非对称线圈谐振式无线充电系统的设计与研究

来源：核心期刊咨询网时间：2019-06-19 10:1912

摘要：摘 要： 动物机器人神经刺激器使用微型电池供电，较小的电池容量限制了刺激器的工作时长，为能使刺激器持续工作，文中提出一种基于无线充电的供电方案。为减小接收线圈的重量和尺寸对动物运动的影响，需要选择较小的尺寸，同时要保障足够的传输功率，因此提

　　摘 要： 动物机器人神经刺激器使用微型电池供电，较小的电池容量限制了刺激器的工作时长，为能使刺激器持续工作，文中提出一种基于无线充电的供电方案。为减小接收线圈的重量和尺寸对动物运动的影响，需要选择较小的尺寸，同时要保障足够的传输功率，因此提出并设计了基于非对称谐振线圈的无线充电方案。首先，基于电路理论和无线电能传输系统的电路模型，分析无线电能传输系统传输特性;然后，基于Matlab分析线圈匝数和线圈半径对传输性能的影响，并通过HFSS探明了非对称谐振线圈情况下传输距离与磁场的空间分布的关系;最后，建立一套基于磁耦合谐振的非对称无线电能传输实验平台，并进行实验验证。实验结果表明，理论数据、模拟数据和实验数据吻合较好，此方案既能满足接收线圈尺寸小的要求，又能抑制频率分裂，提高传输功率和效率，完全适用于动物机器人神经刺激器的无线电能传输。

　　关键词： 充电系统; 动物机器人; 无线电能传输; 非对称谐振线圈; 频率分裂; 传输效率; HFSS仿真

　　0 引 言

　　動物机器人的原理是利用电信号刺激动物特定的神经位点，从而控制活体动物按照人的要求运动，因为其操控的本体是动物本身，所以被称作动物机器人[1]。图1所示为动物机器人大鼠。动物机器人的神经刺激器安置在动物身上。为摆脱电线对动物运动的束缚，神经刺激器工作于无线遥控方式，因此，整个刺激器利用电池供电。如果使用大电池，会增加动物的负重，影响控制效果;如果使用小电池，电能容量有限，更换较为频繁，每次更换都要中断实验过程，并且更换过程中的外界因素会使动物的情绪产生波动，破坏实验过程的连续性，在一定程度上影响了实验数据的客观性和一致性，为实验数据的分析带来干扰。为了在使用小容量电池的同时又不频繁地更换电池，本文提出一种边刺激边为电池无线充电的电能传输方案。无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)可以在互不接触的发射端和接收端之间传输电能，这符合动物机器人自由运动的要求。然而，动物机器人神经刺激器无线电能传输不同于一般的电子设备的无线电能传输方案。它对接收线圈的尺寸有特殊要求，主要原因是动物机器人的神经刺激器安装于动物身上，接收线圈与刺激器相连，为减小接收线圈的重量和尺寸对动物运动的影响，需要选择较小尺寸的接收线圈。

　　为使无线电能传输系统获得高的传输效率，需要保持无线电能传输系统工作在临界耦合的状态下。随着两线圈之间距离的变化，系统可能从临界耦合状态变为过耦合状态，从而出现频率分裂现象，导致传输效率降低。为了提高系统的传输效率，必须抑制频率分裂的发生。抑制频率分裂有如下多种方法：采用阻抗匹配网络来调整等效负载电阻的方法[2];通过测量和比较接收端和发射端的功率来调整谐振频率的方法[3];调整四线圈结构系统中各线圈之间的距离改变耦合系数来抑制频率分裂的方法[4];使用自适应匹配网络抑制频率分裂的方法[5];利用一套由两组线圈组成的特殊发射线圈减缓耦合系数的变化，从而抑制频率分裂的方法[6]。

