一种新型凹面磁耦合谐振式无线电能传输装置_周宇航.pdf

第 36 卷第 1 期大学物理实验Vol36 No12023 年 2 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEFeb2023收稿日期:2022-10-01基金项目:2020 年第六届全国大学生物理实验竞赛一等奖文章编号:1007-2934(2023)01-0103-04一种新型凹面磁耦合谐振式无线电能传输装置周宇航，汪皓宇(陆军炮兵防空兵学院 郑州校区，河南 郑州450000)摘要:目前文献中，市场上多采用平面发射线圈、平面接收线圈实现磁耦合谐振式无线电能传输，弊端是传输效率不高。针对此弊端，设计并自制一新型凹面发射线圈。利用磁通门传感器测量磁场分布，结果表明，凹面发射线圈的磁场分布较平面发射线圈明显向中轴线汇聚;搭建实验电路进行对比实验，结果表明，对于相同的平面接收线圈，凹面发射线圈较平面发射线圈传输效率明显提高，高达 10%。关键词:磁耦合谐振式;无线电能传输;凹面线圈中图分类号:O 4-33文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202301022大学物理实验 投稿网址:http:/dawushiyanjlicteducn无线电能传输由于隔空传递能量，摆脱了线缆的束缚，避免了金属触点插拔引起的电弧和磨损，因而极大地提高了使用的灵活性和安全性。在一些特殊场合，譬如战场环境、孤岛基站、心脏起搏器等，无线电能传输愈发显得重要和迫切。目前无线电能传输在无线充电领域主要有磁耦合感应式和磁耦合谐振式两种 1，2。磁耦合谐振式无线电传输打破了磁耦合感应式依赖松耦合变压器耦合系数的传统思路，利用磁耦合收发线圈回路的固有频率与传输信号频率相等时产生谐振的物理原理，实现电能高效无线传输，其特点是传输效率高、距离远、在近场区(小于/2)无辐射 3。提高传输效率是一个永恒的课题。有关磁耦合无线电能传输系统，目前文献中大多限于理论研究4、实验仿真5 或搭建实验装置6。文献中少见发射线圈、接收线圈形状方面的研究，市场上多采用平面发射线圈、平面接收线圈实现磁耦合谐振式无线电能传输，以 XKT 无线充电模块为例，当发射线圈、接收线圈距离 24 cm 时，效率642%。针对此问题，设计并自制一新型凹面发射线圈，利用磁通门传感器测量磁场分布，搭建实验电路进行对比实验，研究其传输效率。1基本结构及工作原理11凹面发射线圈以 XKT 无线充电模块为例，发射端、接收端均采用平面线圈(参数:01*200 股，内径 3 cm，外径 105 cm)。自制凹面发射线圈:用平面线圈拆散的漆包线紧密缠绕塑料小碗模型，边缠绕边固定，用 502 胶水固定在木质支撑架上;将粘接好的装置插入装有细沙的塑料瓶中(参数:01*200 股，内径 4569 cm，外径 9720 cm，深 2637 cm)，如图 1 所示。图 1凹面发射线圈自制凹面发射线圈和原平面发射线圈共同点:采用相同长度、相同材质的漆包线;不同点:形状不同。凹面发射线圈外形取决于塑料小碗模型。12工作原理采用较简单的两线圈结构。输入电源(包括交流电源或直流电源)经发射侧变换电路和补偿电路使发射侧工作在谐振状态，驱动发射线圈;利用磁耦合收、发线圈回路的固有频率与传输信号频率相同产生共振的物理原理，接收线圈最大效率接收相同频率信号，再经接收侧补偿电路和变换电路后驱动负载做功，如图 2 所示。图 2凹面、平面发射线圈传输效率实验电路图2对比实验实验目的:1)利用磁通门传感器分别测量凹面、平面发射线圈的磁场分布;2)按照图 2 搭建实验电路，针对相同的平面接收线圈，比较凹面发射线圈、平面发射线圈的传输效率。实验器材:自制凹面发射线圈、平面发射线圈、平面接收线圈、XKT801-60 发射模块、XKT-3170 接收模块、C31V 型直流数显电压表、32 V 可变电压源、ZX21A 型直流电阻箱、磁通门传感器。21磁场分布对比利用磁通门传感器分别测量凹面、平面发射线圈的磁场分布，如图 3 所示。凹面发射线圈厚度 2637 cm，取厚度的一半为平面发射线圈位置。分别将凹面线圈、平面线圈与电源相连，控制输入电压 30 V，改变磁通门传感器的位置，测量不同点位下的磁场分布。为全面了解磁场分布，以中轴线为准，向左右各展开45，在这个范围内采取多点位测量，使两者形成明显对比，结果如图 4 所示。图 3磁通门传感器测量磁场分布图 4凹面、平面发射线圈磁场分布对比401大学物理实验2023 年对比各点位磁感应强度 B 的大小，可知，凹面线圈辐射的磁场能量向竖直方向中轴线汇聚。可定性理解为:凹面线圈下侧将(辐射总能量的一半)W总/2 限制在 2(1cos)立体角内;平面线圈下侧将 W总/2 分布在 2 立体角内，如图 5 所示。图 5凹面、平面发射线圈辐射能量对比22传输效率对比采用 XKT801-60 发射模块、XKT-3170 接收模块按照图 2 搭建电路，其中 1取 1 是为计算输入功率方便，2取 65 是多次实验结果(当发射、接收线圈距离 24 cm，发射端电压 30 V 条件不变时，65 负载电阻对应的传输效率最大)，实验装置如图 6 所示。示波器显示此时磁耦合谐振频率为 495 kHz。图 6对比实验装置221传输效率对比实验 1(控制发射端电压 30V 不变，改变传输距离)如图 6 所示，分别控制凹面发射端、平面发射端电压 30 V，在发射线圈不动的情况下，改变接收线圈与发射线圈的距离(注意平面发射线圈放置在凹面发射线圈厚度一半的位置)，测量并计算传输效率，结果如图 7 所示。距离/cm图 7传输效率与距离的关系由图 7 可知，在发射端电压 30 V 不变的前提下，随着传输距离的增加，凹面、平面发射线圈对应的传输效率均呈下降趋势;传输距离 4 cm 处，凹面发射线圈传输效率较平面发射线圈大约提高10%;由图可知，凹面线圈传输效率能够达到693%，而平面线圈的传输效率最高是 642%。