作者 陈海燕 李延强 石浩磊 李亮 李彩莲 河北工业大学电气工程学院(天津 300130)
摘要：针对磁耦合谐振式无线电能传输中多负载的状况，在传统的四线圈单负载磁谐振耦合式无线电能传输体系结构上，研讨了多负载状况下的负载传输特性。运用电路模型分分出传输体系线圈耦合系数和负载对输出电压、传输功率的影响。最终通过有限元软件树立3D模型对体系进行联合仿真，仿真成果验证了理论的正确性，成果证明了在多负载状况下，负载合理的挑选对体系的输出电压、传输功率有很大的影响，且总有一个最佳负载使体系的传输功率最大。
导言
传统的电能传输都是通过导线传输配送的，存在着比如冲突、电火花等一些问题，而无线电能传输具有洁净、安全性高、可靠性强、便于装置与保护等长处。无线电能传输技能依据其电能传输原理大致上能够分为三类：感应耦合无线电能传输、微波无线电能传输和磁谐振耦合无线电能传输[1-3]。磁谐振耦合无线电能传输理论依据“耦合模理论”[4]，由高频电源输出的交流电通过谐振线圈产生高频的交变磁场，当交变磁场遇到相同谐振频率的谐振线圈时，它们之间产生谐振，使得电能从发射谐振线圈传到接纳谐振线圈，从而为负载供电，具有传输间隔远的特色。
现在对磁耦合谐振无线电能传输体系研讨多在单个负载的状况下，但是实际状况下，单个负载现已不能满意实际需求，对多负载的研就越发重要。文献[5]研讨了两线圈体系的多负载接纳状况，并没有涉及到添加中继谐振线圈体系的多负载状况。文献[6]剖析了对负载电路体系的传输功率和补偿电容的选取办法，能够改进体系传输功率低的问题。文献[7]对多负载的状况进行了研讨，但对负载线圈互感之间的影响并没有进行评论。文献[8]对两个负载接纳的状况进行了研讨，但并没有评论在负载改变的状况下对体系传输功能的影响。本文主要在传统的单发单收四线圈模型基础上，运用传统电路模型研讨了单发双收体系的传输特性，分分出了负载的功率、输出电压比、耦合系数和负载的联系。最终规划出一组谐振线圈，运用3D maxwell仿真软件对其互感、内阻、自感进行了核算，然后运用Simplorer软件进行阻抗匹配并进行了联合仿真。
1 电路模型
本文选取双负载体系研讨，多负载状况能够类比。选用电路模型对四线圈结构传输方法的多负载进行剖析，一切线圈都选用串联谐振阻抗补偿方法。电路拓扑结构如图1所示，Rs为电源内阻， R1、R2、R3、R4、R5为线圈内阻;C1、C2、C3、C4、C5为线圈匹配补偿%&&&&&%;L1、L2、L3、L4、L5为线圈自感;M12为源线圈和发射谐振线圈互感、M23为发射、接纳谐振线圈之间的互感，M34和M35为接纳谐振线圈和负载线圈之间的互感，M45为负载线圈之间的互感。一般电源线圈和负载线圈多选用单匝线圈，负载回路和电源线圈相距较远，在核算剖析的过程中能够疏忽电源线圈、谐振发射线圈与负载之间的互感，以及发射线圈和负载之间的互感。图1为无线传输电路拓扑结构。
体系各回路阻抗为:
(1)
依据基尔霍夫定律可得互感方程如式(2):
其间，
2 传输特性剖析
当体系每个线圈到达谐振状况时，各回路应满意串联谐振，即
，此刻，各回路呈阻性负载。为了便利剖析体系输出电压的联系，体系两个负载巨细相同M34=M35，RL1=RL2=RL。由上式推出负载电压比为：
(10)
运用文献[9]数据进行仿真得出电压比和体系功率随负载电阻及耦合系数联系图如图2和图3所示。
图2中能够看出负载电阻增大能够添加输出电压，当负载固守时，只要一个最佳耦合系数对应最大电压比，最大电压比并不对应最大耦合系数。从图3能够看出体系功率跟着负载电阻改变而改变，关于每一个固定耦合系数，总有一个最佳电阻值对应体系最大传输功率。
3 仿真试验剖析
3.1 仿真模型树立
运用3D Maxwell树立线圈模型，考虑到核算量的问题，本试验模型选用截面为正方形铜导线，发射谐振线圈和接纳谐振线圈选用截面为1mm2的铜导线，线圈直径为10cm;电源线圈选用截面为2mm2的铜导线，直径为80cm;负载线圈选用截面2mm2的铜导线，直径为4cm。负载选用平行放置，3D模型如图4所示。
通过仿真软件核算出线圈的自感、自阻，下表是仿真得到的线圈参数状况。
依据仿真得出的线圈参数，在电源频率为1MHz，电源电压为10V的状况下，匹配线圈阻抗，使各个线圈彻底补偿，并在Simplorer里建立联合仿真模型，耦合模型电路如图5所示。
