无线电能传输磁耦合系统综述

谢文燕，陈琪琅，陈 为

（1.福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350108；2.福建省电力有限公司泉州电业局，福建 泉州 362000）

0 引 言

随着社会经济和科学技术的不断发展，越来越多的电子产品和设备进入人们的生活，如笔记本电脑、电动车、MP3等。然而传统的接触式直接供电中冗长的满足绝缘要求的导线引线以及电插头的经常拔插、发热、烧蚀以及电弧等引起的故障限制了这些移动设备的便携性、灵活性、安全性和稳定性，也影响了环境的美观性。人们迫切需要一种新型的电能传输技术，来满足日常生活中一些新型电气设备及各种特殊环境下的要求。无线电能传输技术能有效利用铜、塑料等材料，节约了资源，减少了污染，具有绿色环保、节能、免维护或少维护等优势。国内外许多科研院所和公司对无线电能传输进行了漫长而又执着的研究［1－8］。

本文阐述了无线电能传输技术的基本原理及特点，比较系统地综述了无线电能传输系统的关键部件——磁耦合元件，并探讨了磁耦合元件的关键技术、发展趋势和研究方向。

1 无线电能传输系统简介

无线电能传输技术是一种不依靠电导体传输电功率的技术。其能量传输框图如图1所示。

从图1可以看出，无线电能传输系统的总体架构包括电源侧的能量变换环节、能量传递环节和负载侧的能量调节环节。系统的工作原理是:工频交流电经过整流滤波电路变换成直流电后经过功率因数校正电路和高频逆变环节给初级发射线圈（TX）供给高频交流电，次级接收线圈（RX）与初级发射线圈中高频交变电流产生的磁链相交链，产生感应电动势，该感应电动势再通过高频整流滤波和功率调节后给各类用电设备供电。

图1 无线电能传输系统能量传输框图

系统架构中的磁耦合元件是系统非常关键的部分，系统通过它才能够实现电能的无线传输。其原理上与传统变压器有很多的类似之处，都是通过电磁感应原理实现电能从初级侧到次级侧传递。但该磁耦合元件的初级发射线圈和次级接收线圈是分离的，导致漏磁很大，励磁电感很小，因此耦合系数很小，这加大了传输系统的无功功率，从而增大了电路中功率开关器件的电压或电流应力，不仅对实现电能的高效、大容量无线传输具有很大影响，还会对周围空间环境造成很大的电磁泄露和干扰。正是由于磁耦合元件的松耦合特性，导致其成为了制约无线电能传输系统高效、大容量传递的瓶颈，因此研究磁耦合元件，提高耦合系数对于提高无线电能传输系统的传输效率和减小电磁辐射具有重要的意义。

2 研究现状

2.1 磁耦合元件的工作原理

图2给出了无线电能传输磁耦合元件的互感等效模型。图中Ltx，Lrx表示初、次级线圈的自感，Rtx，Rrx表示初、次级线圈的内阻，M表示初、次级线圈之间的互感，ω为高频逆变电路的工作角频率，Itx和Irx分别为初、次级线圈电流，jωMItx是初级线圈电流在次级线圈的感应电压，jωMIrx是次级线圈在初级线圈的反映电压，Re为次级线圈接的等效负载电阻，Uin为前级高频逆变电路输出到初级线圈的电压（这里假设高频逆变电路的开关频率远远小于线圈的自谐振频率，线圈的分布电容忽略）。

图2 磁耦合元件的互感等效模型

由图2给出的参考方向可以列出KVL方程:

根据式（1）和式（2）可以推导出如图3所示的初级侧等效电路图。次级线圈对初级系统的影响可以用反映阻抗Zr来表示。

图3 初级侧等效电路图

从Rr的表达式可以看出互感M直接影响传递到次级的有功功率。而互感的大小是由线圈之间的耦合系数k决定的。两磁耦合线圈之间耦合系数为:

耦合系数k与磁耦合元件的磁性材料、磁芯结构，线圈布置方式以及气隙的大小有关。

2.2 磁耦合元件的优化

随着气隙的增大，磁耦合元件的耦合系数会减小。如何提高磁耦合元件的耦合系数，并尽可能地减小体积和重量已然成为研究的难点。要想在一定气隙和占用空间内，获得更大的耦合系数只能去优化磁性材料、磁芯结构、绕组分布方式等因素。

（1）磁芯材料的选择

由于在无线电能传输系统中，磁耦合元件是松耦合的，初、次级线圈之间的漏感比较大，耦合系数比较小。为减小整个装置的体积，提高系统的能量密度和传输效率，通常系统工作的频率都比较高，但随着频率的提高，磁芯的损耗越来越大。因此无线电能传输系统磁性材料的选择对磁耦合元件实现高效、高功率和体积小型化显得尤为重要。在实际系统中，为了防止磁芯饱和，减小体积，降低磁芯损耗，选取软磁材料一般要求［9］:①高的磁导率；②很小的矫顽磁力和狭窄的磁滞回线；③高的电阻率；④足够大的饱和磁感应强度。

一般铁氧体、铁镍软磁合金、非晶合金三种软磁材料都能满足无线电能传输磁耦合元件对磁性材料的要求，但总体性能上，非晶合金的各项指数大体优于其它软磁材料。实际应用中，磁材的选择要对成本、性能、工作环境等进行综合考虑。

