無線電能傳輸系統(tǒng)的線圈磁場(chǎng)仿真分析
發(fā)布時(shí)間:2018-10-23 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】感應(yīng)線圈作為一種無線電能發(fā)射裝置,其產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度是影響其電能傳輸效率的重要因素之一。本文利用ANSYS建立了感應(yīng)線圈的3D有限元模型,采用棱邊單元法對(duì)發(fā)射線圈進(jìn)行了求解分析,給出了發(fā)射線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況。
摘要
重慶理工大學(xué)的余成波、張林等,在2018年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出,感應(yīng)線圈作為一種無線電能發(fā)射裝置,其產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度是影響其電能傳輸效率的重要因素之一。本文利用ANSYS建立了感應(yīng)線圈的3D有限元模型,采用棱邊單元法對(duì)發(fā)射線圈進(jìn)行了求解分析,給出了發(fā)射線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況。通過改變線圈直徑、線圈匝數(shù)、線圈匝間距的不同設(shè)計(jì)參數(shù),分析研究影響磁場(chǎng)強(qiáng)度的因素以及改變這些關(guān)鍵因素來增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度,分析結(jié)果為優(yōu)化感應(yīng)線圈提供了理論依據(jù)。
傳統(tǒng)電纜具有線路老化,尖端放電以及因?yàn)榻佑|產(chǎn)生電火花等安全問題。無線電能傳輸沒有導(dǎo)線連接,將電源側(cè)電能安全的傳輸?shù)接秒妭?cè),具有靈活、安全、低維護(hù)等優(yōu)良特性[1-2]。但由于其松耦合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),傳輸效率較低,而影響系統(tǒng)傳輸效率的其中一個(gè)重要因素就是發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小[3]。因此,研究線圈不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響,具有重大的研究意義。
感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)參數(shù)主要為:線圈總高度、線圈直徑、線圈匝數(shù)、線圈匝間距、截面形狀。感應(yīng)線圈可以采用多種不同設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)外對(duì)線圈結(jié)構(gòu)研究文獻(xiàn)較少,主要集中在以下幾個(gè)方面:
①增加線圈的個(gè)數(shù),如在裝置中增加中繼線圈[4];②設(shè)計(jì)不同截面形狀的線圈,如MIT研究小組WPT系統(tǒng)采用稀疏圓形截面線圈作為發(fā)射線圈[5],法國AREVA公司的冷坩堝裝置采用多匝密繞型矩形截面線圈作為發(fā)射線圈[6];③采用不同的繞制方式,如盤式諧振器和雙層嵌套線圈[7];④設(shè)計(jì)發(fā)射和接受線圈的不同的放置位置,如共軸平行放置的Helmholtz線圈能滿足較大范圍的磁通量穿過[8]。
以上方法雖然在一定程度上提高了系統(tǒng)的傳輸效率,但復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu),給諧振頻率的設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。利用ANSYS建模發(fā)射線圈,避免了復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過改變線圈自身參數(shù)進(jìn)行磁場(chǎng)仿真計(jì)算,可以快速得到磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖,大大地減少了工作量,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)發(fā)射結(jié)構(gòu)物理模型,為優(yōu)化感應(yīng)線圈提供了理論依據(jù)。
1 ANSYS電磁場(chǎng)基本理論(略)
2 ANSYS仿真
本文建立的模型為載流絞線圈,空氣不均勻地分布在線圈間距和空心范圍內(nèi),故采用單元類型為SOLID236的單元棱邊法進(jìn)行3D建模。SOLID236是一個(gè)能夠?qū)﹄姶艌?chǎng)進(jìn)行建模的具有20個(gè)節(jié)點(diǎn)的3D單元,該單元具有電和磁的自由度,磁自由度基于邊緣通量公式。
2.1 發(fā)射線圈模型的建立
以XOY平面為圓平面,Z軸為高度建立線圈圓環(huán)模型,空氣模型為磚形,如圖1所示。通過布爾操作中的over運(yùn)算將空氣介質(zhì)與線圈澆筑在一起。材料屬性和模型參數(shù)設(shè)置見表1。
圖1:線圈模型和磚型空氣模型
表1:材料屬性和參數(shù)設(shè)置
對(duì)所做的仿真,本文假設(shè)和約定如下:1)近似認(rèn)為材料各向同性。2)不考慮溫度變化的影響。3)近似認(rèn)為空氣區(qū)域無限遠(yuǎn)。
2.2 模型的網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分對(duì)有限元的求解及其重要,單元越小,網(wǎng)格越細(xì),則離散域的近似度越好,計(jì)算結(jié)果也越精確,但計(jì)算量及誤差都將增大。本文建立的線圈模型是一個(gè)規(guī)則的柱體,采用體掃掠方式劃分網(wǎng)格??諝饽P徒?jīng)過澆筑之后形狀變得復(fù)雜,采用自由方式劃分網(wǎng)格。圖2為線圈和空氣的有限元模型,最后通過numcmp命令將其澆筑在一起。
圖2:線圈和空氣網(wǎng)格劃分圖
2.3 施加載荷和邊界條件
