- 頭條重慶大學科研團隊：磁耦合機構拾取線圈平面金屬的影響及抑制方法2022-06-29 作者：蘇玉剛、劉家鳴 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語針對磁耦合機構中與拾取線圈同一平面的金屬對磁耦合無線電能傳輸（MC-WPT）系統帶來的渦流損耗與系統失諧問題，復雜系統安全與自主控制教育部重點實驗室（重慶大學）、重慶大學自動化學院的研究人員蘇玉剛、劉家鳴 等，在2022年第3期《電工技術學報》上撰文，研究了不同材料、尺寸、位置的金屬對耦合機構參數和磁耦合無線電能傳輸系統性能的影響規律。并在此基礎上提出了一種主動抑制線圈平面的金屬對系統影響的耦合機構，給出其參數設計方法。
近年來，隨著無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術的發展，無線電能傳輸技術在國內外備受關注。無線電能傳輸技術中目前應用最廣泛的為磁耦合無線電能傳輸（Magnetic field Coupled Wireless Power Transfer, MC-WPT）技術，該技術已在多個技術領域推廣應用，但同時也帶來一系列的挑戰，尤其是在一些特殊的工作環境內。
航天器供配電系統擔負著向航天器平臺和負載提供、儲存、調節和分配電能的重要任務，一旦出現故障可能需要航天員在軌維修。為防止航天員拔插接插件等遭電擊，供配電系統維修更換需要持續數小時的復雜操作過程，磁耦合無線電能傳輸技術可憑借其可靠性、靈活性和安全性，解決有線供電系統中存在的連接器插接精度要求高、插拔次數有限、插拔機構復雜等問題。
同樣得益于磁耦合無線電能傳輸技術的可靠性、靈活性和安全性，該技術被應用于海洋領域，典型案例是水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）的無線充電。航天器與AUV等設備多采用金屬材料作為密封殼，拾取線圈通常采用在金屬殼體上鑲嵌安裝的方式，同時為保證殼體結構強度，開窗尺寸不宜過大。這會導致在無線電能傳輸系統能量傳輸中，金屬殼體與拾取線圈經磁場形成較強的耦合，在殼體上形成渦流熱損，影響系統傳輸性能，甚至導致系統失諧。
金屬對磁耦合無線電能傳輸系統的影響目前已有較多研究，如金屬對線圈參數的影響、金屬異物對電動汽車無線充電系統的影響等，但大多是針對線圈之間或者線圈底部金屬板的影響分析，目前尚未發現與拾取線圈同一平面的金屬對磁耦合無線電能傳輸系統影響的研究分析。
而在抑制金屬對磁耦合無線電能傳輸系統影響的方面，主要的方法為增加空隙、設計線圈結構。增加空隙常常需要較大的開窗面積以確保金屬與線圈之間有足夠的空隙，不適宜本課題的研究背景。而現有的設計線圈結構方法主要針對線圈底部的金屬板，也不適用于本課題的研究問題。
復雜系統安全與自主控制教育部重點實驗室（重慶大學）、重慶大學自動化學院的研究人員研究了磁耦合機構中與拾取線圈同一平面的金屬對磁耦合無線電能傳輸系統的影響，在有限元仿真軟件COMSOL中建立模型，仿真分析并給出了不同材料、尺寸、位置的金屬對線圈內阻、自感、互感及磁耦合無線電能傳輸系統的影響規律，采用理論分析與實驗證明了該規律的正確性。
圖1 實驗裝置
在上述規律的基礎上，他們提出了一種帶抑制線圈的耦合機構，可有效降低線圈平面的金屬對耦合機構參數以及磁耦合無線電能傳輸系統的影響；在COMSOL仿真平臺與理論推導中分別建立了帶抑制線圈的耦合機構模型與帶抑制的磁耦合無線電能傳輸系統模型對所提耦合機構進行分析，并在此基礎之上給出了帶抑制線圈的耦合機構參數設計方法；搭建了實驗裝置對所提耦合機構的抑制效果及其參數設計方法進行了驗證。
實驗結果表明，在Q235鐵合金影響下帶抑制線圈的耦合機構的拾取線圈內阻僅增加了0.15Ω，而無抑制線圈的耦合機構其拾取線圈內阻則增加了3.30Ω，在金屬影響下帶抑制線圈的磁耦合無線電能傳輸系統效率比無抑制線圈時提高了26%，可見帶抑制線圈的耦合機構大大降低了金屬對耦合機構參數的影響，特別是對線圈內阻的影響，可有效提高系統的傳輸性能。本研究成果對磁耦合無線電能傳輸在航天器、AUV等金屬外殼設備的應用具有指導作用。
本文編自2022年第3期《電工技術學報》，論文標題為“磁耦合機構拾取線圈平面金屬的影響及其抑制方法”，作者為蘇玉剛、劉家鳴 等。
