伟【作者单位】渭南师范学院物理与电气工程学院,陕西渭南714099;陕西省X射线检测与应用研究开发中心,陕西渭南714099【正文语种】中文【中图分类】TH741无线电能传输（wireless power transmission，WPT）是利用电磁场或电磁波进行能量传递的一种电能传输技术，能够避免供电电源和负载之间复杂的电线或电缆连接，减少电力传输线的摩擦、磨损和裸露引起的安全隐患［1］.在易燃、易爆等特殊工作环境下，该技术能够减少电弧或电火花引起的用电事故，提高供电的安全性和可靠性，在电动汽车、航空航天、移动设备、医疗仪器以及矿井、化工、石油、水下等特殊场合拥有广阔的应用前景［1-3］.与传统的电能传输方式相比，无线电能传输技术具有方便灵活、环境适应性强、安全可靠等优点.2006年11月，麻省理工学院（MIT）的Marin Soljacic教授在美国AIP工业物理论坛上提出了磁耦合谐振方式的无线电能传输理论，并在距离2m处成功点亮1盏60W的灯泡，为中、短距离的无线电能传输技术开辟了一个新的研究方向，成为国内外科研工作者的研究热点［4］.磁耦合谐振式技术是一种中等距离无线电能传输技术，对环境影响小，具有安全、稳定、高效等优点，在中距离的电能传输上具有重要的研究价值和广泛的应用前景［5-9］.本文搭建了一种磁耦合共振原理的无线电能传输装置，在完成电能传输的基础上，对传输电流、传输功率等特性进行了实验研究.无线电能传输是以电磁耦合为原理的一种新型无接触电能传输装置，由前端能量发射部分和后端能量接收部分组成［10］.发射电路由驱动部分和发射线圈两部分组成，驱动部分将直流电转换为高频交流电信号传输至发射线圈以激发磁场，线圈将电能转化为磁能进行传输，实现电能与磁能之间的相互转变［11］.接收线圈将磁能转换为电能，能量接收部分将高频信号进行整流最终提供给负载，原理如图1所示.谐振式电磁耦合无线电能传输系统利用了电磁耦合与谐振原理，发射电路由高频振荡电路和功率放大电路组成，高频振荡电路产生与发射电路固有频率相同的高频信号，使发射电路产生谐振，在发射线圈中产生高频电流，使发射线圈产生高频磁场.接收线圈和发射端具有相同的固有谐振频率，接收到高频磁场后，产生同频率的感应电流，并发生谐振，通过能量接收电路整流为负载供电，因此，两线圈之间通过磁场耦合，实现无线电能传输，增大了传输距离，提高了传输效率.由单片机STC89C52输出PWM波控制开关管的开关频率及通断时间，控制发射电路的E类功率放大电路，激发线圈与电容的并联谐振使发射线圈进行电能与磁能的转化.理想情况下，E类功率放大的场效应管开关闭合和开关打开过程中，电流与电压相位差为180°，不会同时出现电压和电流，电流电压的波形没有重叠，因此E类功率放大的功耗接近于零，传输效率高［12-13］.理论上，E类功率放大器传输效率可以到达100%，能够在保证输出效率不受影响的前提下，具有较大范围的输出功率调节，如图2所示.接收电路主要由接收线圈和整流滤波电路组成，接收线圈将磁能转化为电能，线圈匝数必须保持与发射电路相同，才能使得两个线圈具有相同的谐振频率，达到谐振点.接收线圈感应出的交变电流，通过全桥式整流电路得到直流电流，通过电容进行滤波处理，并转化为负载直接使用的直流电，完成无线电能传输的功能.使用功率为1W的大功率LED作为直流负载，以直观地显示无线电能传输效率，如图3所示.在耦合谐振式无线电能传输装置中，发射线圈和接收线圈均采用铜漆包线绕制而成，漆包线线径为0.8mm，发射线圈和接收线圈匝数均为8匝，直径均为10 cm.首先使用4只额定功率为1W 的LED灯进行传输特性测试，后将电位器接入负载电路，改变电位器阻值来测量输出电压变化，不同线圈间距所对应的输出电压，输出电流及输出功率的数值如表1所示.根据表1数据所示，绘制线圈距离与输出电流、输出功率的关系图，如图4所示.可以看出，随着线圈间距的变大，输出电流呈非线性曲线急剧下降，在线圈间距为8 cm处，电流下降为零，说明线圈间距变大，耦合效率变低，电流损耗较大，如图4（a）所示.同样，输出功率随线圈间距的增大而迅速降低，如图4（b）所示. 由实验结果可知，接收线圈与发送线圈之间的距离在不断增加的情况下，无线电能传输系统输出功率在逐渐减少.谐振式磁耦合无线电能传输系统虽然处在谐振状态，但传输系统的输出功率不仅会受到线圈半径、线圈形状等线圈本身因素的影响，还会受到线圈间距离和负载等因素的影响.耦合磁场强弱受发射线圈与接收线圈之间的距离变化影响，磁场强弱影响输出电流的大小，当发射线圈与接收线圈之间距离逐渐增大时，发射线圈与接收线圈之间的耦合磁场逐渐变弱，输出电流逐渐减小，输出功率降低.设计的谐振式磁耦合无线电能传输系统实现了电能传输功能.本研究得到了不同传输距离的情况下，接收端输出电流的变化，并计算出不同线圈距离下对应的传输功率，分析得出电能传输系统输出功率随着收发线圈距离的增加迅速衰减的结论.【相关文献】［1］黄学良，谭林林，陈中，等.无线电能传输技术研究与应用综述［J］.电工技术学报，2013，28（10）：98-103.［2］薛慧，刘晓文，孙志峰.基于磁耦合谐振的无线电能传输系统负载特性研究［J］.工矿自动化，2015，41（3）：66-70.［3］李阳，杨庆新，陈海燕，等.无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析［J］.电工电能新技术，2012，31（3）：31-39.［4］李阳，杨庆新，闫卓，等.无线电能有效传输距离及其影响因素分析［J］.电工技术学报，2013，28（1）：106-112.［5］景无为，黄学良，陈琛，等.多组无线电能传输系统间效率影响因素分析［J］.电工技术学报，2015，30（14）：457-462.［6］汪强，李宏.基于磁耦合谐振的无线电能传输系统的研究［J］.电子技术应用，2011，37（12）：72-75.［7］何茜，朱栋山，潘银松.无线电能传输系统原理分析与设计［J］.微型机与应用，2009（23）：60-62.［8］骆彦廷，杨拥民，陈仲生.磁耦合谐振式无线电能传输系统建模与分析［J］.中国集成电路，2013（8）：46-51.［9］吴嘉迅，吴俊勇，张宁，等.基于磁耦合谐振的无线能量传输的实验研究［J］.现代电力，2012，29（1）：24-28.［10］陈文仙，陈乾宏，张惠娟.电磁共振式无线电能传输系统距离特性的分析［J］.电力系统自动化，2015，39（8）：1-11.［11］翟渊，孙跃，戴欣，等.磁共振模式无线电能传输系统建模与分析［J］.中国电机工程学报，2012，32（12）：155-160.［12］薛伟民，戴卫力，唐伟，等.基于E类放大器的无线电能传输系统的参数设计与仿真［J］.科学技术与工程，2013，13 （22）：99-103.［13］苏黎，王向展.一种高效率低谐波失真E类射频功率放大器的设计［J］.国外电子测量技术，2006，25（3）：23-26.。

金属异物对电动汽车无线充电系统影响分析

量传输性能的方法。
目前国内外关于磁共振耦合式无线能量传输技
术的研究还处于起步阶段，对于无线充电系统的异物检测技术的研究也处于起步阶段。针对无线充电
在无线能量传输领域引起巨大的反响，使无线能量
收稿日期：２０１６ — ０６ — ２９
２电动汽车无线充电系统等效电路分析
电动汽车无线充电系统工作原理如图１所示。通常来讲，完整的电动汽车充电系统应包括市电、整
基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１５ＢＡＧ１７Ｂ０６）、北京市科技计划项Ｅｔ（Ｄ１５１１０９００２９００００）
全隐患进行了分析，最后进行了实验验证。
电系统能量传输区域中出现异物时，无线能量传输
系统的传输功率和传输效率会下降。因此，有必要
对混入金属的无线系统中的金属异物、保持系统能
技术。这种技术可以实现较远距离、大功率的能量传输。东京大学的学者依据此特点认为磁谐振耦
合式无线充电技术十分适用于电动汽车无线充
［７］提出了一种外加金属检测装置的方法来检测金
金属异物对电动汽车无线充电系统影响分析

磁耦合无线电能传输系统异物检测技术综述

磁耦合无线电能传输系统异物检测技术综述一、本文概述随着科技的快速发展，磁耦合无线电能传输（Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transfer, MCRWPT）技术在众多领域展现出了巨大的潜力和应用价值。

本文旨在综述磁耦合无线电能传输系统中异物检测技术的研究进展，探讨其在提高系统安全性和稳定性方面的重要性。

本文将介绍磁耦合无线电能传输系统的基本原理和工作模式，阐述其在电动汽车、移动设备充电、医疗设备等领域的应用前景。

接着，文章将重点分析异物检测技术在MCRWPT系统中的应用，包括异物检测的方法、技术挑战以及解决方案。

本文还将探讨当前异物检测技术的研究热点和发展趋势，如基于信号处理的方法、机器学习算法的应用、以及新型传感器技术的集成。

同时，对于异物检测技术在实际应用中可能遇到的问题，如环境干扰、成本控制、检测精度等，本文也将进行深入分析和讨论。

文章将总结磁耦合无线电能传输系统中异物检测技术的未来发展方向，并提出相应的研究建议，以期为相关领域的科研人员和工程技术人员提供参考和启示。

二、磁耦合无线电能传输系统概述磁耦合无线电能传输（Magnetic Coupling Wireless Power Transfer，MCWPT）是一种基于磁场耦合原理的非接触式电能传输技术。

它利用发射端和接收端之间的磁场耦合效应，实现电能的无线传输。

与传统的有线电能传输方式相比，MCWPT技术具有更高的灵活性、安全性和便捷性，因此在电动汽车、移动设备、水下设备等领域具有广泛的应用前景。

MCWPT系统主要由电源、发射线圈、接收线圈、负载和控制系统等部分组成。

电源为系统提供稳定的直流或交流电能，发射线圈将电能转换为磁能并通过磁场传递给接收线圈，接收线圈再将磁能转换回电能供给负载使用。

控制系统则负责监测和调整系统的运行状态，确保电能传输的稳定性和效率。

在MCWPT系统中，磁场耦合是关键环节。

磁耦合谐振式无线电能传输效率影响因素分析

第 31卷第 1 期 2019年 3 月
河南工程学院学报（自然科学版）
JOURNAL OF HENAN UNIVERSITY OF ENGINEERING
Vol. 3 1 , No. 1 Mar.2 0 1 9
磁耦合谐振式无线电能传输效率影响因素分析
乔振朋，郭果，郭凯，李茹勤，刘涛，余开伟，贾颖涛，裴东良 (国网河南省电力公司检修公司，河南郑州 450007)
如何提高磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率是人们目前关注的重点 [7_9]，系统频率、负载、传输距离和谐振线圈（线圈半径、线圈匝数、线圈导线半径）等参数都是影响系统传输效率的重要因素。本研究通过电路理论得出系统传输效率的表达式，进而通过 MATLAB仿真分析系统的传输效率随系统频率、负载、传输距离和线圈参数的变化规律，以期为设计磁耦合谐振式无线电能传输系统提供参考和借鉴。
摘要：对磁耦合谐振式无线电能传输系统模型进行分析，采用电路理论得出系统传输效率的表达式。通过 M ATLAB仿
真得出系统传输效率随系统频率、负载、传输距离和谐振线圈参数变化的规律，得出磁耦合谐振式无线电能传输系统对系统

