ANSYS在無(wú)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(duì)隔空的兩個(gè)線圈進(jìn)行建模仿真，電能無(wú)線傳輸?shù)睦碚撗芯看蠖季窒抻趯?shí)驗(yàn)，很難從理論上研究?jī)蓚鬏斁€的電磁場(chǎng)分布。為此，本文利用ANSYS軟件強(qiáng)大功能，與電路設(shè)計(jì)軟件接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)的隔空仿真。主要介紹了電能無(wú)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(wú)線電力傳輸;ANSYS;電磁耦合

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　　無(wú)線電能傳輸是一種以非接觸的方式實(shí)現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的能量傳輸方式，即通過(guò)電磁感應(yīng)、共振、射頻、微波和激光等方式實(shí)現(xiàn)電能的非接觸式傳輸。根據(jù)傳輸機(jī)理不同，無(wú)線電能傳輸可以分為電磁輻射式、電場(chǎng)耦合式和磁場(chǎng)耦合式3種，目前，磁耦合共振無(wú)線電能傳輸越來(lái)越受到人們的重視，尤其是在2006年美國(guó)麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic教授所在團(tuán)隊(duì)提出了磁耦合共振無(wú)線電能傳輸技術(shù)，從而使得中等距離無(wú)線電能傳輸技術(shù)取得了巨大的成就，將無(wú)線電能傳輸技術(shù)提升到了一個(gè)新高度，備受各國(guó)研究人員的關(guān)注[1]。磁共振耦合無(wú)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(shí)引起電磁共振[2]。關(guān)于磁共振無(wú)線輸電技術(shù)的研究，更大程度地優(yōu)化了過(guò)去關(guān)于電路傳輸?shù)墓逃芯€路模式，解決在以往傳輸過(guò)程中的使用壽命、絕緣、供電以及監(jiān)測(cè)檢修等方面的問(wèn)題。同時(shí)在一定程度上也會(huì)提升我國(guó)在無(wú)線電傳輸技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，也能促進(jìn)資源的合理運(yùn)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(chǎng)中的磁場(chǎng)和電場(chǎng)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(dǎo)實(shí)驗(yàn)。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(guó)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(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD，computer Aided design)軟件接口，實(shí)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(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、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(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單方便，現(xiàn)在已成為國(guó)際最流行的有限元分析軟件。

　　ANSYS可用來(lái)分析電磁領(lǐng)域多方面的問(wèn)題，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損耗等[3]。將ANSYS應(yīng)用于電力無(wú)線傳輸將完全具體的展示兩個(gè)隔空線圈之間的磁場(chǎng)分布，有利于設(shè)計(jì)者對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)。

　　1 電力無(wú)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(yùn)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(jìn)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(fù)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(duì)于平面圓盤(pán)線圈，互感M的計(jì)算方法可由下式計(jì)算：

　　其中μ0為真空磁導(dǎo)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(lèi)和第二類(lèi)全橢圓積分，k’為模數(shù)，k'=√4r1r2/((r;+r2)+h2)。

　　正弦穩(wěn)態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)，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(jí)發(fā)射端和次級(jí)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(fù)載功率PRL、輸入功率Pin以及傳輸效率η。

　　磁共振無(wú)線輸電的頻率選擇范圍很寬，低至幾十kHz，高達(dá)數(shù)MHz，線圈結(jié)構(gòu)尺寸和傳輸距離根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和相對(duì)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(dá)到提高傳輸效率、減小諧振器體積的目的，需要設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)的諧振線圈，復(fù)雜結(jié)構(gòu)諧振線圈的特性參數(shù)很難通過(guò)集總參數(shù)等效電路獲取。系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)復(fù)雜的情況也無(wú)法用等效電路方程來(lái)描述。

　　2 電力無(wú)線傳輸?shù)腁NSYS模型

　　考慮磁共振無(wú)線輸電系統(tǒng)寬頻帶、多尺度、環(huán)境參數(shù)復(fù)雜度高等特點(diǎn)，將諧振線圈結(jié)構(gòu)線圈數(shù)量和相對(duì)位置、傳輸路徑遮擋等復(fù)雜環(huán)境因素概括歸納為統(tǒng)一的電磁問(wèn)題，通過(guò)電磁場(chǎng)和電路協(xié)同耦合仿真的方法開(kāi)展中距離共振無(wú)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(jìn)行空間磁場(chǎng)的分布研究及線圈電感、分布電容等參數(shù)的提取，進(jìn)一步通過(guò)電路和電磁場(chǎng)的耦合作用獲得系統(tǒng)輸出特性和空間電磁場(chǎng)分布特性。

　　圖2為磁共振無(wú)線輸電場(chǎng)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(dǎo)率和介電常數(shù)是空間坐標(biāo)的函數(shù)，可以用來(lái)計(jì)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(wú)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(fù)載電路部分。在場(chǎng)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(fù)載電路如圖3所示。在電磁場(chǎng)分析模塊中建立發(fā)射和接收線圈及周?chē)橘|(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(jìn)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(fù)載電路之間通過(guò)線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行耦合。通過(guò)時(shí)域電磁場(chǎng)分析計(jì)算，得到電壓、電流、電感、電容、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度等電特性和磁特性分析參數(shù)。

　　3 結(jié)論

　　對(duì)于電力無(wú)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(chǎng)的理論來(lái)更真實(shí)的描述隔空的兩傳輸線圈之間的電磁場(chǎng)關(guān)系。ANSYS有限元分析軟件包含的電路設(shè)計(jì)部分和磁場(chǎng)分部分可以將電力無(wú)線傳輸?shù)碾娐泛痛怕肪C合在一起仿真，使得仿真更真實(shí)有效。

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