線圈作為載流塊導(dǎo)體,模型是柱形,所以加載電流時(shí)需加載環(huán)形電流。切換當(dāng)前坐標(biāo)系為柱坐標(biāo)系,將環(huán)形電流加載在有限元單元上,電流方向水平向右。線圈單元采用電磁場(chǎng)分析操作選項(xiàng),源電流密度可以直接加在有限元單元上,如圖3所示。
圖3:環(huán)形電流模型
2.4 求解
對(duì)模型施加幅值為10kA的恒定電流,圖4給出了線圈的加載情況。加載完畢后,選擇波前求解器進(jìn)行求解。
圖4:施加載荷和邊界件的模型
3 發(fā)射線圈磁場(chǎng)分布規(guī)律
采用波前求解器求解,在后處理器中查看求解結(jié)果。圖5至圖7給出了線圈在不同軸向分量上的磁場(chǎng)的分布情況。
圖5為磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)和磁感應(yīng)通量(B)在X軸方向上的磁場(chǎng),由圖可知,磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)通量云圖的分布規(guī)律一致。其原因?yàn)閷?duì)于各同性線性介質(zhì)來說,由式(5)可知,磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)通量成線性關(guān)系,因此云圖的分布規(guī)律一致,數(shù)值上為相對(duì)磁導(dǎo)率的倍數(shù),理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
由圖5至圖7可知:不同顏色區(qū)域在軸中心處大致呈圓形沿XOY平面向外擴(kuò)大,并且每種顏色都在一定的圓形或環(huán)形柱體內(nèi)。磁通量密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度在XOY平面內(nèi),沿著內(nèi)徑按梯度增大,并且在距離軸中心一定范圍內(nèi)有最大值。電流加載方向水平向右,磁力線方向在線圈內(nèi)部豎直向上,外部磁力線向下,符合右手螺旋定則。
同時(shí),磁通密度矢量箭頭在線圈兩端分布為淺藍(lán)色,磁通密度相對(duì)較弱。線圈中間分布呈橙紅色,磁通密度大,線圈外部磁通密度急劇降低。越靠近感應(yīng)線圈中心,磁力線分布越密集,磁通量密度越大。反之,則相反。發(fā)射線圈周圍磁場(chǎng)分布規(guī)律符合其理論分布特性。
圖5:X軸方向上H和B的分布云圖
圖6:Y軸方向上H和B的分布云圖
圖7:Z軸方向上H和B的分布云圖
4 線圈的結(jié)構(gòu)因素對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響
本文采取控制變量的方法驗(yàn)證不同的線圈設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。從磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖中提取不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù),繪制磁場(chǎng)強(qiáng)度H曲線,分析不同參數(shù)下同一坐標(biāo)位置下的磁場(chǎng)強(qiáng)度,得出結(jié)論。通入線圈電流幅值為10kA,發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。
表2:發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)
4.1 線圈半徑對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響
設(shè)置線圈不同半徑大小,見表3。
表3:不同半徑
計(jì)算線圈在不同徑向距離(XOY平面方向)和縱向距離(Z軸正方向)下產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,其分布曲線如圖8所示。
圖8可以看出:發(fā)射線圈半徑的差異對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度有著明顯的影響。線圈半徑從0.04m增加到0.06m過程中,當(dāng)徑向距離dx<r時(shí),徑向方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度在同一位置處隨著半徑增大而減小;當(dāng)徑向距離dx>r時(shí),徑向方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度在同一位置處隨著半徑增大而增大。原因是在線圈內(nèi)部,半徑越小,則磁通越密集,導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度反而增大。
在線圈外部,由于空氣介質(zhì),磁通量向外擴(kuò)散沒有約束,因此同一位置距離線圈較近,磁場(chǎng)強(qiáng)度較大??v向方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度在同一位置隨著半徑增大而減小。其原因是Z軸上的每一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度由每匝線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的疊加,線圈半徑的增大,線圈距離Z軸的距離增大,因此磁場(chǎng)強(qiáng)度減小。
圖8:不同半徑下磁場(chǎng)強(qiáng)度H分布曲線
當(dāng)r一定時(shí),徑向方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度在半徑范圍外隨著徑向距離的增大顯著減少;縱向方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著縱向距離的增大先增大后減小。磁場(chǎng)強(qiáng)度在d=r處有最大值。同時(shí),隨著線圈半徑的增大,磁場(chǎng)的覆蓋范圍也增大。
綜合考慮,在物理尺寸允許的范圍下,為了獲得較強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和范圍較廣的磁場(chǎng),應(yīng)選擇半徑較大的線圈,縱向方向的磁場(chǎng)的減弱可以通過增大通入電流來彌補(bǔ)。
4.2 線圈匝數(shù)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響