222传输效率对比实验 2(控制传输距离，改变发射端输入电压)如图 6 所示，分别控制凹面发射线圈、平面发射线圈与接收线圈的距离 4 cm，改变发射端的输入电压，测量并计算传输效率，结果如图 8 所示。发射端电压/V图 8传输效率与发射端输入电压的关系由图可知，在传输距离 4 cm 不变的前提下，随着发射端输入电压的增加，凹面发射线圈对应的传输效率呈上升趋势，而平面发射线圈对应的传输效率几乎不变;当发射端输入电压 30 V 时，凹面发射501第 1 期周宇航，等:一种新型凹面磁耦合谐振式无线电能传输装置线圈较平面发射线圈效率大约提高 10%。根据发射模块、接收模块电路分析，可知 XKT无线充电系统属于并-并联谐振电路(P/P)互感模型。文献 1 推导的公式显示，传输效率与发射侧、接收侧回路等效电阻和补偿电容有关，与发射线圈、接收线圈自感系数和互感系数有关。而自感系数依赖于线圈的外形特征;互感系数不仅依赖于线圈的外形特征，还依赖于发射、接收线圈的距离。文献 7 针对平面发射、平面接收线圈的 P/P互感模型，用 Matlab 仿真计算，结果显示随着两线圈距离的增大，传输效率先升后降，效率最大值对应的线圈间距大约是线圈直径的 0148 倍。本文平面发射线圈直径 105 cm，最大效率对应的线圈间距大约 1554 cm，在本实验测量范围之外。文献 8 将平面、弧面线圈进行发射和接收系统组合，利用 maxwell 软件对不同组合进行电磁仿真和有限元分析，结果显示效率 弧弧 弧平平平。目前文献中未见凹面线圈发射、平面线圈接收无线电能传输讨论，本文实验结果有待于后期仿真分析。3结语针对磁耦合无线电传输效率不高的弊端，自制凹面发射线圈;用磁通门传感器测量凹面发射线圈、平面发射线圈的磁场分布;搭建对比实验电路，比较凹面、平面发射线圈的传输效率。主要结论:1)凹面线圈的辐射能量明显向中轴线汇聚;2)在相同的发射电压下，凹面发射线圈的传输效率明显高于平面发射线圈;3)在相同的传输距离上，凹面发射线圈的传输效率高于平面发射线圈。应用前景:在一定距离上实现大功率、高效率的无线电能传输具有现实意义。例如无人战车的充电，由于轮胎和地面之间的距离不可避免，因此采用凹面发射线圈汇聚磁场能量的方法，可以有效地提高传输效率。该技术同样可应用于电动汽车非接触式大功率充电，使未来电动汽车在路上无线充电成为可能。实验展望:1)仿真计算凹面发射、平面接收无线电传输效率，对本文实验结果给予理论支持;2)对不同弧度的凹面发射线圈进行传输效率的测试，得到最有效的弧度;3)将接收线圈也做成凹面线圈，研究传输效率。参考文献:1 沈锦飞磁共振无线充电应用技术M 1 版，北京:机械工业出版社，20209-41 2 邹谭圆，代朋，盛鑫，等磁耦合谐振式超导无线输电效率分析 J 控制与信息技术，2020(3):40-44 3 陈国杰，周有平，严冬，等谐振式磁耦合无线电能传输系统特性及实验仪设计J 大学物理，2020(6):33-38 4 郭云胜从最大功率传输到无线能量传输的推演 J 大学物理，2018，37(3):9-12 5 黄学良，吉青晶，谭林林，等磁耦合谐振式无线电能传输系统串并式模型研究J 电工技术学报，2013，28(3):171-187 6 李阳，杨庆新，闫卓，等磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性J 电机与控制学报，2012，16(7):7-11 7 刘凯旭基于电磁耦合谐振原理的无线电能传输系统研究 D 吉林:东北电力大学，2017 8 侯睿，周源，宋蕙慧，等基于弧形线圈的无线电能传输系统研究J 电力电子技术，2020，54(6):83-85A Novel Concave Magnetic Coupled esonantadio Energy Transmission DeviceZHOU Yuhang，WANG Haoyu(PLA Army Academy of Artillery and Air Defence，Zhengzhou 450000，China)Abstract:In the current literature，the planar transmitting coil and planar receiving coil are mostly used in themarket to achieve magnetic coupling resonant radio energy transmission，but the disadvantage is that thetransmission efficiency is not highTo solve this problem，a new concave transmitting coil was designed andmadeThe magnetic field distribution was measured by fluxgate sensorThe results show that the magnetic fielddistribution of the concave transmitting coil is more convergent to the central axis than that of the planartransmitting coilThe experimental circuit was set up for comparison experimentThe results show that for thesame planar receiving coil，the transmission efficiency of the concave transmitting coil is significantly improvedby 10%compared with that of the planar transmitting coilKeywords:magnetically coupled resonant type;w