　　本文提出一种基于非对称谐振线圈的无线电能传输的方案来抑制频率分裂和提高传输效率。首先，基于Matlab分析了线圈匝数和线圈半径对传输性能的影响;其次，利用HFSS仿真工具探明了传输距离和磁场空间分布之间的关系;最后，建立一套基于磁耦合谐振的非对称WPT系统，并进行了实验验证，结果表明理论数据、模拟数据和实验数据吻合较好。最终结果表明此方案既能满足接收线圈尺寸小的要求，又能抑制频率分裂，提高传输功率和效率，可以应用于动物机器人神经刺激器的无线电能传输。

　　1 系统建模和分析

　　1.1 建立电路模型

　　磁耦合谐振式无线电能传输系统一般可分为两线圈结构和多线圈结构，为便于分析，本文采用两线圈结构，电路模型见图2。其中：U1为发射端所连接的激励电压;R1，R2分别为发射端和接收端的内阻;L1，L2分别为发射线圈和接收线圈的电感;C1，C2为发射端和接收端的谐振电容;RL为负载;M为发射和接收线圈間的互感。

　　对于确定的RL，传输效率是关于线圈的耦合系数、线圈品质因数的函数f(Q1，Q2，K)。通过函数关系可得出最佳的线圈参数，从而获得最佳传输性能。

　　2 仿真分析

　　2.1 线圈匝数对传输性能的影响

　　由第1节的理论分析可知，传输效率的大小由线圈的耦合系数和品质因数共同决定，而线圈的匝数直接决定了线圈的品质因数以及耦合系数，所以最优的传输效率可以通过选择合适匝数的线圈得到。因此，通过研究线圈的匝数和系统传输效率之间的关系，可以合理地设计系统的耦合机构。

　　选择用截面半径为1 mm和0.5 mm的聚氨酯纯铜漆包线分别绕制成发射线圈和接收线圈，设定发射线圈和接收线圈的形状均为半径r=10 cm的圆形，传输距离d=15 cm，发射线圈和接收线圈的匝数分别为N1，N2，仿真时的匝数起始于5匝，终止于20匝，其仿真的步长为1匝，对其进行有限元的仿真。图3为传输效率随线圈匝数变化的关系。

　　观察图3可知，发射线圈的匝数对传输效率的影响比较小，可以忽略不计。接收线圈匝数对传输效率影响较大，随着接收线圈匝数的增加，传输效率先增大后减小，接收线圈匝数为15匝时，传输效率最高。

　　2.2 线圈半径对传输性能的影响

　　在两个线圈的距离逐渐接近时，电能传输会发生频率分裂的现象，从而导致传输效率的下降，此时两线圈处于过耦合的状态，可以通过耦合因数θ的大小来判断线圈是否处于过耦合状态。当θ>1时，称之为过耦合;当θ=1时，称之为临界耦合;当θ<1时，称之为欠耦合。耦合因数定义为：

　　根据第2.1节中的仿真数据，选择N1=8，N2=15，r1=10 cm，进行有限元的仿真，得出如图4所示的传输距离d、接收线圈半径r2和耦合因数θ的关系。

　　图4中，接收线圈的半径不变时，耦合因数随传输距离的减小而增大;接收线圈的半径越小，耦合因数增大的速度越慢。因为θ>1时，会出现频率分裂，所以为了抑制耦合因数的快速增大，可以选择较小半径的接收线圈。由此可知，接收线圈半径较小的不对称线圈结构可以有效地抑制频率分裂。

　　2.3 基于磁场分布的HFSS仿真

　　为了进一步验证，对其进行HFSS仿真。首先仿真得出如图5所示的电能传输系统工作时的平面磁场分布图。图中蓝色表示磁场强度最小，红色表示磁场强度最大，所以由图5可知，随着距离的增加，磁场强度逐渐减小。然后，再进一步对电能传输系统的磁场增益进行仿真，得出如图6所示的三维磁场增益图。观察图6可得，在线圈轴向方向(沿y轴方向)系统的磁场增益最大，说明沿轴向方向电能的传输性能最好。

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