金属障碍物对磁耦合谐振无线电能传输系统的影响

金属障碍物对磁耦合谐振无线电能传输系统的影响陈琛;黄学良;孙文慧;谭林林;强浩【摘要】近年来,基于无线电能传输技术的各类系统受到越来越广泛的关注.大多数关于磁耦合谐振式无线电能传输技术的研究集中于能量在自由空间中传播的情况,本文针对无线电能传输系统可能遇到金属介质障碍物的情况进行了探讨.分别将障碍物置于发射端一侧、接收端一侧以及发射端和接收端之间,并对其进行仿真分析及实验验证.仿真结果显示金属障碍物的设置对系统附近磁场有明显影响,与实验结果一致.并且证明,通过调节可调电容,可以使系统输出功率大致恢复到无障碍物时的水平.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2014(029)009【总页数】5页(P22-26)【关键词】无线电能传输;磁耦合谐振;障碍物;仿真【作者】陈琛;黄学良;孙文慧;谭林林;强浩【作者单位】东南大学电气工程学院南京 210096;东南大学电气工程学院南京210096;东南大学电气工程学院南京 210096;东南大学电气工程学院南京210096;东南大学电气工程学院南京 210096【正文语种】中文【中图分类】TM154;TM461 引言目前，无线电能传输技术是国内外研究的热点，源源不断的科学家、工程师投身到该领域的研究中，越来越多的新方法、新理念层出不穷。

短短几年的发展，该技术已经被广泛应用于电动汽车、便携式移动设备、医疗器械、水下潜艇等不同领域[1-3]。

国内外的研究大多集中于能量在自由空间中传播的情况[4-8]。

然而随着无线电能传输技术的推广，其应用环境也日趋复杂。

在系统周围，可能会在不同位置出现不同材质的障碍物。

障碍物的出现将对系统的工作状态产生很大的影响，甚至会导致系统失谐而不能正常工作。

一些学者已经对某些状况下的系统干扰问题进行了研究[9,10]，对设置在系统周围固定位置的金属干扰体进行了分析。

本文在此基础上，通过有限元分析软件COMSOL对铁质障碍物处于不同位置时系统周围磁场进行了仿真，分析了对系统能量传输的影响。

一种应用于磁耦合谐振无线电能传输的单层阵列传感线圈式异物检测系统及其消盲方法[发明专利]

专利名称：一种应用于磁耦合谐振无线电能传输的单层阵列传感线圈式异物检测系统及其消盲方法
专利类型：发明专利
发明人：魏小钊,赵健,刘昊,贺翔,陈岑,李暖暖,张小斐,郭志民,毛万登,马斌,耿俊成,张亚飞,尚博文,张壮壮,宋彦楼
申请号：CN202210272619.2
申请日：20220318
公开号：CN114567086A
公开日：
20220531
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种应用于磁耦合谐振无线电能传输的单层阵列传感线圈式异物检测系统及其消盲方法，所述检测系统包括发射端和接收端，发射端包括异物检测单层阵列传感线圈、发射线圈、发射端磁屏蔽层和发射端磁芯，接收端包括接收线圈、接收端磁屏蔽层和接收端磁芯；所述异物检测单层阵列传感线圈由若干个小尺寸的传感单元构成，所述若干个传感单元均匀密布，完整覆盖整个检测区域，不留任何空余空间，实现直接盲区的消除。

本发明通过在异物检测系统工作时间内，各阵列式传感单元呈现按一定频率和规律的动态工作与停止，当某异物恰巧落在某特定反串联传感单元的间接盲区内时，其他反串联传感单元则能够实现对该异物的有效检测，实现间接盲区的消除。

申请人：国网河南省电力公司电力科学研究院
地址：450052 河南省郑州市二七区嵩山南路85号
国籍：CN
代理机构：郑州知己知识产权代理有限公司
代理人：向长丽
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用准静态谐振腔实现自由空间无线电能传输