設(shè)置線圈不同匝數(shù),見表4。
表4:不同匝數(shù)
在匝間距一定的情況下,線圈匝數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致線圈高度的變化。不同匝數(shù)的發(fā)射線圈在徑向和縱向的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖9所示。
圖9:不同匝數(shù)下磁場(chǎng)強(qiáng)度H分布曲線
從圖9可以看出:線圈匝數(shù)從10N增加到30N過程中,徑向方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度在同一位置處幾乎沒有變化,而縱向方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度在同一位置處隨著匝數(shù)增加明顯變大,并且在縱向上的磁通量輻射的距離也隨著匝數(shù)的增加而變廣。
當(dāng)n一定時(shí),徑向距離上的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的增大而顯著減小,沿縱向距離的增大先增大而減小。磁場(chǎng)強(qiáng)度在d=r處有最大值。
綜合考慮,雖然匝數(shù)的增加對(duì)徑向距離方向上參數(shù)的磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎沒有影響,但線圈匝數(shù)會(huì)影響設(shè)計(jì)電路的電感,因此在設(shè)計(jì)WPT系統(tǒng)電路時(shí),應(yīng)該靈活考慮,滿足電路要求。
4.3 線圈匝間距對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響
從目前各國對(duì)發(fā)射線圈的實(shí)際設(shè)計(jì)上來看,感應(yīng)線圈在匝間距的設(shè)計(jì)上可采用密繞型和稀疏型,二者的代表性設(shè)計(jì)分別來自法國AREVA和INEEL[10]。設(shè)置線圈不同匝數(shù),見表5。
表5:不同匝間距
在匝數(shù)一定的情況下,匝間距的變化也會(huì)引起線圈總高度的變化。不同匝間距發(fā)射線圈在徑向和縱向的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖10所示。
圖10:不同匝間距下磁場(chǎng)強(qiáng)度H分布曲線
從圖10可以看出:隨著線圈匝間距從2mm增加到6mm,徑向方向和縱向方向上在同一位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度均顯著減小。這是因?yàn)閺较蚧蛘呖v向上任意一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度由每匝線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度疊加和,匝間距的增大,使得相同位置距離其他線圈的距離變遠(yuǎn),因此疊加的磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱。
當(dāng)l一定時(shí),徑向距離上的磁場(chǎng)強(qiáng)度在半徑范圍外隨著距離增大顯著減小??v向距離的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離增大先增大后減小。在l=Rm處,磁場(chǎng)強(qiáng)度均有最大值,同時(shí),匝間距的增大使得線圈的總高度增加,磁場(chǎng)覆蓋范圍增加。
綜合考慮,匝間距的增大雖然增大了磁場(chǎng)覆蓋范圍,但對(duì)徑向和縱向方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度有著明顯的削減。因此在設(shè)計(jì)發(fā)射線圈時(shí),應(yīng)該盡量減少匝間距,建議根據(jù)實(shí)際情況考慮設(shè)計(jì)在2~4mm之間,而磁場(chǎng)的覆蓋范圍可以通過增加匝數(shù)來彌補(bǔ)。
結(jié)論
本文基于ANSYS軟件對(duì)無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈進(jìn)行了有限元仿真分析,研究了線圈附近磁場(chǎng)分布的規(guī)律,并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)利用Matlab軟件繪制了磁場(chǎng)強(qiáng)度的曲線分布圖,分析了感應(yīng)線圈半徑r、匝數(shù)n以及匝間距l(xiāng)這3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)的影響,得到以下結(jié)論:
1)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度在徑向上由線圈半徑附近向兩端衰減,縱向上線圈上下兩端處磁場(chǎng)強(qiáng)度有最大值。
2)線圈半徑的增大有利于增大線圈徑向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度,縱向上磁場(chǎng)強(qiáng)度有一定程度的衰減,可以通過增大通入電流來增大縱向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
3)線圈匝數(shù)的增加對(duì)徑向上的磁場(chǎng)分布幾乎沒有影響,由于線圈總高度的增加,縱向上磁場(chǎng)強(qiáng)度有所增大。在具體設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮實(shí)際電路中匝數(shù)對(duì)線圈電感的影響。
4)線圈匝間距的增加會(huì)顯著降低徑向和縱向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
綜上幾點(diǎn)考慮,在實(shí)際電路中,建議發(fā)射線圈半徑設(shè)計(jì)盡量滿足最大物理要求,匝數(shù)可根據(jù)電路特性自由選取,線圈采取密繞型繞法,建議匝間距為2-4mm。
作者:余成波、張林等
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