磁耦合谐振式线能量传输效率分析.ppt

赵婷 2016年3月15日 文章结构 题目 摘要 引言 线圈模型及调谐 能量传输效率分析 线圈位置对传输效率的影响 结语 文献基本信息 期刊来源：解放军理工大学学报（自然科学版） 作者：王娜，唐堂，张兆东，刘景夏，胡冰新 单位：解放军理工大学 基金项目：无 见刊时间：2015-10 摘要 背景 问题 为分析无线能量传输的效率问题，利用电磁仿真软件ＨＦＳＳ，建立了单个线圈模型，利用单个谐振线圈模型构建了基于磁耦合谐振的能量传输系统。 方法 通过Ｓ 参数曲线直观反映能量传输效率的变化规律，验证了磁耦合谐振式能量传输效率远远大于一般的感应耦合。通过改变模型中两线圈的相对位置，分析了线圈距离、夹角等因素对能量传输效率的影响，依据效率变化曲线，直观展示了频率分裂现象。 结论 仿真和分析表明，为实现系统的高效率、远距离能量传输，应尽量减小收发线圈的角度和线圈的错位偏移量，该系统为设计和 优化无线电能传输系统提供了一种理论分析方法。 引言 　无线电能传输具有突出的便捷性和广阔的应用前景，感应式和微波传输式是实现该技术的２种主要方式。但其传输距离极短或能量损耗大的缺陷严重制约了无线能量传输技术的发展。相比之下，于2006年提出的谐振式无线能量传输具有距离远、效率高的优点，特别适合于实现中等距离的无线能量传输，成为近年来无线电能传输领域的研究热点。目前，针对该技术的研究大多停留于理论阶段，也有一部分研究者进行了实验探索。 文献[11]分析了发射与接收天线的转换效率，从而得到天线参数与效率之间的关系，并通过搭建的实验平台，从实验的角度分析了发射、接收线圈的匝数及线圈半径的大小对传输效率的影响。文献[12]分析了谐振频率、线圈品质因数等对传输效率的影响，并通过实验验证了其理论分析结果。但研究主要是比较电磁耦合方式、辐射方式和谐振耦合方式等的传输效率，对于参数影响及系统性能分析不够全面，缺乏调整方便而又全面的仿真建模分析[14]，导致远距离、大功率无线能量传输应用领域的发展比较缓慢，缺乏理论和技术基础。 引言 基于此问题，本文利用电磁仿真软件HFSS对磁耦合谐振式无线能量传输的效率进行仿真分析，建立能量传输系统模型，通过端口网络的Ｓ参数直观反映传输效率的大小，比较感应式与谐振式能量传输效率的差别，最后通过改变模型中线圈的距离、夹角等位置因素仿真分析收发线圈的相对位置对磁耦合谐振式无线能量传输效率的影响，得到实现最大效率能量传输的最佳位置。 引言 线圈模型及调谐 HFSS是基于电磁场的有限元方法分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，能够有效计算模型的传输、反射以及总的电磁场的数值，并以图表等方式直观地展示，适合分析较高频率下的谐振式无线能量传输系统。 图１给出的是一个边长为10ｃｍ的方形线圈模型，圈数为１，其横截面是半径为１ｍｍ 的圆，线圈的材料属性为铜。 线圈模型及调谐 线圈是未封闭的，２个端口间有长度为１ｃｍ 的间隙。在端口处建立了真空材料属性的２个矩形，并赋予集总参数的电容、电感值以模拟实际电容、电感，依据线圈的阻抗值调整电感、电容的数值，最终实现线圈调谐。在端口添加正弦信号激励，用以模拟交流电源。图２展示的是添加电感、电容以及激励后的端口。 能量传输效率分析 2.1 Ｓ参数 为了得到２个线圈之间能量传输效率的直观反映，可以利用微波网络理论进行分析，利用网络散射参数即Ｓ参数确定线圈能量传输效率。网络参数是联系各个端口激励与响应之间关系的矩阵，表示该网络的本身特性。Ｓ参数是一种适用于多端口网络的常用网络参数，它联系了入射波和反射波，是广义上的反射系数。 由Ｓ参数的定义式可以得到， 能量传输效率分析 式中：Ｓii为除第ｉ端口以外的其余端口都接匹配负载时，第ｉ端口处的反射系数；Ｓij为除第ｉ端口以外的其余端口都接匹配负载时，第ｊ端口到第ｉ端口的传输系数；ai为归一化入射波；bi为归一化反射波。将能量传输系统以及周围的空间看成一个两端口的网络，则能量传输的效率可以用Ｓ参数来表示。设入射波功率为Pin，反射波功率为Pref， 能量传输效率分析 　假设Ｓ参数中的第１个端口与发送线圈连接，第２个端口与接收线圈连接，根据Ｓ参数的概念得到发送线圈的发送功率 接收线圈的接收功率 计算得到能量传输效率 从效率与Ｓ参数的关系可以看出，Ｓ参数的大小可以直观反映系统能量传输效率的高低。 能量传输效率分析 2.2 仿真分析 为了比较相同条件下谐振耦合的能量传输效率与感应耦合的能量传输效率的大小，设计如图３所示的能量传输系统模型。 能量传输效率分析 位于下方的线圈作为能量发送线圈１，上方的为接收线圈２和接收线圈３，其中一个接收线圈与发送线圈具有相同谐振频率，即它们之间的能量传输是通过谐振耦合实现的，而另一个接收线圈则偏离谐振频率，它与发送线圈之