第２７卷㊀第３期２０２３年３月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Ｅｌｅｃｔｒｉｃ㊀Ｍａｃｈｉｎｅｓ㊀ａｎｄ㊀Ｃｏｎｔｒｏｌ㊀Ｖｏｌ２７Ｎｏ３Ｍａｒ.２０２３㊀㊀㊀㊀㊀㊀用准静态谐振腔实现自由空间无线电能传输陈希有１ꎬ㊀韩守鹏１ꎬ㊀齐琛１ꎬ㊀王杨２ꎬ㊀周思岑３(１.大连理工大学电气工程学院ꎬ辽宁大连１１６０２４ꎻ２.大连理工大学物理学院ꎬ辽宁大连１１６０２４ꎻ３.上海核工程研究设计院有限公司ꎬ上海２０００３０)摘㊀要:为了使运动工作和随意摆放的设备得到高效利用ꎬ从而不断提高人们生活品质和生产效率ꎬ人们迫切希望能够以无线方式为这些设备提供电力ꎬ而不是依赖导线连接电源或者停下工作来充电ꎮ据此ꎬ利用准静态谐振腔原理ꎬ初步研究了在特定三维空间内ꎬ为静止或运动设备无线供电的技术ꎮ根据准静态谐振腔结构和电磁场分布特点ꎬ给出了准静态谐振腔电磁场各坐标分量的直观近似表达式ꎮ在此基础上ꎬ分析了接收线圈的感应电动势和腔体的功率损耗ꎬ以及传输效率的一般表达式ꎮ制作了２.０８ˑ２.０８ˑ１.１２ｍ３的立方体且带一对电极的准静态谐振腔ꎬ并针对接收线圈的自转和公转等运动ꎬ开展了传输功率与传输效率的实验研究和相同条件下的仿真研究ꎬ实现了在手持且运动状态下为手机无线充电的功能ꎮ关键词:无线电能传输ꎻ动态无线供电ꎻ准静态谐振腔ꎻ运动设备ꎻ功率损耗ꎻ公转ＤＯＩ:１０.１５９３８/ｊ.ｅｍｃ.２０２３.０３.００７中图分类号:ＴＭ７２４文献标志码:Ａ文章编号:１００７－４４９Ｘ(２０２３)０３－００６９－１０㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:２０２２－０５－１３基金项目:国家自然科学基金(５１８７７０２５ꎬ５１９０７０１５)作者简介:陈希有(１９６２ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ教授ꎬ研究方向为无线与单线谐振电能传输技术ꎻ韩守鹏(１９９６ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为无线电能传输技术ꎻ齐㊀琛(１９８６ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ研究方向为无线电能传输ꎻ王㊀杨(１９９７ )ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为非线性光学ꎻ周思岑(１９９３ )ꎬ女ꎬ工程师ꎬ研究方向为核电站低压配电系统及无线通信系统ꎮ通信作者:齐㊀琛Ｆｒｅｅｄｏｍｓｐａｔｉａｌｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｕｓｉｎｇｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｙＣＨＥＮＸｉ￣ｙｏｕ１ꎬ㊀ＨＡＮＳｈｏｕ￣ｐｅｎｇ１ꎬ㊀ＱＩＣｈｅｎ１ꎬ㊀ＷＡＮＧＹａｎｇ２ꎬ㊀ＺＨＯＵＳｉ￣ｃｅｎ３(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＤａｌｉａｎ１１６０２４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓꎬＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＤａｌｉａｎ１１６０２４ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＳｈａｎｇｈａｉＮｕｃｌｅａｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈａｎｇｈａｉ２０００３０ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｕｓｅｏｆｍｏｖｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｒａｎｄｏｍｌｙ￣ｐｌａｃｅｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎬｔｈｅｒｅｂｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｐｅｏｐｌｅｓｌｉｆｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬｐｅｏｐｌｅａｒｅｈｏｐｉｎｇｔｏｐｒｏｖｉｄｅｐｏｗｅｒｔｏｔｈｅｓｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｒｅｌｅｓｓｌｙꎬｒａｔｈｅｒｔｈａｎｒｅｌｙｉｎｇｏｎｗｉｒｅｓｔｏｃｏｎｎｅｃｔｔｏａｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｏｒｓｔｏｐｗｏｒｋｉｎｇｔｏｃｈａｒｇｅ.Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｙｗａｓｕｓｅｄｔｏｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙｓｔｕｄｙｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｌｙｐｏｗｅｒｉｎｇｓｔａｔｉｏｎａｒｙｏｒｍｏｖｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎａｓｐｅｃｉｆｉｃｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐａｃｅ.Ａｃ￣ｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎬｔｈｅｉｎｔｕｉｔｉｖｅａｐ￣ｐｒｏｘｉｍａｔｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓｏｆｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｙｅｌｅｃｔｒｏｍａｇ￣ｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｗｅｒｅｇｉｖｅｎ.Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓꎬｔｈｅｉｎｄｕｃｅｄｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌꎬｔｈｅｐｏｗｅｒｌｏｓｓｏｆｔｈｅｃａｖｉｔｙꎬａｎｄｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ａｃｕｂｉｃｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔ￣ｉｃｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｙｗｉｔｈａｓｉｚｅｏｆ２.０８ˑ２.０８ˑ１.１２ｍ３ａｎｄａｐａｉｒｏｆｅｌｅｃｔｒｏｄｅｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄꎬａｎｄｅｘｐｅｒ￣ｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｎｄｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌ.Ｉｔｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｆｕｎｃ￣ｔｉｏｎｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈａｒｇｉｎｇｆｏｒｍｏｂｉｌｅｐｈｏｎｅｓｉｎｔｈｅｈａｎｄ￣ｈｅｌｄａｎｄｍｏｖｉｎｇｓｔａｔｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｆｅｒ(ＷＰＴ)ꎻｄｙｎａｍｉｃｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈａｒｇｉｎｇꎻｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔｉｃｃａｖｉｔｙｒｅｓｏｎａｔｏｒꎻｍｏｖ￣ｉｎｇｄｅｖｉｃｅꎻｐｏｗｅｒｌｏｓｓꎻｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ０㊀引㊀言人们对美好生活的不懈追求ꎬ使得在空间运动或随意放置的便携设备逐渐增多ꎮ例如手机㊁平板电脑㊁笔记本电脑㊁电动理发推剪㊁扫地机器人㊁迎宾机器人等ꎮ目前ꎬ为这些设备提供电力的主要方式是用导线连接电源ꎬ或用锂电池供电ꎮ导线的拖拽与电池的频繁充电或更换ꎬ无疑影响了设备运动的灵活性和工作的持续性ꎮ由此人们期望设备能够在运动状态下进行无线充电ꎬ且充电位置足够自由ꎬ能像使用ｗｉｆｉ传输数据那样灵便ꎮ无线电能传输技术(ｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｆｅｒꎬＷＰＴ)ꎬ是一种不使用导线连接或导体接触ꎬ借助某种中间能量形式(场或波)ꎬ在适当距离内传输电能的技术[１－２]ꎬ常用在设备与电源连接的最后一步ꎮ按照中间能量形式ꎬ目前研究较多的ＷＰＴ技术可以分为:基于线圈的磁场耦合式[３－７]㊁基于电容极板的电场耦合式[８－１１]ꎬ以及基于声电换能器的超声波耦合式[２ꎬ１２－１３]ꎮ为了更好地利用ＷＰＴ技术ꎬ人们开展了许多各具特色的研究ꎮ例如ꎬ能量的双向传输[１５]ꎻ利用双频段实现能量与信号的同步传输[１６]等ꎮ由于上述耦合单元能量发送与接收的固有特性ꎬ用这些方式进行无线电能传输时ꎬ一般要求接收设备与发射设备相距较近ꎬ且相对静止或者自由度受限的运动ꎬ以确保耦合单元的能量传递关系不发生明显变化ꎬ从而获得稳定的传输功率ꎬ例如旋转运动或平面运动ꎮ而在现实生活中ꎬ手机㊁手环㊁理发工具等用电设备ꎬ工作时它们在三维空间自由移动ꎮ平板电脑㊁笔记本电脑等ꎬ它们在工作时虽然不是自由运动ꎬ但它们的放置却是很随意的ꎮ因此ꎬ需要探索一种在较大三维空间内ꎬ且方向性不强的无线电能传输技术ꎬ以满足这些特殊设备对灵活供电的需求ꎮ在微波领域ꎬ谐振腔(ｃａｖｉｔｙｒｅｓｏｎａｔｏｒꎬＣＲ)用来选择指定频率的无线电信号或储存电磁能量ꎮ谐振腔是由金属材料包裹而成的空腔ꎬ微波探针将特定频率的电磁波注入腔体ꎬ电磁波便在其中振荡分布ꎮ这个特定的频率可以使腔体内的电磁能量达到谐振状态ꎬ该频率由腔体结构尺寸来决定ꎮ设想把谐振腔的空间设计得足够大ꎬ那么腔体内的电气设备便可在较大空间范围内接收到电磁能量ꎮ但是ꎬ目前对该方向的研究刚刚起步ꎬ主要体现在迪士尼公司等研究人员的系列成果ꎮ２０１４年Ｍ.Ｊ.Ｃｈａｂａｌｋｏ等[１７]提出了使用空心金属结构的电磁共振模式ꎬ为内部任何地方的小型接收器以无线方式提供电能ꎮ研究了谐振腔与接收器之间的耦合关系ꎮ２０１５年在文献[１８]中ꎬ他们分析了腔体和接收回路储存的能量ꎬ以及它们传输的能量ꎬ进而利用耦合模原理推导了能量耦合系数的解析表达式ꎬ以及谐振腔到小线圈的功率传输效率ꎬ为谐振腔式ＷＰＴ奠定了一种理论基础ꎮ他们使用两个谐振模式ꎬ即Ｔ０１１和Ｔ０１２ꎬ演示了一个直径为３英寸的接收器ꎬ可以在大约１４０立方英尺的谐振腔中的任何位置接收电能ꎬ传输效率大于５０％ꎮ他们的工作频率在１９０ＭＨｚ附近ꎮ为了避免使用耦合模和有限元仿真的复杂分析过程ꎬ２０１６年ꎬ文献[１９]提出了谐振腔无线供电系统的一般电路模型ꎮ用该模型计算的传输效率与实测效率误差在５％以内ꎮ使用两种谐振腔工作模式的组合ꎬ即ＴＥ０１１和ＴＥ０１２ꎬ传输效率大约３０％ꎮ２０１７年ꎬ日本学者在文献[２０]中对多个位置的无线馈电进行了研究ꎬ证实了时分馈电方式优于对所有接收端同时馈电方式ꎮ在实验模型中采用金属网全屏蔽的方法ꎬ对无电池传感器进行了功率传输实验ꎬ确认可以通过谐振腔驱动无电池传感器ꎮ在上述谐振腔内不可避免地存在着电场ꎬ这会令人不安ꎬ因为在相同能量密度下ꎬ电场对微电子设备和生物的负面影响大于磁场ꎮ因此ꎬ迪士尼研究人员Ｍ.Ｊ.Ｃｈａｂａｌｋｏ等ꎬ又在文献[２１]中对谐振腔进行了改进ꎮ他们将电场集中在电容器中ꎬ仅让磁场分布在腔体内ꎬ并且用传导电流来激励ꎬ从而构成类似ＬＣ结构的谐振回路ꎮ由于谐振频率较低ꎬ谐振腔在准静态场条件下工作ꎬ因此称为准静态谐振腔(ｑｕａｓｉ￣ｓｔａｔｉｃｃａｖｉｔｙｒｅｓｏｎａｔｏｒꎬＱＳＣＲ)ꎮ他们制作了示０７电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀范系统ꎬ体积为５４ｍ３ꎮ几乎在谐振腔内的任何位置ꎬ均可为小型接收线圈提供电能ꎮ分析了磁场与电场分布ꎬ以及品质因数及耦合系数ꎮ在此基础上ꎬ根据耦合模原理ꎬ计算了传输效率ꎮ理论值在４０％到９５％ꎮ他们还利用比吸收率(ｓｐｅｃｉｆｉｃａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｒａｔｅꎬＳＡＲ)的概念ꎬ通过仿真对安全性进行了评估ꎮ结果表明ꎬ电极通过１４０Ａ电流时ꎬ谐振腔内的磁场对人体仍然是安全的ꎮ为了避免在腔体中使用电极带来的不便ꎬ并使腔体内磁场均匀化ꎬ文献[２２－２３]研究了一种采用双模式技术的ＱＳＣＲ:依赖电极模式(ｐｏｌｅｄｅｐｅｎｄ￣ｅｎｔꎬＰＤ)和不依赖电极模式(ｐｏｌｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔꎬＰＩ)ꎮ两种模式可以交替工作ꎬ也可以同时工作ꎮ有限元模拟结果表明ꎬ如果单独采用无电极模式ꎬ可将功率传输到５４ｍ３容积的９３％ꎬ效率超过５０％ꎮ如果综合使用无电极模式和有电极模式ꎬ能够以超过６６％的效率将电力输送到房间内的任何位置ꎮ密闭谐振腔虽然能够实现相对自由的无线电能传输ꎬ但却屏蔽了通信信号ꎮ为此ꎬ我国电子科技大学在文献[２４]中ꎬ提出了一种由稀疏的金属条组成的谐振腔ꎬ并进行了仿真ꎬ不仅实现了４０％到７０％的电能传输效率ꎬ还实现了腔体内外的信息通信ꎮ物联网(ＩｏＴ)的发展对ＱＳＣＲＷＰＴ提供了美好的应用前景ꎮ文献[２５]针对三方面需求(功率超过瓦级㊁目标在视线之外且对位置呈鲁棒性㊁大规模生产时能够廉价)ꎬ给出了方案的详细建议ꎬ在设计㊁实现和评价等方面ꎬ具有专门的学术贡献ꎮ文献[２６]ꎬ以植入啮齿类动物体内的电子设备为无线供电对象ꎬ接收线圈直径只有８ｍｍꎮ使用ＱＳＣＲＷＰＴꎬ用大鼠进行了九周的连续实验ꎮ结果表明ꎬ这种基于腔谐振器的ＷＰＴ系统ꎬ为动物体内的植入电子设备无线供电提供了一种简便方法ꎮ文献[２７]ꎬ提出了多模式(Ｍ￣ＱＳＣＲ)准谐振腔ꎬ多模式是指依赖电极的ＰＤ模式和独立于电极的ＰＩ模式ꎮ实验和仿真表明ꎬ可以在３ｍˑ３ｍˑ２ｍ的空间内ꎬ为手机充电㊁为电扇供电ꎬ效率３７.１％ꎬ传输功率５０Ｗꎮ文中用仿真方法分析了铝箔表面电流和空间磁场的分布ꎮ两种模式各自产生的磁场ꎬ可以覆盖另一种模式的弱场区域ꎬ从而改善磁场分布的空间均匀性ꎮ本文结合上述进展ꎬ研究了带有一对中央电极的准静态谐振腔无线电能传输ꎬ该谐振腔中主要含有变化的磁场ꎬ原理上可以提高生物安全性ꎮ考虑简单易用性ꎬ并根据准谐振腔结构和电磁场分布现象ꎬ给出了电磁场分布的直观近似表达式ꎬ以简化复杂的积分运算ꎮ在此基础上ꎬ分析了接收线圈的感应电动势和腔体的功率损耗ꎮ在实验室环境下制作了小型立方体实验装置ꎬ对接收线圈在不同位置处的传输效率或传输功率进行了仿真和实验ꎬ实现了手持手机且在运动状态下的无线充电功能ꎮ１㊀准谐振腔的构造图１为本文设计的准谐振腔结构示意图ꎮ腔体长㊁宽㊁高分别为ａ㊁ｂ㊁ｈꎬ木质框架ꎬ外表面覆盖金属铝箔ꎮ腔体中心轴线处安放上㊁下两个矩形截面的长条形金属电极ꎬ电极截面边长分别为ｐｗｉｄｔｈ和ｐｌｅｎｇｔｈꎻ上㊁下电极高度分别为ｐｕｐ和ｐｄｏｗｎꎬ并且分别与腔体的上㊁下表面连接ꎬ两电极之间留有长为ｇａｐ的间隙ꎮ集中参数电容器和高频电源串联后ꎬ接入两个电极之间ꎮ接收线圈放置在腔体内部并且可以自由移动ꎮ图１㊀准静态谐振腔构造Ｆｉｇ.１㊀ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＱＳＣＲ集中参数电容(调谐电容)用来存储电场能量ꎬ并调节系统的谐振频率ꎬ使得工作波长远大于腔体尺寸ꎬ处于准静态场状态ꎮ从电路模型的角度考虑ꎬ储存磁场能量的腔体可以抽象为电感ꎮ通过改变激励源频率或调谐电容ꎬ腔体电容器系统与激励源可以处于谐振状态ꎬ从而在腔体内部产生较强的分布性磁场ꎬ用于为电气设备传输能量ꎮ当给腔体施加激励并处于谐振状态时ꎬ电磁场的分布情况如图２所示ꎮ激励源产生的电流在电容器㊁上㊁下电极㊁腔体的上㊁下表面ꎬ以及腔体侧表面组成的路径中流动ꎬ如米字型虚线所示ꎮ该电流产生的磁场环绕在电极周围ꎬ如圆形虚线所示ꎻ腔体内还存在弱电场ꎬ如腔内竖直虚线所示ꎮ腔体中的线圈接收到磁场传递的能量ꎬ便产生感应电动势ꎬ从而实现电能的无线传输ꎮ１７第３期陈希有等:用准静态谐振腔实现自由空间无线电能传输图２㊀准静态谐振腔表面电流和内部电磁场分布Ｆｉｇ.２㊀Ｃｕｒｒｅｎｔｏｆｓｕｒｆａｃｅａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏ￣ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｆｏｒＱＳＣＲ２㊀准静态谐振腔特性分析２.