（2）磁芯结构的优化

提高磁耦合元件的耦合系数是提高系统电能传输效率的关键所在。而如何提高耦合系数并尽可能地减小其体积和重量，却是无线电能传输技术的研究难点。为此，各国学者进行了很多的研究。为了提高磁耦合线圈耦合系数，文献［10］不惜以加大磁芯的体积和重量为代价，用体积366 cm3、重量为17.2 kg的磁芯制作变压器，但过大的体积和重量降低了它的实用价值。文献［11］在文献［10］的基础上，将圆形磁芯分割成扇面，如图4所示。分割后，耦合系数与原来相当，而磁芯重量大大减小，大大增加了它的适用性。此外，新西兰奥克兰大学以Boys教授为核心的课题组也采用分割磁芯方法来优化无线电能传输的磁耦合元件，已达到减轻重量的目的［12］，优化的磁芯结构如图5所示。

图4 圆形磁芯分割成扇面示意图

图5 Boys教授课题组优化的磁芯结构

虽然采用磁芯的磁耦合元件能够提高耦合系数，但由于磁芯的存在，不仅增加磁件的重量，限制了电气设备的便携性还带来了磁损。近年来，随着无芯变压器的发展，无线电能传输的磁件也采用了无芯变压器。空心变压器具有重量轻和无磁芯损耗等优点，缺点是传输的功率等级较小，线圈之间的耦合系数较小。目前对空心线圈的研究主要集中在耦合系数与初、次级线圈的空间布局上，初、次级的线圈结构、匝数的关系以及漏感引起的邻近效应、趋肤效应等。空心线圈能够为多个负载同时供电，为了使接收线圈与发射线圈之间的耦合系数不随负载位置的变化而发生很大的变化，希望在发射线圈的上方产生尽可能均匀分布的磁场。比较有代表性的是香港城市大学许树源教授（S.Y.R.Hui），提出的三层六边形螺旋PCB线圈［13］，如图6所示，图中每一个六边形代表一个六边形螺旋线圈。虽然这种结构能够在发射线圈的上方产生较为均匀分布的磁场，但由于各线圈紧密或是交替排列，产生的磁场相互抵消了一部分，因而产生的总磁场强度与单个线圈相比，大大减弱了。文献［14］利用集中线圈产生的“凹形磁场”（图7（a）所示）和螺旋线圈产生的“凸形磁场”（图7（b）所示）相互叠加形成较均匀的磁场（图7（c）所示）。采用这种方法虽能够在发射线圈上方得到较为均匀的磁场，但这种线圈的设计过程较为繁琐，需要通过计算机程序，详细地搜索每一匝线圈的位置和大小。

图6 三层六边形PCB线圈结构

（3）绕组优化

为减小磁耦合元件的体积和提高电能的传输能力，一般磁耦合元件都是工作在较高的频率下，但高频会带来磁耦合线圈由邻近效应和趋肤效应引起的损耗，因此为了减小该损耗，线圈多采取多股细线或Liz线交叉换位的绕法。此外，也可以从绕组的分布方式出发，进行优化无线电能传输的磁耦合元件。

图7 均匀磁场合成示意图

图8 绕组分布方式及其Ansoft磁场仿真图

图8给出了U型磁芯分布式绕组和集中式绕组及其Ansoft磁场仿真图，从中可以看出，当采用分布式绕组时，由于初、次级线圈接触比较紧密，磁力线可以在初、次级线圈之间垂直通过，因此漏磁通比较少，耦合系数比较高。因此，在选择绕组分布时，为提高磁耦合线圈的耦合系数应采用分布式绕组［15］。

3 存在的技术关键和发展趋势

从近年来无线电能传输技术理论与实验的研究成果来看，目前无线电能传输磁耦合元件还需要解决下面两个技术关键:一是，如何在大气隙下尽可能地提高两磁耦合线圈的耦合系数，保证接收线圈能拾取尽量多的磁场，尤其是当发射线圈和接收线圈发生提离和偏移的时候；二是，为了避免发射线圈发射出来的磁场对周围空间环境产生电磁干扰，发射线圈产生的磁场必须限制在一定的区域内，使其对周围空间环境产生尽可能小的电磁干扰。因此对磁耦合元件电磁兼容性和可靠性的设计也是至关重要的。目前对无线电能传输技术研究的深度和广度还不够，主要局限在较小功率和短距离方面的研究，对于其传输电能的容量、效率、距离、电磁干扰等关键问题，还有待进一步的研究和开发。无线电能传输磁耦合元件的发展趋势是远距离、高效化、低成本化，小体积化、轻量化和平面化。

4 结 论

磁耦合元件作为磁感应式无线电能传输系统的关键部件，其性能对系统的传输能力、传输效率以及应用便捷性有着至关重要的影响，对其要求也是多方面的。目前，无线电能传输系统的研究更多地是集中于电路系统及其控制策略，而对磁耦合系统的关注比较少。磁耦合元件已成为制约无线电能传输进一步实现高效和便捷实用的主要技术瓶颈。本文通过无线电能传输系统磁耦合元件的关键问题的综述，分析了磁耦合元件的工作原理、特点和优化考虑，并给出了磁耦合元件目前亟待研究和解决的关键技术和发展趋势，这对更加深入的研究无线电能传输技术具有重要的理论意义和现实的应用价值。

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