ANSYS在無線電力傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　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?shù)睦碚撗芯看蠖季窒抻趯嶒灒茈y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(shè)計軟件接口，實現(xiàn)對電能無線傳輸系統(tǒng)的隔空仿真。主要介紹了電能無線傳輸系統(tǒng)以及其在ANSYS有限元分析中的模型。

　　關(guān)鍵詞：無線電力傳輸;ANSYS;電磁耦合

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　　無線電能傳輸是一種以非接觸的方式實現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的能量傳輸方式，即通過電磁感應(yīng)、共振、射頻、微波和激光等方式實現(xiàn)電能的非接觸式傳輸。根據(jù)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(shù)，從而使得中等距離無線電能傳輸技術(shù)取得了巨大的成就，將無線電能傳輸技術(shù)提升到了一個新高度，備受各國研究人員的關(guān)注[1]。磁共振耦合無線電能傳輸技術(shù)是利用接收線圈固有頻率與發(fā)射電磁頻率一致時引起電磁共振[2]。關(guān)于磁共振無線輸電技術(shù)的研究，更大程度地優(yōu)化了過去關(guān)于電路傳輸?shù)墓逃芯€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(jiān)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(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，也能促進資源的合理運用現(xiàn)象。

　　綜上，想要研究磁共振耦合技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)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(guān)于隔空傳輸?shù)膬删€圈的電磁分布是磁共振耦合技術(shù)研究的關(guān)鍵，它能夠更好地指導實驗。而目前關(guān)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(nèi)增長最快的計算機輔助工程(CAE)軟件，能與多數(shù)計算機輔助設(shè)計(CAD，computer Aided design)軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如：NASTRAN，Creo、Algor、I-DEAS、AutoCAD等。是融結(jié)構(gòu)、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(yè)、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(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS功能強大，操作簡單方便，現(xiàn)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(lǐng)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(yīng)、電路和能量損耗等[3]。將ANSYS應(yīng)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(shè)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(tǒng)參數(shù)用集總參數(shù)等效，運用基爾霍夫定律建立電路耦合方程組，求解系統(tǒng)的電參數(shù)，進行傳輸性能分析。常用的等效電路分析模型有兩線圈結(jié)構(gòu)和四線圈結(jié)構(gòu)。

　　兩線圈能量傳輸系統(tǒng)由發(fā)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(fā)射線圈和接收線圈的電阻，C1、C2分別為與發(fā)射線圈和接收線圈串聯(lián)的諧振匹配電容，LL為發(fā)射線圈和接收線圈的自感，R為負載電阻，M為發(fā)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(fā)射線圈和接收線圈半徑，N.N2為匝數(shù)，h為發(fā)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(shù)，k'=√4r1r2/((r;+r2)+h2)。

　　正弦穩(wěn)態(tài)下，當系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時，系統(tǒng)頻率f;與諧振器固有頻率f均為f，w=2πf，則發(fā)射線圈回路阻抗Zq、接收線圈回路阻抗Z2，發(fā)射端輸入阻抗為Z根據(jù)互感理論和基爾霍夫定律，可列出初級發(fā)射端和次級接收端回路電壓方程

　　最終可求得發(fā)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(shù)MHz，線圈結(jié)構(gòu)尺寸和傳輸距離根據(jù)應(yīng)用場合和相對位置的不同存在很大差異，因此不同參數(shù)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(shè)計新型結(jié)構(gòu)的諧振線圈，復雜結(jié)構(gòu)諧振線圈的特性參數(shù)很難通過集總參數(shù)等效電路獲取。系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)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?shù)腁NSYS模型

　　考慮磁共振無線輸電系統(tǒng)寬頻帶、多尺度、環(huán)境參數(shù)復雜度高等特點，將諧振線圈結(jié)構(gòu)線圈數(shù)量和相對位置、傳輸路徑遮擋等復雜環(huán)境因素概括歸納為統(tǒng)一的電磁問題，通過電磁場和電路協(xié)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(fā)射和接收線圈電磁模型，采用有限元數(shù)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(shù)的提取，進一步通過電路和電磁場的耦合作用獲得系統(tǒng)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(tǒng)仿真示意圖。總求解區(qū)域I包括電路求解區(qū)域n，、L23和有限元區(qū)域92。有限元求解區(qū)域的電導率和介電常數(shù)是空間坐標的函數(shù)，可以用來計算研究不同電磁特性的物體和系統(tǒng)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(tǒng)主要包括與發(fā)射線圈回路相連接的源端電路部分、發(fā)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(fā)射和接收線圈及周圍介質(zhì)模型，發(fā)射和接收線圈結(jié)構(gòu)形式、數(shù)量和分布狀態(tài)根據(jù)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(fā)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(yīng)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(shù)。

　　3 結(jié)論

　　對于電力無線傳輸?shù)难芯恳呀?jīng)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(guān)系。ANSYS有限元分析軟件包含的電路設(shè)計部分和磁場分部分可以將電力無線傳輸?shù)碾娐泛痛怕肪C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?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計[J].中國電機工程學報，2009，29(18)：21-26.

　　[2]楊赫.關(guān)于磁耦合諧振式無線電能傳輸分析[J].無線互聯(lián)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(yīng)用[J].西安石油學院學報：自然科學版，2002，17(5)：66-70，1.