１㊀电磁场的分布特性根据图２所示谐振腔的对称结构可以做如下假设:４个金属立面没有水平方向电场与电流ꎬ腔体内只须考虑竖直方向的电场ꎮ进一步假设在竖直方向上电场是均匀的ꎬ或者说用电场强度平均值代替竖直方向各位置的电场ꎮ再假设在竖直金属立面上电场为０(用理想导体来近似)ꎬ并参照谐振腔电场分布ꎬ正弦稳态下ꎬ准静态谐振腔电场分布近似描述如下:Ｅｘ＝０ꎻＥｙ＝０ꎻＥｚ＝Ｅ０ｓｉｎ(πａｘ)ｓｉｎ(πｂｙ)ｃｏｓ(ωｔ)ꎮüþýïïïï(１)其中:Ｅ０代表在腔体中心位置处ｚ轴方向的电场强度ꎬ它也是电场随ｘ㊁ｙ坐标变化的幅值ꎻ０<ｘ<ｂꎬ０<ｙ<ａꎮ再根据图２ꎬ４个金属立面的电流方向为竖直方向ꎬ所以它们内边界的磁场近似只有与立面以水平方向相切的分量ꎬ腔体内的磁场也只有水平方向ꎬ即ｘ㊁ｙ方向的分量ꎬ无竖直方向分量ꎮ合成磁场环绕腔体电极中心ꎮ因此ꎬ参照谐振腔磁场分布ꎬ准谐振腔体内的磁场可以近似描述如下:Ｈｘ＝πＥ０ωμ０ｂｓｉｎ(πａｘ)ｃｏｓ(πｂｙ)ｓｉｎ(ωｔ)ꎻＨｙ＝－πＥ０ωμ０ａｃｏｓ(πａｘ)ｓｉｎ(πｂｙ)ｓｉｎ(ωｔ)ꎻＨｚ＝０ꎮüþýïïïïïï(２)２.２㊀磁通及感应电动势的计算当接收线圈平面法线与磁场平行ꎬ且线圈尺度不大以至于线圈内的磁场可以认为处处均匀时ꎬ某些特殊位置处ꎬ通过半径为ｒ的线圈磁通可以简单计算如下:１)在ｘ＝ａ/２处ꎮ由式(２)中Ｈｘ的表达式可得ϕ(ｙꎬｔ)＝Ｂπｒ２＝μ０Ｈｘπｒ２＝π２Ｅ０ｒ２ωｂｃｏｓ(πｂｙ)ｓｉｎ(ωｔ)ꎮ(３)式中ｙ代表线圈圆心的ｙ轴坐标值ꎮ２)在ｙ＝ｂ/２处ꎮ由式(２)中Ｈｙ的表达式可得ϕ(ｘꎬｔ)＝Ｂπｒ２＝μ０Ｈｙπｒ２＝－π２Ｅ０ｒ２ωａｃｏｓ(πａｘ)ｓｉｎ(ωｔ)ꎮ(４)式中ｘ代表线圈圆心的ｘ轴坐标值ꎮ３)在任意位置处ꎮ先计算总磁感应强度为Ｂ＝μ０Ｈ２ｘ＋Ｈ２ｙꎮ(５)再设圆形接收线圈法线与磁场之间夹角为θꎬ则穿过线圈的磁通为ϕ(ｘꎬｙꎬｚꎬｔ)＝Ｂπｒ２ｃｏｓθꎮ(６)有了上述各种情况的磁通ꎬ便可通过电磁感应定律计算线圈中的感应电动势ꎮ例如ꎬ在ｘ＝ａ/２平面内ꎬ感应电动势为ｅ１(ｙꎬｔ)＝－Əϕ(ｙꎬｔ)Əｔ＝π２Ｅ０ｒ２ｂｃｏｓ(πｂｙ)ｃｏｓ(ωｔ)ꎮ(７)同理可以计算在其他位置产生的感应电动势ꎮ当接收线圈为ｎ匝时ꎬ将每匝线圈的感应电动势求和即为总的感应电动势ꎮ或者用半径为各匝线圈半径平均值ｒ的线圈磁通的ｎ倍近似计算如下:ｅ(ｙꎬｔ)＝ｎｅ１(ｙꎬｔ)＝ｎπ２Ｅ０ｒ２ｂｃｏｓ(πｂｙ)ｃｏｓ(ωｔ)ꎮ(８)利用该感应电动势和线圈及负载参数ꎬ可以计算负载接收的有功功率㊁负载电压ꎬ以及线圈功率损耗ꎮ这些都属于基本的电路问题ꎬ此处从略ꎮ２.３㊀谐振腔功耗分析将准谐振腔用于无线电能传输时ꎬ有必要分析该谐振腔的功率损耗(不再视为理想导体)ꎮ计算损耗需要电流密度ꎮ根据安培定律ꎬ可以用腔体表面磁场的切向分量Ｈτ来表达电流密度ꎬ并用下式来计算某个面的功率损耗:Ｐｓｕｒ＝１２ρ∬Ｓ｜Ｈτ｜２ｄＳꎮ(９)２７电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀其中ρ是考虑腔体表面趋肤效应时的电阻率(参见电磁场教材有关趋肤效应的叙述)ꎬ即ρ＝ωμ２σꎮ(１０)其中σ表示腔体表面材料的电导率ꎮ考虑相对的两个表面损耗相同ꎬ所以整个腔体表面损耗的一般计算公式是Ｐ＝ρ[ʏｈ０ʏｂ０｜Ｈｙ｜２ｘ＝０ｄｙｄｚ＋ʏｈ０ʏａ０｜Ｈｘ｜２ｙ＝０ｄｘｄｚ＋ʏｂ０ʏａ０(｜Ｈｘ｜２＋｜Ｈｙ｜２)ｄｘｄｙ]ꎮ(１１)经计算得Ｐ＝ρ２π２Ｅ２０ω２μ２０[ｂｈａ２＋ａｈｂ２＋ａ２ｂ＋ｂ２ａ]ꎮ(１２)由上式可知ꎬ准静态谐振腔损耗除了与表面材料电阻率和腔体尺寸参数有关外ꎬ还与工作角频率密切相关ꎮ在Ｅ０不变的条件下ꎬ提高工作频率可以显著降低准静态谐振腔损耗ꎮ２.４㊀传输最大功率时的效率分析本文着眼于传输最大功率ꎬ最大限度满足用电设备对传输功率的需求ꎮ当负载电阻与线圈电阻相等时ꎬ负载可以获得最大功率(线圈的感抗已用串联电容完全补偿)ꎮ从分析效率的角度ꎬ可以将腔体用具有输入输出功能的二端口网路来表示ꎬ如图３所示ꎮ该二端口网络的损耗为式(１２)计算的总损耗Ｐꎮ由于负载与接收线圈流过相同电流ꎬ根据电路理论ꎬ系统传输最大功率时的传输效率可按下式计算:ηｍａｘ＝(Ｐｃｏｉｌ＋Ｐｌｏａｄ)Ｐ＋(Ｐｃｏｉｌ＋Ｐｌｏａｄ)ＲｌｏａｄＲｃｏｉｌ＋Ｒｌｏａｄꎮ(１３)图３㊀计算传输效率的等效电路Ｆｉｇ.３㊀Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ３㊀仿真研究仿真中使用与实际构造的准静态谐振腔一样的尺度㊁材料和元器件参数ꎬ如表１所示ꎮ表１㊀实验用准谐振腔主要参数Ｔａｂｌｅ１㊀ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＱＳＣＲｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ㊀㊀㊀参数数值ＱＳＣＲ长ａ/ｍ２.２０ＱＳＣＲ宽ｂ/ｍ２.０８ＱＳＣＲ高ｈ/ｍ１.１２工作角频率ω/(ｒａｄ/ｓ)９.７４ˑ１０６表面电导率σ/(Ｓ/ｍ)２.７ˑ１０７真空磁导率μ０/(Ｈ/ｍ)４πˑ１０－７接收线圈匝数ｎ/匝５２接收线圈半径ｒ/ｍ０.０８负载电阻Ｒｌｏａｄ/Ω１０接收线圈内阻Ｒｃｏｉｌ/Ω１０仿真任务是研究接收线圈位置与传输功率的关系ꎮ线圈位置包括:距电极的水平距离Ｄ(简称传输距离)㊁距底面高度Ｈ㊁自转角度Φ和公转角度Θꎮ其中ꎬ自转角度表示接收线圈围绕自身中心垂线旋转的角度ꎬ起始位置平行于ｙＯｚ平面ꎬ类似地球自转运动ꎻ公转角度表示接收线圈围绕电极旋转的角度ꎬ并且线圈与电极在同一平面ꎬ起始位置也平行于ｙＯｚ平面ꎬ类似地球的公转运动ꎬ如图４所示ꎮ图４㊀接收线圈的自转和公转示意图Ｆｉｇ.４㊀Ｒｏｔａｔｉｏｎａｎｄｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌ图５为使用ＣＯＭＳＯＬ仿真时建立的仿真模型ꎮ腔体内部放置一对电极ꎬ电极横断面长４ｃｍꎬ宽３ｃｍꎬ上㊁下电极高度分别为３６.６ｃｍ和６５.１ｃｍꎮ两电极之间接入激励和调谐电容ꎮ当调谐电容为６ｎＦ时ꎬ系统的谐振频率为１.５５ＭＨｚꎮ接收线圈初始与ｙＯｚ平面平行且与中心电极在同一平面ꎬ等效电感为１８３μＨꎬ计算得串联调谐电容为５７ｐＦꎮ接收线圈内阻的测量值为１０Ωꎬ故选择１０Ω电阻负载ꎬ以便实现阻抗匹配并获得最大功率ꎮ３７第３期陈希有等:用准静态谐振腔实现自由空间无线电能传输图５㊀准静态谐振腔仿真模型Ｆｉｇ.５㊀ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＱＳＣＲ用仿真得到的传输效率与水平距离Ｄ的关系㊁传输效率与接收线圈距底面高度Ｈ的关系分别如图６(ａ)㊁(ｂ)所示ꎮ按照式(１３)和表１参数所做的理论计算ꎬ系统传输效率为４８％ꎬ而仿真值平均为４２.５％ꎮ图６㊀传输效率与传输距离和接收线圈位置高度的关系Ｆｉｇ.６㊀Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｖｓｐｏｓｉｔｉｏｎｈｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌ由图６(ａ)可见ꎬ传输距离对传输效率影响比较明显ꎬ这是因为远离电极的位置ꎬ其磁场按倒数关系减弱ꎮ因此ꎬ要获得不明显依赖传输距离的磁场ꎬ单对电极是不够的ꎮ由图６(ｂ)可见ꎬ接收线圈距底面高度对传输效率影响较小ꎬ说明磁场在竖直方向上变化较小ꎬ因而所做的均匀假设是合理的ꎬ这对无线电能传输有益ꎮ传输效率与接收线圈自转角度Φ的关系㊁与公转角度Θ的关系分别如图７(ａ)㊁(ｂ)所示ꎮ图７㊀传输效率与接收线圈自转和公转角度的关系Ｆｉｇ.７㊀Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｖｓｒｏｔａｔｉｏｎａｎｄｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌ图７(ａ)表明ꎬ传输效率随自转角度按周期规律变化ꎬ周期为１８０ʎꎻ传输效率随公转角度有小幅波动ꎬ波动周期为９０ʎꎮ波动的原因是谐振腔为立方体结构ꎬ在公转过程中ꎬ接收线圈与金属腔体的距离是变化的ꎮ如果腔体是圆柱形ꎬ则可以减小波动性ꎬ但制作复杂ꎬ应用背景比较少见ꎮ４㊀实验研究图８是搭建的准静态谐振腔示范性实物模型ꎬ具体参数如表１所示ꎮ腔体表面覆盖铝箔ꎮ为了方便观察和调试ꎬ留有宽１ｍ㊁高１.１２ｍ的窗口ꎮ使用２.３５ｎＦ的电容器串联在电极之间ꎬ将系统的谐振频率调整至１.５５ＭＨｚꎮ先使用图９所示的接收线圈ꎬ它是用利兹线制成的圆盘ꎬ直径１６.７ｃｍꎬ５２匝ꎬ电感为５０.４μＨꎬ电阻为６.５Ωꎮ接收线圈通过串联２１０ｐＦ的电容ꎬ将谐振频率调整至工作频率ꎮ接收线圈输出连接到１２Ｖ㊁３Ｗ的灯珠ꎮ４７电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀图８㊀准谐振腔无线电能传输系统实物构造Ｆｉｇ.８㊀ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＱＳＣＲ图９㊀接收线圈结构之一Ｆｉｇ.９㊀Ｏｎｅｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ维持发射电源电压为２０Ｖ㊁频率为１.５５ＭＨｚꎬ将接收线圈在腔体中移动ꎬ模拟移动设备在三维空间的不同位置㊁不同状态ꎬ分析传输功率的变化ꎮ实验时ꎬ利用自制的电压㊁电流无线测量模块ꎬ将接收的负载电压㊁电流以及功率的测量值ꎬ显示在腔体外的手机上ꎮ４.１㊀传输功率与接收线圈位置的关系参照仿真内容ꎬ这里分４种情况ꎮ１)传输功率与传输距离的关系ꎬ自转角为参变量ꎮ接收线圈放置在离底面４０ｃｍ的位置并逐渐从电极向外沿水平方向移动ꎬ使用３种自转角度:０㊁４５ʎ和９０ʎꎬ观察传输功率与传输距离的关系ꎬ如图１０所示ꎮ由图１０可见ꎬ在各种自转角度下ꎬ传输功率随传输距离的增加总体上减小ꎮ但当接收线圈自转角度为０即与电极处于同一平面时ꎬ在任何距离处ꎬ接收到的功率都最大ꎬ靠近电极时可达６Ｗ(用示波器计算电压与电流的乘积ꎬ再计算乘积波形的平均值ꎬ即为平均功率)ꎮ这是因为磁场是环绕电极的ꎬ所以自转角度为０时ꎬ磁场与接收线圈平面垂直ꎬ磁通量最大ꎮ磁场在同一距离处ꎬ当自转角从０到９０ʎ增加时ꎬ传输功率逐渐减小ꎮ图１０㊀传输功率与传输距离Ｄ的关系Ｆｉｇ.１０㊀ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒｖｓｔｒａｎｓｆｅｒｄｉｓｔａｎｃｅＤ实验中ꎬ测得系统传输效率最大为３８％ꎬ因为腔体㊁接收线圈都存在一定的损耗ꎮ２)传输功率与高度关系ꎬ传输距离为参变量ꎮ将接收线圈放置在距离电极中心１０ｃｍ处ꎬ并将其从腔体底面向上移动ꎬ观察传输功率与距底面高度Ｈ的关系ꎬ如图１１所示ꎮ图１１㊀传输功率与接收线圈距地高度Ｈ关系Ｆｉｇ.１１㊀ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒｖｓｐｏｓｉｔｉｏｎｈｅｉｇｈｔＨｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌ接收线圈在不同高度处测得系统传输功率变化很小ꎬ说明磁场在高度方向上很均匀ꎮ而在不同传输距离时ꎬ传输功率随传输距离的增大而降低ꎬ这与仿真图６(ａ)的结论是一致的ꎮ３)传输功率与自转角度关系ꎬ传输距离为参变量ꎮ５７第３期陈希有等:用准静态谐振腔实现自由空间无线电能传输将接收线圈置于４０ｃｍ高度处ꎬ且距离电极中心４６ｃｍꎬ使其做自转运动ꎬ观察传输功率与自转角度Φ的关系ꎬ如图１２所示ꎮ图１２㊀传输功率与接收线圈自转角度Φ的关系Ｆｉｇ.１２㊀ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒｖｓｒｏｔａｔｉｏｎａｎｇｌｅΦｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌ实验结果表明ꎬ旋转一周ꎬ接收功率与自转角度关系有两个极大值点ꎬ分别对应０和１８０ʎꎮ这是因为在这两个角度下ꎬ接收线圈平面与磁场垂直ꎬ因而磁通变化最大ꎮ当接收线圈在电极附近时ꎬ接收线圈收到的功率最大为４Ｗꎬ最小为１Ｗꎬ可以满足小功率用电负载需求ꎮ４)传输功率与公转角度的关系ꎬ传输距离为参变量ꎮ将接收线圈置于４０ｃｍ高度处ꎬ且距离电极中心４６ｃｍꎬ观察传输功率与公转角度Θ的关系ꎬ如图１３所示ꎮ图１３㊀传输功率与接收线圈公转角度Θ的关系Ｆｉｇ.１３㊀ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒｖｓｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｇｌｅΘｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｏｉｌ图１３中每条曲线对应公转一周ꎬ各曲线均存在４个极大值点ꎬ对应的公转角度分别为０㊁９０ʎ㊁１８０ʎ和２７０ʎꎮ每条曲线波动的幅度很小ꎬ表明公转角度对传输功率影响甚微ꎮ实验中ꎬ当接收线圈在电极附近时ꎬ接收功率为４.１Ｗꎮ４.２㊀准静态谐振腔为手机无线充电实验按照普通手机大小ꎬ用ＰＣＢ技术重新制作了接收线圈ꎮ该线圈的线宽为０.５１ｍｍꎬ单层线圈ꎮ在ＰＣＢ的另一面连接了整流㊁稳压电路ꎬ如图１４所示ꎮ经测ꎬ线圈电感为１６７μＨꎬ电阻为７.４Ωꎮ针对１.５５ＭＨｚ的工作频率ꎬ串联调谐电容为６２ｐＦꎮ图１４㊀手机无线充电用ＰＣＢ线圈结构Ｆｉｇ.１４㊀ＰＣＢｃｏｉｌａｐｐｌｉｅｄｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｍｏｂｉｌｅｐｈｏｎｅ图１５为手持智能手机进行动态无线充电实验场景ꎮ为了看清充电现象ꎬ实验时将手机与接收线圈分开放置ꎮ当接收线圈平面与磁场垂直时ꎬ充电效果最好ꎻ而当接收线圈自转９０ʎꎬ变成与磁场平行时ꎬ充电效果最差ꎮ手机在电极附近ꎬ且发射电源输出电压为２０Ｖ时ꎬ输入电流为０.７Ａꎬ手机接收功率５Ｗꎬ传输效率最高ꎬ约３５.７％ꎮ将手机逐渐远离电极中心ꎬ直到最远位置ꎬ将发射电源电压增加到５０Ｖꎬ仍可以为手机供电ꎬ此时输入电流为１.７Ａꎮ因此ꎬ通过调节系统输入功率ꎬ准静态谐振腔的供电范围可以覆盖整个腔体ꎮ图１５㊀手机动态无线充电实验现场Ｆｉｇ.１５㊀Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｔｅｏｆｍｏｂｉｌｅｐｈｏｎｅｄｙｎａｍｉｃｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈａｒｇｉｎｇ６７电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀５㊀结㊀论同基于线圈的磁场耦合式ＷＰＴ和基于极板的电场耦合式ＷＰＴ技术相比ꎬ准静态谐振腔式ＷＰＴ技术ꎬ可以在较大的空间内产生某种较均匀磁场ꎬ便于为空间运动的设备动态无线充电ꎮ本文分析了立方体准静态谐振腔电磁场分布ꎬ以及腔体表面损耗ꎮ分别利用仿真和实验ꎬ观察了传输效率及传输功率与传输距离㊁接收线圈高度㊁接收线圈的自转角度㊁公转角度的关系ꎮ传输距离和接收线圈自转角度对传输效果影响较大ꎮ利用准谐振腔实现了手持手机的动态无线充电ꎮ本文研究的准静态谐振腔式ＷＰＴ技术还很初级ꎬ使用一对电极ꎬ只能产生一种环形磁场ꎮ虽然在较大空间可以接收磁场能量ꎬ但需要接收线圈平面与电极平行ꎬ这给使用带来不便ꎮ如果增加电极对数ꎬ例如三对ꎬ并使它们相互垂直且比较隐蔽ꎬ它们分别产生绕自身旋转的磁场ꎮ根据叠加原理ꎬ接收线圈的感应电动势ꎬ等于这３个磁场单独存在时产生感应电动势的叠加ꎬ这样就不要求接收线圈保持严格的方向性ꎮ在较大空间范围内用准静态谐振腔无线传输电能ꎬ传输效率虽然偏低ꎬ但手机等便携设备本身的耗电量很小ꎬ低效率并不会带来能量的明显浪费ꎮ在电能日益丰富的未来ꎬ方便性更胜于传输效率ꎮ另外ꎬ当接收设备增多时ꎬ传输效率可以随之提高ꎮ参考文献:[１]㊀薛明ꎬ杨庆新ꎬ章鹏程ꎬ等.无线电能传输技术应用研究现状与关键问题[Ｊ].电工技术学报ꎬ２０２１ꎬ３６(８):１５４７.ＸＵＥＭｉｎｇꎬＹＡＮＧＱｉｎｇｘｉｎꎬＺＨＡＮＧＰｅｎｇｃｈｅｎｇꎬｅｔａｌ.Ａｐｐｌｉｃａ￣ｔｉｏｎｓｔａｔｕｓａｎｄｋｅｙｉｓｓｕｅｓｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[Ｊ].ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙꎬ２０２１ꎬ３６(８):１５４７.[２]㊀李阳ꎬ石少博ꎬ刘雪莉ꎬ等.磁场耦合式无线电能传输耦合机构综述[Ｊ].电工技术学报ꎬ２０２１ꎬ３６(Ｓ２):３８９.ＬＩＹａｎｇꎬＳＨＩＳｈａｏｂｏꎬＬＩＵＸｕｅｌｉꎬｅｔａｌ.Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｕ￣ｐｌｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｆｅｒ[Ｊ].ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙꎬ２０２１ꎬ３６(Ｓ２):３８９. 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磁耦合谐振式无线电能传输技术研究进展

