基于Maxwell軟件的耦合線圈設計與優化

汪世嬌，馬小三，程祥

(安徽工業大學電氣與信息工程學院，安徽 馬鞍山 243000)

線圈損耗很大程度上影響了無線電力傳輸系統的效率，所以選擇合適的線圈尤為重要。本文利用 Maxwell軟件，從線圈的形狀、尺寸、距離及線圈中是否加入鐵氧體等方面研究線圈損耗[1-3]。常用的線圈形狀多為圓形和方形，本文針對這兩種線圈進行研究，并通過仿真選擇最優線圈[4-5]。

1 線圈形狀對耦合系數的影響

為了更好地比較圓形和方形線圈，設置二者的參數大致相同。圓形、方形線圈的導線總長度均為14 000 mm，線圈空氣間隙長度(縱向距離)均為2.5 mm。圓形線圈的內、外直徑及匝數分別為50 mm、184 mm、22匝，方形線圈的內、外邊長及匝數分別為50 mm、180 mm、21匝。圖1為圓形和方形線圈模型在Maxwell軟件中的建模。

圖1 圓形和方形線圈在Maxwell中的建模

設線圈位置完全正對，對圓形和方形線圈的耦合系數隨線圈縱向距離的變化進行仿真，仿真結果如圖2所示。

圖2 圓形和方形線圈耦合系數隨縱向距離的變化

由圖2知，圓形和方形線圈的耦合系數均隨線圈距離增加而減小。在縱向距離相同的情況下，圓形線圈耦合系數更大。

當線圈縱向距離為50 mm時，圓形和方形線圈的耦合系數隨線圈橫向錯位距離的變化情況如圖3所示。

圖3 圓形和方形線圈的耦合系數隨橫向錯位距離的變化

由圖3知，當線圈橫向錯位小于50 mm，圓形線圈的耦合系數高于方形線圈；當橫向錯位大于50 mm時，方形線圈的耦合系數略高于圓形線圈。

綜合以上分析，圓形線圈的耦合系數更優于方形線圈的耦合系數，因此下面選擇圓形線圈作為研究對象。

2 線圈尺寸對耦合系數的影響

線圈尺寸也會對耦合系數產生一定影響，表1為3種不同半徑線圈的參數。

表1 不同半徑線圈的參數 mm

由表1可知，T-R1、T-R3模型各自的發射線圈與接收線圈大小相同，而T-R2模型的發射線圈與接收線圈內、外半徑不同。利用Maxwell軟件對3種線圈進行建模，如圖4所示。

圖4 3種不同半徑線圈在Maxwell中的建模

設線圈位置完全正對，對上述3種模型的耦合系數隨線圈縱向距離的變化進行仿真，仿真結果如圖5所示。

圖5 不同半徑線圈的耦合系數隨縱向距離的變化

由圖5可知，3種模型的耦合系數均隨線圈縱向距離增加而減小。當線圈縱向距離一定時，T-R1的耦合系數較大，此時T-R1模型線圈是最佳選擇。

下面考慮線圈橫向錯位的情況，圖6為上述3種模型線圈的耦合系數隨線圈橫向錯位距離的變化。

圖6 不同半徑線圈的耦合系數隨橫向錯位距離的變化

由圖6知，當橫向錯位距離大于50 mm時，T-R1的耦合系數最大，此時T-R1線圈模型是最佳選擇。

通過以上分析可以發現T-R1和T-R2模型各有優點，但為了使原、副邊的諧振頻率相同，選擇T-R1模型線圈。

3 加入鐵氧體對耦合系數的影響

為提高線圈的耦合系數以及減小渦流損耗，可在線圈中加入鐵氧體[6-7]。表2為3種模型的鐵氧體棒參數，各模型鐵氧體棒的厚度和總體積是相同的，但長度、寬度和數量不同。

表2 3種模型鐵氧體棒參數 mm

圖7為3種鐵氧體在Maxwell軟件中的建模。

對上述3種鐵氧體線圈進行仿真，線圈耦合系數隨縱向距離和橫向錯位距離變化曲線分別如圖8、9所示。

圖8 3種鐵氧體線圈耦合系數隨縱向距離的變化

圖9 不同鐵氧體線圈耦合系數隨橫向錯位距離變化

由圖8和圖9知，無論線圈耦合系數隨縱向距離變化還是橫向距離變化，T型鐵氧體結構模型均優于十字型和棒-棒型，而十字型又優于棒-棒型。

圖10為空氣中磁場隨線圈橫向錯位距離變化的仿真結果?？梢钥闯?，3種鐵氧體線圈暴露在空氣中的磁場均小于27 μT，3種鐵氧體線圈都符合國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)的要求。

綜上所述，選擇T型鐵氧體結構。

圖10 空氣中磁場隨線圈橫向錯位距離的變化

圖11為不同橫向錯位距離下空芯線圈與磁芯線圈效率對比。

圖11 不同橫向錯位距離下空芯線圈與磁芯線圈效率對比

由圖11知，有磁芯線圈效率明顯高于無磁芯線圈，且最大效率約為0.92。當線圈發生8 cm橫向錯位時，有磁芯線圈效率高于0.8，而無磁芯線圈效率低于0.7。

經過以上分析發現，線圈加入鐵氧體后耦合系數明顯提高，且均在國際非電離輻射防護委員會允許的暴露在空氣中的電磁場范圍內。

4 結語

本文利用Maxwell軟件比較圓形和方形線圈的耦合系數，分析圓形線圈不同內、外半徑對耦合系數的影響，以及圓形線圈耦合系數隨縱向距離及橫向錯位距離的變化，得出內、外徑分別為25 mm、90 mm的圓形線圈為最優線圈。然后比較分別加入3種鐵氧體棒的線圈耦合系數隨線圈縱向距離及橫向錯位距離變化，發現T字型鐵氧體棒更好。最后對有磁芯線圈與空芯線圈進行對比，發現加入鐵氧體后線圈的效率明顯提高。