- 頭條華中科技大學專家在無線電能傳輸系統多線圈結構研究上取得新進展2022-05-19 作者：何祥瑞、榮燦燦 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語多線圈系統常用于實現均勻磁場分布，而線圈系統的尺寸優化則決定了磁場均勻程度。為此，強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學）的研究人員何祥瑞、榮燦燦、劉明海，2021年《電工技術學報》增刊2上撰文，研究線圈個數對系統性能的影響。分析表明，優化后的四線圈亥姆霍茲系統產生了比較均勻的磁場。研究結果對于無線電能傳輸技術的耦合機構優化設計及其相關應用具有重要的指導意義。
2007年，以美國麻省理工學院Marin Soljacic教授為首的研究團隊的實驗是無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）歷史上的一座里程碑，他們成功點亮了距離超過2m的60W燈泡，傳輸效率達到了40%。在短短十幾年的時間里，無線電能傳輸技術有了質的飛躍，主要可以分為平面型無線電能傳輸系統和空間型無線電能傳輸系統。
近年來，平面型的系統被廣泛應用于無人機、電動汽車以及陸地機器人等平面設備的充電之中。但由于某些負載的限制，如植入式醫療器械、微機器人等，這些負載在空間中的位置不定，為了維持其充電效率不隨負載位置偏移而波動，同時結合電磁兼容等安全性問題，充電系統需實現較大局部空間內的磁場均勻，而平面型的系統很難滿足其充電需求，因此空間型的無線電能傳輸系統呼之欲出。
目前，關于空間型無線電能傳輸系統主要有以下幾種構成形式：多線圈正交型、旋轉線圈型、單導線立體線圈型、多線圈立體型以及亥姆霍茲線圈型等。其中，亥姆霍茲線圈型結構簡單，只需單個交流電源即可實現空間均勻磁場分布，受到了眾多學者的青睞。
亥姆霍茲線圈系統目前在醫療方面用途廣泛，滿足了微型腸道機器人等人體內部的醫療器械供電需求，旨在解決傳統電纜拖拉供能對人體造成損傷的問題。柯全等學者進行了基于傳統亥姆霍茲線圈的微型腸道機器人無線充電系統設計，并分析了系統的功率、穩定性與人體電磁安全性等指標；范志宇等學者進行了基于傳統亥姆霍茲線圈的醫用內鏡無線充電系統設計，并針對發射線圈的失諧問題進行了全方位的分析，提出了開關電容頻率補償方案。
強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學）的研究人員基于醫療微型腸道機器人無線充電系統的特點，通過對多線圈系統進行基本理論分析，提出了針對尺寸設計的優化方案，探究了傳統單特征點磁場均勻程度作為決策指標的弊端，其不能保證解的唯一性，同時辨析了多特征點磁場均勻程度作為決策指標的優點，其更有利于獲得令磁場均勻的尺寸最優解。
圖1 微型腸道機器人的無線充電系統
研究人員結合遺傳算法，對三線圈、四線圈系統進行了尺寸優化設計，并與二線圈系統進行對比，證明了優化后四線圈系統的高磁場均勻程度，同時探究了線圈個數對系統性能的影響，為空間型無線電能傳輸系統的研究奠定了基礎。
他們最后提出的研究結論如下：
1）本課題分析了圓狀線圈的磁場特性，對多線圈系統在空間所產生的磁場分布進行理論分析，闡述了耦合結構優化中的約束條件、目標變量以及決策指標。指出了單特征點磁場均勻程度設計方案的缺陷。在此基礎上，對多特征點指標進行設計，證明了優化解的唯一性，為無線電能傳輸耦合機構設計提供了理論依據。
2）利用遺傳算法，結合多特征點指標，對三線圈、四線圈系統的匝數比g、距離比s（四線圈系統為s1、s2）進行了結構優化設計。通過與單特征點指標優化方案的對比，指出了多特征點指標優化的優越性。通過對比多線圈系統磁場分布與極小值點個數及其分布特征的關系，討論了極小值點的變化情況及其線圈數量拐點，證實了四線圈系統是較為理想的結構設計方案。
本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“基于無線電能傳輸系統多線圈結構參數優化設計”，作者為何祥瑞、榮燦燦 等。