1综述作者简介：程丽敏(1988- )，女，硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术。

磁耦合谐振式无线电能传输技术研究进展程丽敏，崔玉龙(北京化工大学信息科学与技术学院，北京 100029)摘要：作为一种无线电能传输(WPT)方式，磁耦合谐振式无线电能传输距离为几十厘米，传输效率可以达到90%，传输功率可以达到千瓦级。

对磁耦合谐振式WPT 系统的整体结构类型，谐振器的拓扑结构类型，提高传输距离、传输效率和传输功率的方法及谐振频率分裂等几方面进行了研究。

总结了国内相关高校的研究成果，并给出了该技术的应用前景及存在问题。

关键词：磁耦合谐振式；无线电能传输；发展现状；存在问题；应用前景中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2012)12-0001-05Abstract: As a mean of wireless power transmission (WPT), magnetic coupling resonant wireless power transmission distance can be from scores of centimeters to several meters, transmission ef ﬁ ciency can reach 90%, and transmission power can reach kilowatt grade. Study was carried out for whole structure category of magnetic coupling resonant WPT system, topologic structure category of resonator, improvement of transmis-sion distance, transmission ef ﬁ ciency and transmission power methods and resonant frequency split etc aspects. Summary was made for study results of related colleges and universities at home and the application prospect of the technology and existing problems was given.Key words: magnetic coupling resonant type; wireless power transmission; present development situation; existing problem; application prospectCHENG Li-min, CUI Yu-long（College of Information Science&Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China ）Magnetic Coupling Resonant Type Wireless Power TransmissionTechnology Study Progress0 引言无线电能传输(WPT)技术是不使用导线连接而通过电场、磁场、激光等软介质实现的电能传输方式。

中性点不接地系统铁磁谐振影响因素与抑制措施研究

通过仿真方式模拟并记录谐振产生时的电压电流值，见表 4。
表 4 不同接地电阻值下铁磁谐振的变化记录表
No.
接地电阻值 35kV母线电压系统中性点电压 35kV母线PT电流
（Ω）
（p.u.）
（kV）
（mA）
1
0.5
1.68
27.81
269.7
2
1.0
1.68
27.82
269.6
3
2.0
1.69
27.82
在此基础上，根据上述图 1 可以看出，此变电所中母线共有 5 条出线，出线参数见表 2。
1.3 电压互感器（PT）空载伏安接线设计
35kV 中性点不接地系统接线上的所有 PT 均被称之为母线 PT，在深入研究中发现，造成系统在运行中发生铁磁谐振的主要原因是 PT 的非线性，因此，要确保构建模型符合规范，就需要掌握 PT 在空载条件下运行的励磁特性 [4]。在高压侧进行 PT 空载运行测试，测试中的接线示意图如图 2 所示。在该基础上构建单相 PT 的仿真模型，如图 3 所示。
电压和谐波谐振特性的影响 [J]. 浙江电力，2023，42（2）：1-8.
停电检修后对电压互感器进行外观检查及试验，检查后 [4] 刘战磊，曾祥君，喻锟，等 . 基于不平衡过电压动态抑制
发现，电压互感器外观表面正常，无灼烧、裂纹等情况。对的谐振接地配电网单相接地故障保护新方法 [J]. 电力系统保护
（3）
式中：IC' 代表架空线路无地线时的电箱接地电容电流。
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中国新技术新产品 2023 NO.12（上）
工业技术
当消弧线圈工作处于过补偿状态时，可以有效抑制系统 5 结语

无线电能传输磁耦合机构磁心解析模型与设计方法

无线电能传输磁耦合机构磁心解析模型与设计方法
陈雨晨;陈凯楠;郑树轩;赵争鸣
【期刊名称】《电气技术》
【年(卷),期】2022(23)6
【摘要】本文研究含平板型磁心的磁耦合机构磁心厚度对电感的影响,建立磁心厚度对电感影响的解析模型。

基于作者团队在前期研究中的等效磁路划分与磁阻计算,本文给出磁心磁阻的计算公式,对比之前不考虑磁心磁阻的磁路模型,给出新的考虑磁心磁阻的磁路,得到磁心厚度对电感的解析模型。

结合线圈电流计算磁心临界饱和的厚度,给出磁心厚度设计下限。

有限元仿真研究表明,本文提出的模型与有限元仿真结果吻合。

根据该模型结合双LCC电路拓扑进行优化设计,最终制作出一台3.3kW的无线电能传输样机,其传输功率和效率均满足设计要求,验证了该设计优化方法的正确性和适用性。

【总页数】10页(P83-92)
【作者】陈雨晨;陈凯楠;郑树轩;赵争鸣
【作者单位】清华大学电机工程与应用电子技术系
【正文语种】中文
【中图分类】TM4
【相关文献】
1.磁耦合谐振式无线电能传输系统阻抗分析与匹配电路设计方法
2.应用于磁耦合谐振式无线电能传输系统的高效率E类逆变电源设计方法
3.基于Maxwell的无线电
能传输耦合机构的磁屏蔽分析4.谐振式磁耦合无线电能传输系统传输特性及实验仪设计5.基于遗传算法的磁耦合无线电能传输系统耦合机构参数识别方法
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磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率分裂抑制研究

磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率分裂抑制研究磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率分裂抑制研究随着无线通信技术的发展，无线电能传输作为一种有前途的能源传输方式受到了广泛关注。

