ANSYS在無線電力傳輸系統中的應用

苗淮 傅文珍 劉春元

摘要：由于電路仿真軟件不能對隔空的兩個線圈進行建模仿真，電能無線傳輸的理論研究大都局限于實驗，很難從理論上研究兩傳輸線的電磁場分布。為此，本文利用ANSYS軟件強大功能，與電路設計軟件接口，實現對電能無線傳輸系統的隔空仿真。主要介紹了電能無線傳輸系統以及其在ANSYS有限元分析中的模型。

關鍵詞：無線電力傳輸;ANSYS;電磁耦合

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）04-0224-02

收稿日期：2019-11-02

基金項目：嘉興學院大學生重點SRT項目（851719303）;嘉興市科技局應用基礎研究專項（2019AD32025）

無線電能傳輸是一種以非接觸的方式實現電源與用電設備之間的能量傳輸方式，即通過電磁感應、共振、射頻、微波和激光等方式實現電能的非接觸式傳輸。根據傳輸機理不同，無線電能傳輸可以分為電磁輻射式、電場耦合式和磁場耦合式3種，目前，磁耦合共振無線電能傳輸越來越受到人們的重視，尤其是在2006年美國麻省理工學院的Marin Soljacic教授所在團隊提出了磁耦合共振無線電能傳輸技術，從而使得中等距離無線電能傳輸技術取得了巨大的成就，將無線電能傳輸技術提升到了一個新高度，備受各國研究人員的關注[1]。磁共振耦合無線電能傳輸技術是利用接收線圈固有頻率與發射電磁頻率一致時引起電磁共振[2]。關于磁共振無線輸電技術的研究，更大程度地優化了過去關于電路傳輸的固有線路模式，解決在以往傳輸過程中的使用壽命、絕緣、供電以及監測檢修等方面的問題。同時在一定程度上也會提升我國在無線電傳輸技術領域的發展，也能促進資源的合理運用現象。

綜上，想要研究磁共振耦合技術在各領域的應用，必不可少的要能夠明確磁共振耦合在磁場中的磁場和電場的分布，即關于隔空傳輸的兩線圈的電磁分布是磁共振耦合技術研究的關鍵，它能夠更好地指導實驗。而目前關于兩傳輸線圈的電磁分布研究甚少。

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件，能與多數計算機輔助設計（CAD，computer Aided design）軟件接口，實現數據的共享和交換，如：NASTRAN，Creo、Algor、I-DEAS、AutoCAD等。是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應用。ANSYS功能強大，操作簡單方便，現在已成為國際最流行的有限元分析軟件。

ANSYS可用來分析電磁領域多方面的問題，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線、力、運動效應、電路和能量損耗等[3]。將ANSYS應用于電力無線傳輸將完全具體的展示兩個隔空線圈之間的磁場分布，有利于設計者對實踐的指導。

1 電力無線傳輸電路模型

等效電路理論是將系統參數用集總參數等效，運用基爾霍夫定律建立電路耦合方程組，求解系統的電參數，進行傳輸性能分析。常用的等效電路分析模型有兩線圈結構和四線圈結構。

兩線圈能量傳輸系統由發射線圈與接收線圈組成，其互感耦合模型如圖1所示。圖中，R，、R，分別為發射線圈和接收線圈的電阻，C1、C2分別為與發射線圈和接收線圈串聯的諧振匹配電容，LL為發射線圈和接收線圈的自感，R為負載電阻，M為發射線圈和接收線圈間的互感。

首先建立互感方程，對于平面圓盤線圈，互感M的計算方法可由下式計算：

其中μ0為真空磁導率，r、r2為發射線圈和接收線圈半徑，N.N2為匝數，h為發射線圈和接收線圈之間的距離，K和E為第一類和第二類全橢圓積分，k為模數，k'=√4r1r2/（（r;+r2）+h2）。

正弦穩態下，當系統處于諧振狀態時，系統頻率f;與諧振器固有頻率f均為f，w=2πf，則發射線圈回路阻抗Zq、接收線圈回路阻抗Z2，發射端輸入阻抗為Z根據互感理論和基爾霍夫定律，可列出初級發射端和次級接收端回路電壓方程

最終可求得發射源端電流1，接收端電流I2，負載功率PRL、輸入功率Pin以及傳輸效率η。

磁共振無線輸電的頻率選擇范圍很寬，低至幾十kHz，高達數MHz，線圈結構尺寸和傳輸距離根據應用場合和相對位置的不同存在很大差異，因此不同參數下等效電路的分析的有效性有待論證。另外，為了達到提高傳輸效率、減小諧振器體積的目的，需要設計新型結構的諧振線圈，復雜結構諧振線圈的特性參數很難通過集總參數等效電路獲取。系統環境參數復雜的情況也無法用等效電路方程來描述。

2 電力無線傳輸的ANSYS模型

考慮磁共振無線輸電系統寬頻帶、多尺度、環境參數復雜度高等特點，將諧振線圈結構線圈數量和相對位置、傳輸路徑遮擋等復雜環境因素概括歸納為統一的電磁問題，通過電磁場和電路協同耦合仿真的方法開展中距離共振無線輸電電磁特性的研究。在ANSYS有限元分析軟件中建立發射和接收線圈電磁模型，采用有限元數值分析方法進行空間磁場的分布研究及線圈電感、分布電容等參數的提取，進一步通過電路和電磁場的耦合作用獲得系統輸出特性和空間電磁場分布特性。

圖2為磁共振無線輸電場路耦合系統仿真示意圖?？偳蠼鈪^域I包括電路求解區域n，、L23和有限元區域92。有限元求解區域的電導率和介電常數是空間坐標的函數，可以用來計算研究不同電磁特性的物體和系統的相互作用。圖3為在AN-SYS軟件中建立的耦合線圈模型。

磁共振無線輸電系統主要包括與發射線圈回路相連接的源端電路部分、發射線圈諧振回路、接收線圈諧振回路、與接收線圈回路相連接的負載電路部分。在場路耦合仿真分析中，在電路模塊建立由電源、電阻、電容組成的源端電路，由電容、電阻組成的負載電路如圖3所示。在電磁場分析模塊中建立發射和接收線圈及周圍介質模型，發射和接收線圈結構形式、數量和分布狀態根據需求進行合理的建模，如圖4所示耦合線圈模型。源端電路和發射線圈諧振回路之間、接收線圈諧振回路和負載電路之間通過線圈兩端的感應電動勢進行耦合。通過時域電磁場分析計算，得到電壓、電流、電感、電容、磁場強度、電場強度等電特性和磁特性分析參數。

3 結論

對于電力無線傳輸的研究已經超出了電路理論所研究的范圍，必須用場的理論來更真實的描述隔空的兩傳輸線圈之間的電磁場關系。ANSYS有限元分析軟件包含的電路設計部分和磁場分部分可以將電力無線傳輸的電路和磁路綜合在一起仿真，使得仿真更真實有效。

參考文獻：

[1]傅文珍，張波，丘東元等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸的最大效率分析與設計[J].中國電機工程學報，2009，29（18）：21-26.

[2]楊赫.關于磁耦合諧振式無線電能傳輸分析[J].無線互聯科技，2017（6）：16-17.

[3]王世山，王德林，李彥明.有限元軟件ANSYS電磁學科的使用及其在電力變壓器分析中的應用[J].西安石油學院學報：自然科學版，2002，17（5）：66-70，1.

[通聯編輯：光文玲]