在无线电能传输系统中，磁耦合谐振方式被广泛应用。

然而，磁耦合谐振式无线电能传输系统在应用过程中往往会遇到频率分裂的问题，即系统产生多个谐振点，从而导致能量传输效率降低。

因此，研究磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率分裂抑制成为了一个迫切需要解决的问题。

频率分裂是由于无线电能传输系统的频率特性不稳定导致的。

在传统的磁耦合谐振式无线电能传输系统中，磁振子之间的耦合强度和谐振频率往往受到环境温度、湿度、材料特性等因素的影响，从而导致系统频率发生变化。

当系统频率发生变化时，原本设计好的谐振点会分裂成多个谐振点，从而降低了能量传输效率。

因此，如何抑制磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率分裂成为了一个重要的研究课题。

一种常见的频率分裂抑制方法是通过引入定频方法来解决。

定频方法是指在谐振电容电感的基础上引入固定频率的电源，通过调节电容和电感的数值使得系统达到固定频率的谐振点。

通过控制系统的电源频率，可以有效抑制系统频率分裂的发生。

然而，这种方法需要引入外部电源，增加了系统的复杂性和成本，同时也对环境的适应性有一定的限制。

另一种常用的频率分裂抑制方法是基于自适应控制的方式。

自适应控制方法通过监测系统的频率变化情况，采用反馈控制的方式调整系统的参数，使得系统能够自动调整到设定的谐振频率。

这种方法不需要引入外部电源，可以实现系统的自动调节，减少了对环境的依赖性。

然而，自适应控制方法需要实时监测系统的频率变化情况，并且需要设计合适的控制算法，对系统的稳定性和性能要求比较高。

除了引入定频方法和自适应控制方法外，还有一些其他的方法可以抑制磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率分裂。

例如，可以通过优化材料特性和结构设计来改善系统的稳定性。

合理设计谐振器的结构形状和尺寸，选择合适的材料，可以减小系统频率对外界环境的影响，从而减少系统频率的波动，提高系统的稳定性。

基于阻抗特性的电动汽车无线充电系统异物检测方法

基于阻抗特性的电动汽车无线充电系统异物检测方法唐春森;钟良亮;吴新刚;苏炳柯;钟明祥【摘要】针对无线充电系统中金属及生物体异物的检测问题,本文围绕线圈阻抗的变化特性进行分析,利用在高频下金属物体对线圈磁场分布的影响以及生物体对线圈杂散参数的影响,提出了一种基于阻抗特性的异物检测方法.本文详细分析了不同类型异物引起的检测线圈阻抗变化特性,并通过大量实验数据进行了验证,在此基础上总结了不同类型和尺寸的异物对应的线圈阻抗变化规律.本文所提的异物检测方法能够区分异物的类型和尺寸,使无线充电系统能够采取更优化的处理异物的措施,具有成本低、效果好、稳定可靠等优点.【期刊名称】《电气技术》【年(卷),期】2018(019)006【总页数】7页(P7-13)【关键词】电动汽车;无线充电;阻抗特性;金属检测;生物体检测【作者】唐春森;钟良亮;吴新刚;苏炳柯;钟明祥【作者单位】重庆大学自动化学院,重庆 400044;国网宁波供电公司,浙江宁波315000;北京智芯微电子科技有限公司,北京 102200;重庆大学自动化学院,重庆400044;国网宁波供电公司,浙江宁波 315000【正文语种】中文目前，电动汽车在高速发展[1]，其充电站几乎都采用有线充电方式，但是有线充电的发展普遍存在着一些问题，其依靠导体直接接触实现电能的传输，会产生接触不可靠、接触电阻温度升高引起损坏、充电头笨重、插拔不方便以及环境适应性不好等问题。

电动汽车无线充电技术采用高频耦合磁场，把能量从电网无线传输到电动汽车对电池进行充电，充电过程可以自动进行，无需人为干预，具有便捷、安全、灵活等优点，已成为新能源汽车领域的研究热点，受到电动汽车行业的广泛关注[2-5]。

对于无线充电系统而言，其水平铺置的能量发射与接收线圈之间存在一个大功率高频磁场区域，该区域容易进入异物，如果是金属类异物，就可能会因为涡流损耗发热而导致危险，而且较大尺寸的金属异物还会改变耦合机构的参数，可能会使系统偏离正常工作点，严重情况下会使系统完全无法正常工作[6]。

电动汽车无线充电时的电磁环境及安全评估

电动汽车无线充电时的电磁环境及安全评估陈琛;黄学良;谭林林;闻枫;王维【摘要】近来,无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注,同时,该技术也被尝试应用于电动汽车以实现电动汽车的无线充电.与能量在自由空间传播相比,电动汽车无线充电时的电磁环境有很大不同,而电磁安全问题也变得日益突出.基于上述问题,首先分析了该领域的安全限制与标准问题;其次通过仿真分析了电动汽车充电时的参数变化、电磁环境以及对人体的影响;最后通过电动汽车试验来验证仿真结果,系统实现了约为3.5 kW的能量传输.该研究可为无线充电电动汽车的优化设计提供理论依据.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2015(030)019【总页数】7页(P61-67)【关键词】电磁场;电动汽车;无线电能传输;谐振【作者】陈琛;黄学良;谭林林;闻枫;王维【作者单位】东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212000;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212000;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212000;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212000;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212000【正文语种】中文【中图分类】TM154;TM46随着能源危机和环境污染问题的日益加深，发展电动汽车(EV)被世界公认为解决方法之一[1]。

随着电动汽车的快速增长，必然会对电动汽车的充电方式多样化和方便性提出更高要求。

目前各国电动汽车的充电主要以充电站、充电桩或换电池的模式为主，而电池充电站的建设成为制约电动汽车发展的最大瓶颈。

无线电能传输技术(WPT)作为一项新兴技术，目前已经商业化运作，主要应用于手机、计算机、随身听等小功率设备的充电上，而基于无线电能传输技术的电动汽车也成为各大汽车厂商及科研机构的关注焦点[2]。

基于新型超材料结构的高效率发射天线技术研究综述

基于新型超材料结构的高效率发射天线技术研究综述作者：杨琬琛车文荃陈东旭陈思来源：《南京信息工程大学学报（自然科学版）》2017年第01期摘要近年来，超材料打破了传统材料或结构的物理极限，为高效率发射天线的发展开辟了崭新的研究空间，获得了愈来愈广泛的关注。

首先介绍了超材料的理论和结构研究概况，然后针对几种新型超材料技术在提高平面天线单元效率的研究工作进行了详细介绍和分析，包括非周期超材料技术、超材料作为新型辐射元或低剖面反射板等方面。

最后，针对无线能量收集系统对高效率天线阵列的需求，介绍了高次模激励技术和新型低损耗传输线技术，以此降低阵列馈电网络的损耗，从而提高系统的整体效率。

关键词超材料；低损耗；非周期；高次模；效率中图分类号TP13文献标志码A收稿日期20161127资助项目国家自然科学基金青年基金项目（61601224）；江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20160844）作者简介杨琬琛，女，博士，讲师，主要研究方向为微波/毫米波天线、新型超材料天线等。

yangwanchen@1南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京，2100940 引言天线作为无线通信系统中不可或缺的一个组成部分，主要功能除了用来辐射和接收电磁波以外，也是一个好的能量转换器，能很好地完成高频电流或导波与同频率无线电波的转换。

天线辐射效率用来表征高频能量与无线电波能量之间的转换程度，是衡量系统性能的一个重要指标。

尤其在微波能量收集应用中，探究高效率的发射天线技术受到越来越广泛的关注。

平面天线因具有较低的剖面、易于系统集成等优点，被广泛应用于各种无线通信系统中。

其中，微带天线以其结构简单、体积小、成本低等特性受到广泛的关注。

但是，单个微带天线增益偏低，存在介质损耗和表面波损耗，辐射效率较低，在应用时需要较多的单元构成大型平面阵列天线，导致馈电网络复杂，馈线损耗变大，最终也会造成天线效率的显著下降。

近年来，由于超材料（Metamaterials）具有在自然界中并不存在但极具价值的电磁特性，打破了传统材料或结构的物理极限，为经典电磁理论的发展拓展了更大的空间，因此其研究也获得了愈来愈广泛的关注。

应用于无线电能传输系统的金属异物三级定位检测系统设计

㊀㊀㊀㊀收稿日期:2020-01-18;修回日期:2020-03-20基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(51607110)通信作者:夏能弘(1982-),男,博士,副教授,主要从事电磁场数值计算㊁无线电能传输的研究;E -m a i l :a c a d e m i c s h i e p@163.c o m 第37卷第2期电力科学与技术学报V o l .37N o .22022年3月J O U R N A LO FE I E C T R I CP O W E RS C I E N C EA N DT E C H N O L O G YM a r .2022㊀应用于无线电能传输系统的金属异物三级定位检测系统设计王跃跃,夏能弘(上海电力大学电气工程学院,上海200090)摘㊀要:磁谐振式无线电能传输基于高频交变磁场耦合,当有金属异物侵入时,异物产生的涡流效应会给系统带来不可忽视的安全隐患㊂目前无线电能传输系统金属异物的检测主要基于异物造成的功率损耗和热效应,存在延时性高㊁参数提取复杂等缺陷㊂在此背景下,提出一种基于三级线圈的新型金属异物定位检测系统,第1㊁2级线圈均由2个并列矩形单元检测线圈构成,两级线圈布置方向相互垂直,实现金属异物在充电范围四分之一区域内的简单定位;第3级线圈由刚好覆盖发射线圈的4个等腰三角形单元检测线圈构成,实现金属异物在充电范围八分之一区域内的定位检测㊂以发射线圈面积为340mmˑ280mm 的无线电能传输系统为载体进行验证,实验结果表明:当检测阈值电压低至1.4V 时,该异物检测系统能够有效检测到边长仅为20mm 的正方体铁块㊂关㊀键㊀词:磁谐振式无线电能传输;金属异物;三级检测线圈;单元检测线圈D O I :10.19781/j.i s s n .1673-9140.2022.02.024㊀㊀中图分类号:TM 72㊀㊀文章编号:1673-9140(2022)02-0205-08Ad e s i g no f t h r e e -s t a g e l o c a t i o na n dd e t e c t i o n s y s t e mf o r t h em e t a l l i c f o r e i g nb o d ya p p l i e d i n t h ew i r e l e s s p o w e r t r a n s f e r s ys t e m WA N G Y u e y u e ,X I A N e n g h o n g(E l e c t r i c a l P o w e rE n g i n e e r i n g o f S h a n g h a iU n i v e r s i t y o fE l e c t r i cP o w e r ,S h a n gh a i 200090,C h i n a )A b s t r a c t :T h em a g n e t i c r e s o n a n t c o u p l i n g b a s e dw i r e l e s s p o w e r t r a n s f e ru t i l i z e s t h eh i g h -f r e q u e n c y a l t e r n a t i n g m a g-n e t i c f i e l d c o u p l i n g f u n d a m e n t a l l y .O n c e am e t a l l i c f o r e i g nb o d y i n v a d e s ,t h e e d d y c u r r e n t e f f e c t g e n e r a t e db yt h e f o r -e i g nb o d y m a y b r i n g c o n s i d e r a b l e s e c u r i t y r i s k s t o t h e s y s t e m.A t p r e s e n t ,t h e d e t e c t i o nm e t h o d s o fm e t a l l i c f o r e i gn b o d y i n t h i sw i r e l e s s p o w e r t r a n s f e r s y s t e ma r em a i n l y b a s e d o n p o w e r l o s s a n d t h e r m a l e f f e c t c a u s e d b y f o r e i g n b o d y.I t s d o m i n a t e d i s a d v a n t a g e s r e l a y m a i n l y o n t h e h i g hd e l a y a n d c o m p l e x p a r a m e t e r e x t r a c t i o n .U n d e r t h e b a c k g r o u n d ,an e wd e t e c t i o n s y s t e mo fm e t a l l i c f o r e i g nb o d y l o c a t i o nb a s e do n t h r e e -s t a g e c o i l i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r .T h e f i r s t a n d s e c o n d s t a g e c o i l s a r e c o m p o s e do f t w o p a r a l l e l r e c t a n g u l a ru n i td e t e c t i o nc o i l s .T h es e c o n ds t a g e sc o i l sa r ea r -r a n g e d p e r p e n d i c u l a r t o e a c ho t h e r t o a c h i e v e t h e s i m p l e p o s i t i o n i n g o fm e t a l l i c f o r e i g nb o d y i na q u a r t e r o f t h e c h a r -g i n g r a n g e .T h e t h i r d s t a g e c o i l i s c o m p o s e do f f o u r i s o s c e l e s t r i a n g u l a r u n i t d e t e c t i o n c o i l s t h a t ju s t c o v e r t h e t r a n s -m i t t i n g c o i l .T h e l o c a t i n g d e t e c t i o no fm e t a l l i c f o r e i g nb o d y w i t h i no n e e i g h t ho f t h e c h a r g i n g r a n ge i s t h e nr e a l i z e d .Copyright ©博看网. All Rights Reserved.电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报2022年3月F i n a l l y,am a g n e t i c r e s o n a n t c o u p l i n g b a s e dw i r e l e s s p o w e r t r a n s f e r s y s t e m w i t h a n a r e a o f340mmˑ280mmt r a n s-m i t t i n g c o i l i s a p p l i e d f o r v e r i f i c a t i o n.I t i s s h o w n t h a t a s q u a r e i r o nb l o c kw i t h s i d e l e n g t h a s s m a l l a s20mmc a nb e d e t e c t e db y t h e s y s t e m w h e n t h e t h r e s h o l dv o l t a g e i s1.4V.K e y w o r d s:M R C-W P T;m e t a l l i c f o r e i g nb o d y;t h r e e-s t a g e d e t e c t i o n c o i l;u n i t d e t e c t i o n c o i l㊀㊀无线电能传输技术具有方便㊁灵活㊁可靠的供电特点,改善了传统有线输电线路老化㊁场地受限等缺陷,受到越来越多的关注[1]㊂发展至今,该技术在功率㊁效率和传输距离等方面的研究日趋成熟,各种无线电能传输产品相继问世,并能较好满足用户需求[2-4]㊂磁耦合谐振式无线电能传输技术(w i r e l e s s p o w e rt r a n s f e rv i a m a g n e t i cr e s o n a n c ec o u p l i n g, W P T/M R C)利用具有相同谐振频率线圈经高频交变磁场耦合实现电能的无接触式传输[5-8]㊂W P T/ M R C相较于电磁感应式和电场耦合式,不仅可以减小系统对周围环境的磁场辐射,且因其在传输距离㊁传输功率以及传输效率等方面的均衡表现,使其特别适用于电动汽车等较大功率㊁中远距离无线充电领域,成为无线电能传输技术的研究热点[9]㊂实际应用中W P T/M R C仍需克服一些重要问题㊂侵入系统中的金属异物在交变磁场作用下会产生涡流损耗,研究表明,在不考虑散热㊁厚度为15μm的铝箔侵入传输功率为6.6k W的系统时,其温度能够在4m i n内提升到130ħ,如不及时处理,不仅造成系统的功率损耗,降低系统传输效率,还对系统运行的安全性和可靠性造成影响[10-12]㊂为保证系统传输效率,提高系统安全性和可靠性,采用不同原理的金属异物检测方法成为无线电能传输技术研究的热点㊂根据传输功率的变化对金属异物进行检测是最常见的方法,但由于体积小的金属异物造成的功耗有限,在大功率传输系统中检测精度较低[13]㊂还有研究人员提出热成像探头检测法,该方法和常见方法相比,检测灵敏度有一定的提高,但热成像探头脆弱易损坏,检测只能在异物造成功耗㊁温度升高后进行,存在延时性㊂通过附加检测线圈,利用金属异物涡流和磁效应对异物进行检测具有良好的实时性和灵敏性㊂W i T r i c i t y公司提出一种利用平衡检测线圈对金属异物进行检测的方法,具有较高灵敏性和可靠性[14]㊂韩国科学技术院(K A I S T)提出了一种双用途非重叠金属异物检测系统,不仅实现了一个硬币的定位检测,而且可以确定接收线圈的位置,及时对偏移进行调整保证系统的传输效率[15]㊂但该系统输出参数多,参数提取困难,增加了后续传感电路设计复杂度和故障机率,且该方法存在检测死区,降低了系统的可靠性㊂本文提出一种利用三级线圈实现金属异物检测及定位的方法㊂该检测线圈由单匝利兹线绕成,造价低㊁绕制简单㊂紧贴发射线圈的检测线圈通过金属异物引起的感应电压变化检测异物,并通过三级线圈相互配合实现异物定位㊂用户可根据自身需求调整检测精度,具有较高的灵活性㊂该检测方法参数提取简单㊁检测实时性高㊁无检测死区,可为异物后续处理创造有利条件㊂1㊀异物侵入磁场特性分析为分析金属异物对系统磁场特性的影响,并获得可靠的检测方法㊂本文在M a x w e l l中搭建磁耦合执行机构模型,如图1所示,仿真分析金属异物在不同情况下对系统原磁场磁感应强度的影响㊂模型参数如表1所示㊂本次仿真主要从金属异物材质㊁异物面积和厚度及异物所处位置这3个方面对系统原磁场磁感应强度受异物的影响机制进行比较分析㊂为使仿真结图1㊀无线电能传输系统磁耦合机构仿真模型F i g u r e1㊀S i m u l a t i o nm o d e l o fm a g n e t i c c o u p l i n g m e c h a n i s mi nw i r e l e s s p o w e r t r a n s f e r s y s t e m表1㊀模型仿真参数T a b l e1㊀P a r a m e t e r s o f s i m u l a t i o nm o d e l 发射㊁接收线圈尺寸/mm2一次侧工作电流/A传输距离/mm线圈匝数发射接收工作频率/k H z 340ˑ28021002020500602Copyright©博看网. All Rights Reserved.第37卷第2期王跃跃,等:应用于无线电能传输系统的金属异物三级定位检测系统设计果更加直观精确,在不同情况下,通过发射线圈上表面穿过异物几何中心的磁感应强度观测线反应金属异物对系统原磁场磁感应强度的影响程度㊂在高频交变磁场环境中,金属异物主要通过涡流和磁效应对磁场产生影响㊂系统工作时发射线圈中的交流电I1产生交变磁场B1,处于B1中的非铁磁性金属(铜)感应出涡电流I2,I2产生一个与系统原磁场B1方向相反的新磁场B2,金属附近磁场变成B1-B2,如图2(a)所示㊂由于铁磁特性,铁磁性金属对原磁场的影响和非铁磁性金属大不相同㊂铁磁性金属(铁)处于B1中被磁化,磁化后的金属内部磁偶极子对齐排列产生附加磁场B2,B2与原磁场B1方向一致,金属附近磁场变为B1+B2,如图（a）涡流效应（b）磁效应图2㊀金属异物产生的附加磁场与原磁场叠加示意F i g u r e2㊀D i a g r a mo fm a g n e t i c f i e l d s u p e r p o s i t i o no fm e t a l l i c f o r e i g nb o d y对于不同材质的金属异物仿真结果如图3(a)所示,正常情况下系统磁场以发射线圈中心为轴对称分布㊂异物存在时铜块和铝块侧明显低于无异物侧磁感应强度,而铁块侧明显高于无异物侧磁感应强度,与理论分析结果一致㊂值得一提的是铜和铝的电导率数量级都为-8,在系统参数一定的情况下,2种金属因涡流产生的反向磁场B2相同,仿真结果显示铜块和铝块附近磁感应强度曲线重合㊂材质相同㊁面积(mm2)和厚度(mm)不同的金属异物对磁场造成的影响不同㊂如图3(b)所示,厚度一定时铁块对原磁场磁感应强度的影响随铁块面积增大而增强;面积一定时铁块对原磁场磁感应强度的影响随铁块厚度的增加而增强㊂系统正常工作时系统磁场是对称而不均匀的,同一金属异物处于同一分区㊁不同位置时异物对磁场的影响程度不同㊂为明确此影响机制,分别在不同大小的磁场中放置同一金属异物进行仿真,仿真结果表明,金属异物对原磁场磁感应强度的影响随着原磁场磁感应强度的增大而增强㊂如图3(c)所示,发射线圈由外到内,原磁场磁感应强度从最小值增大到最大值又降至一个稳定值,当异物处于B㊁C㊁D原磁场磁感应强度较强的外围区域时,异物对原磁场的影响越大㊂（a）同一位置、大小相同、材质不同的异物（b）同一位置、大小不同的铁块（c）同一分区、不同位置、大小相同的铁块观测线长度/mm观测线长度/mm观测线长度/mm图3㊀不同情况下发射线圈上表面特定取值线上的磁感应强度仿真结果F i g u r e3㊀S i m u l a t i o n r e s u l t s o fm a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t y u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s2㊀三级线圈检测系统结构设计2.1㊀系统结构及检测原理如图4所示,本文提出的金属异物检测系统由三级线圈组成㊂第1级线圈由并行放置且刚好覆盖发射线圈的2个矩形单元检测线圈构成,定义该级2个单元检测线圈为1_1㊁1_2㊂每个单元检测线圈都是平衡线圈,即线圈两侧采用反向绕制的方式,等效电路模型如图5所示㊂702Copyright©博看网. All Rights Reserved.电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报2022年3月3_4图4㊀三级检测线圈结构F i g u r e4㊀S t r u c t u r e o f t h r e e-s t a g e d e t e c t i o n c o il2U图5㊀单元检测线圈等效电路模型F i g u r e5㊀E q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l o f u n i t d e t e c t i o n c o i l当单元检测线圈两侧磁通变化率相同时,两侧产生大小相同㊁方向相反的感应电压U1和U2㊂测量整个单元检测线圈的输出感应电压,两侧产生的感应电压相互抵消,每个单元检测线圈的输出感应电压为0V,即ΔU=U1-U2=0V㊂当金属异物侵入系统时,改变所处区域原磁场磁感应强度,进而打破与该区域对应的单元检测线圈原本平衡的状态,单元检测线圈输出的感应电压不再是0V,即ΔU= U1-U2-U Sʂ0V,其中U S为受金属异物影响的单元检测线圈感应电压㊂因此,测量各单元检测线圈的输出感应电压就可以对侵入系统的金属异物进行检测㊂第2级线圈构造同第1级线圈,但2个单元检测线圈布置方向垂直于第1级线圈中2个单元检测线圈布置方向,定义该级2个单元检测线圈为2_1㊁2_2㊂当金属异物侵入系统时,1㊁2级线圈都有与异物侵入区域对应的单元检测线圈,其通过输出感应电压做出反应,1㊁2级线圈相互配合实现异物的简单定位,即充电范围四分之一区域内的定位检测㊂第3级线圈由顶点相交㊁刚好覆盖发射线圈的4个等腰三角形单元检测线圈构成,定义该级4个单元检测线圈为3_1㊁3_2㊁3_3㊁3_4㊂等腰三角形单元检测线圈以底边高为轴,同样采用两侧反向绕制的方式,等效电路模型见图5㊂第3级线圈和前两级线圈相互配合,在前两级线圈实现金属异物简单定位的基础上,将充电范围分割成8个检测分区a㊁b㊁c㊁d㊁e㊁f㊁g㊁h,实现充电范围八分之一区域内的金属异物定位检测,如图6所示㊂该金属异物检测系统具有零检测死区的特性,即实现了覆盖范围内的全检测,系统的检测性能不会因异物某些特殊位置而受到影响,可靠性高㊂3_2图6㊀检测分区F i g u r e6㊀D i a g r a mo f d e t e c t i o n p a r t i t i o n2.2㊀系统等效电路模型分析对带有单个单元检测线圈的无线电能传输系统进行分析,其等效电路模型如图7所示,U S为高频电源,U O为检测线圈输出感应电压,R L为负载电阻;R1㊁R2㊁R3以及L1㊁L2㊁L3分别为发射线圈㊁接收线圈和检测线圈回路等效电阻和电感;M12㊁M13㊁M23分别为发射与接收㊁发射与检测以及检测与接收线圈之间互感;各谐振回路串联补偿电容为C1㊁C2㊁C3,ω为系统谐振角频率,满足ω=1/L1C1= 1/L2C2/L3C3U L图7㊀系统等效电路模型F i g u r e7㊀E q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l o fM R C-W P Ts y s t e m流过各线圈的电流分别为I1㊁I2㊁I3(图7),根据基尔霍夫电压定律(K V L)得:Z1I1+jωM12I2+jωM13I3=U SjωM12I1+Z2I2+jωM23I3=0jωM13I1+jωM23I2+Z3I3+U O=0ìîí(1)其中Z1=R1+jωL1+1/jωC1,Z2=R2+jωL2+802Copyright©博看网. All Rights Reserved.第37卷第2期王跃跃,等:应用于无线电能传输系统的金属异物三级定位检测系统设计1/j ωC 2+R L ,Z 3=R 3+j ωL 3+1/j ωC 3㊂系统谐振时有j ωL i +1/j ωC i =0i =1,2,3(),求解式(1)得到:㊀I 1=[R 3(R 2+R L )+ω2M 223]U S /[R 1(R 3㊃㊀㊀(R 2+R L )+ω2M 223)+ω2M 213(R 2+㊀㊀R L )+ω2M 212R 3-j 2ω3M 13M 12M 23]I 2=-ω2M 13M 23-j ωM 12R 3R 3(R 2+R L )+ω2M 223I 1I 3=-ω2M 12M 23-j ωM 13(R 2+R L )R 3(R 2+R L )+ω2M 223I 1ìîí(2)㊀㊀接收和检测线圈之间的距离较远且检测线圈为单匝,M 23忽略不计,传输效率为η=I 22R L /[I 21R 1+I 22(R 2+R L )+I 23R 3]=ω2R L M 212R 23/[R 3(R 2+R L )(R 1R 3(R 2+R L )+ω2M 213(R 2+R L )+ω2M 212R 3)](3)㊀㊀由式(3)可知,η与发射㊁接收及检测线圈回路多个参数有关㊂为明确检测线圈对η的影响,将η对R 3求偏导,∂η/∂R 3恒大于0,且η存在极大值,可见η随R 3增大而增大,并最终趋于不加检测线圈时系统的传输效率η0㊂η随R 3变化趋势如图8所示,检测线圈和电压表串联,检测线圈回路的电阻R 3非常大,因此,三级检测线圈对于系统传输效率几乎没有影响㊂100755025传输效率η/%检测线圈回路电阻R 3/M Ω108642η0图8㊀系统传输效率曲线F i gu r e 8㊀S y s t e mt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y c u r v e 2.3㊀确定最佳阈值电压当三级线圈工作于完全对称的磁场中,各单元检测线圈输出的感应电压为0V ,但系统实际磁场难免存在一些微小误差,导致单元平衡检测线圈的输出感应电压略高于0V ㊂为确定有效的阈值电压,本文对M a x w e l l 磁耦合执行机构模型和S i m -pl o r e r 外电路建立联合仿真,在不同情况下,将金属异物对系统磁感应强度的影响反映到检测线圈的感应电压中㊂本次仿真分别采用120mm ˑ120mm ˑ20mm 铁㊁铜和铝块模拟金属异物,分别置于图6中e 分区的中心区域㊂仿真结果如图9(a )所示,当放入铝和铜块时,单元检测线圈1_2㊁2_2㊁3_3的输出电压相同且比放入铁块时大得多㊂根据处于同一分区㊁不同位置的异物对系统原磁场磁感应强度影响程度不同的结论,以检测线圈输出较小的铁块为参照异物,当铁块处于同一分区㊁不同位置时,仿真分析检测线圈的输出情况㊂仿真结果如图9(b )所示,当铁块处于图6中B ㊁C ㊁D 磁感应强度较强的外围区域时,检测线圈输出感应电压明显大于处于A 区域时的输出感应电压㊂假设发射线圈输入的是正弦电流,则发射线圈产生的原磁场受铁块影响的变化量为ΔB =A 1c o s (ωt +θ)(4)式中㊀A 1为铁块影响发射线圈原磁场磁感应强度变化量的幅值;ω为系统谐振角频率;θ为发射线圈原磁场的初始角㊂穿过检测线圈的磁通变化量为Δϕ=ΔB ㊃S =A 1c o s (ωt +θ)㊃S (5)式中㊀S 为铁块覆盖面积㊂匝数为单匝的检测线圈中产生的感应电压U为磁通变化量对时间的导数,即U =d Δϕd t=d ΔB ㊃Sd t=-S ㊃A 1ωs i n (ωt +θ)(6)㊀㊀根据式(6),结合同一异物对磁场越强区域影响越大的结论,可知检测线圈输出的感应电压大小和发射线圈产生的磁场的幅值成正比㊂所以异物越靠近线圈外侧磁感应强度较强区域,对应的单元检测线圈输出的感应电压越大㊂为得到有效的阈值电压,需要确定对原磁场磁感应强度影响最小的金属异物处于磁感应强度最小区域时检测线圈能够检测出的异物最小面积和厚度㊂对于异物面积和厚度的仿真,本文将不同规格铁块置于磁感应强度最弱的A 区域(图6),仿真结果如图9(c )所示㊂当120mmˑ120mmˑ20mm 铁块置于A 区域时,对应单元检测线圈1_2㊁2_2㊁3_3的输出电压远远大于其他单元检测线圈的输出电压㊂随着铁块面积和厚度减小,单元检测线圈1_2㊁902Copyright ©博看网. All Rights Reserved.电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报2022年3月2_2㊁3_3的输出电压减小,其他单元检测线圈的输出电压增大㊂当20mmˑ20mmˑ10mm 铁块置于A 区域时,单元检测线圈1_2的输出电压小于没有异物时单元检测线圈1_2的输出电压,而单元检测线圈2_1的输出电压超过单元检测线圈1_2的输出电压,此时系统失去检测功能㊂综上所述,当本文取20mmˑ20mmˑ20mm的铁块处于e 分区A 区域时,与e 分区对应的3个单元检测线圈中输出感应电压最小的单元检测线圈输出电压为阈值电压,即㊂（a ）同一位置、大小相同材质不同的异物（b ）同一分区、不同位置、大小相同的铁块（c ）同一位置、大小不同的铁块感应电压/V检测线圈检测线圈检测线圈图9㊀不同情况下检测线圈输出电压的仿真结果F i gu r e 9㊀S i m u l a t i o n r e s u l t s o f d e t e c t i o n c o i l o u t p u t v o l t a ge i nd if f e r e n t c o n d i t i o n s 3㊀实验结果与分析基于三级线圈的结构设计,拟定金属异物位置参照,如表2所示㊂当金属异物侵入充电范围某分区时,对应该分区的单元检测线圈输出电压升高(ɿ表示),达到异物定位检测的目的㊂表2㊀金属异物位置参照T a b l e 2㊀R e f e r e n c e t a b l e f o r l o c a t i o no fm e t a l l i c f o r e i g nb o d y分区1_11_22_12_23_13_23_33_4a ɿ ɿ ɿ b ɿ ɿ ɿ c ɿ ɿ ɿ d ɿ ɿ ɿeɿ ɿ ɿf ɿ ɿɿg ɿɿ ɿ hɿɿɿ为验证该检测系统的实际有效性,搭建谐振式无线电能传输实验平台,如图10所示㊂实验平台几何尺寸和仿真模型参数保持一致,系统工作频率为500k H z ,输入电流为2A ,检测线圈紧附于发射线圈上表面㊂为保证实验效果,减小趋肤效应对载流导线造成的损耗,实验所用的发射㊁接收及检测线圈均用250股半径为0.1mm 的导线组成的利兹线(截面积为1.962mm 2)绕制而成㊂系统工作过程中E 类逆变器工作于Z V S 状态,大大降低了开关损耗,提高了工作可靠性㊂2号示波器1号示波器接收线圈三级检测线圈函数信号发生器电源发射线圈高频电源板图10㊀实验原型实物F i gu r e 10㊀E x p e r i m e n t a l p r o t o t y p e 没有异物侵入时各单元检测线圈输出电压波形如图11所示㊂同一级中的单元检测线圈输出电压大小相同,输出电压最大的单元检测线圈1_1输出电压峰值为1320m V ,小于阈值电压1.4V ,与仿真结果一致,符合检测要求㊂012Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第37卷第2期王跃跃,等:应用于无线电能传输系统的金属异物三级定位检测系统设计（c ）三级检测线圈输出波形（a ）一级检测线圈输出波形（b ）二级检测线圈输出波形U m1_1=1320mVU m1_2=1080mV输出电压/m V1000200015000-500500-1000-1500-20005004003002001000时间/nsU m2_1=960mVU m2_2=1200mV输出电压/m V1000200015000-500500-1000-1500-2000500400300200100时间/nsU m3_4=650mVU m3_3=1130mV U m3_1=1040mVU m3_2=850mV输出电压/m V1000200015000-500500-1000-1500-2000500400300200100时间/ns图11㊀无异物时检测线圈输出电压波形F i gu r e 11㊀O u t p u t v o l t a g ew a v e f o r mo f c o i l w i t hn o f o r e i g nb o d y将30mmˑ30mmˑ10mm 铜片置于发射线圈表面d 分区(图6),各单元检测线圈输出电压波形如图12所示㊂受铜片影响各单元检测线圈输出电压发生了明显变化㊂铜片所处区域对应的单元检测线圈输出电压明显高于无异物时各自的输出电压,而非异物区域对应的单元检测线圈输出电压比在无异物时各自的输出电压低,且输出电压升高的单元检测线圈输出电压峰值均高于阈值电压1.4V ,符合检测要求㊂实验结果表明,三级线圈检测系统可对侵入系统的金属异物做出灵敏反应,且输出电压升高的单元检测线圈与拟定的金属异物位置参照表一致,进一步证明了该系统对于金属异物定位检测的有效性㊂（a ）一级检测线圈输出波形（b ）二级检测线圈输出波形（c ）三级检测线圈输出波形U m1_1=1700mVU m1_2=971mV输出电压/m V20000-1000-2000500400300200100时间/ns1000U m2_1=1116mVU m2_2=2140mV输出电压/m V30000-1000-30005004003002001000时间/ns10002000-2000U m3_2=659mVU m3_3=1450mVU m3_4=483mV输出电压/m V16000-400-16005004003002001000时间/ns4001200-800800U m3_1=395mV -1200-5001500-1500500图12㊀30mmˑ30mmˑ10mm 铜片于d 分区时检测线圈输出波形F i gu r e 12㊀T h e o u t p u t v o l t a g ew a v e f o r mo f t h e c o i lw i t h 30mmˑ30mmˑ30mmc o p pe r s h e e t i nd p a r t i t i o n 4㊀结语针对磁谐振式无线电能传输系统金属异物侵入问题,本文设计了一种基于三级线圈的新型金属异物定位检测系统;分析了金属异物在不同情况下对系统原磁场磁感应强度的影响机制,并基于上述分析结果,阐述了三级线圈金属异物定位检测系统的工作原理㊂该系统能够在零检测死区的情况下实现充电范围八分之一区域内的金属异物定位检测,具有良好的适用性和灵敏性,且对电能的传输功率和效率不会产生影响㊂最后,通过仿真和实验验证了112Copyright ©博看网. All Rights Reserved.电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报2022年3月系统的有效性㊂该新型金属异物定位检测系统能够提高现今飞速发展的磁谐振式无线电能传输技术的安全性和可靠性,具有广阔应用前景㊂参考文献:[1]范兴明,莫小勇,张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用[J].中国电机工程学报,2015,35(10):2584-2600.F A N X i n g m i n g,MO X i a o y o n g,Z HA NG X i n.R e s e a r c h s t a t u sa n da p p l i c a t i o n o f w i r e l e s s p o w e rt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y[J].P r o c e e d i n g s o f t h eC S E E,2015,35(10): 2584-2600.[2]C H E N G Y H,WA N GGF,G HO V A N L O O M.A n a l y t-i c a lm o d e l i n g a n d o p t i m i z a t i o n o f s m a l l s o l e n o i d c o i l s f o r m i l l i m e t e r-s i z e db i o m e d i c a l i m p l a n t s[J].I E E ET r a n s a c-t i o n so n M i c r o w a v e T h e o r y a n d T e c h n i q u e s,2017,65 (3):1024-1035.[3]秦伟,张文杰,吝伶艳,等.基于失谐的无线电能传输系统抗偏移性研究[J].电测与仪表,2022,59(3):32-37. 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