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近年來(lái)，隨著無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線電能傳輸技術(shù)在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注。無(wú)線電能傳輸技術(shù)中目前應(yīng)用最廣泛的為磁耦合無(wú)線電能傳輸（Magnetic field Coupled Wireless Power Transfer, MC-WPT）技術(shù)，該技術(shù)已在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，但同時(shí)也帶來(lái)一系列的挑戰(zhàn)，尤其是在一些特殊的工作環(huán)境內(nèi)。

航天器供配電系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著向航天器平臺(tái)和負(fù)載提供、儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)和分配電能的重要任務(wù)，一旦出現(xiàn)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(tǒng)維修更換需要持續(xù)數(shù)小時(shí)的復(fù)雜操作過(guò)程，磁耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)可憑借其可靠性、靈活性和安全性，解決有線供電系統(tǒng)中存在的連接器插接精度要求高、插拔次數(shù)有限、插拔機(jī)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。

同樣得益于磁耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)的可靠性、靈活性和安全性，該技術(shù)被應(yīng)用于海洋領(lǐng)域，典型案例是水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）的無(wú)線充電。航天器與AUV等設(shè)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(shí)為保證殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，開(kāi)窗尺寸不宜過(guò)大。這會(huì)導(dǎo)致在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸中，金屬殼體與拾取線圈經(jīng)磁場(chǎng)形成較強(qiáng)的耦合，在殼體上形成渦流熱損，影響系統(tǒng)傳輸性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失諧。

金屬對(duì)磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的影響目前已有較多研究，如金屬對(duì)線圈參數(shù)的影響、金屬異物對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的影響等，但大多是針對(duì)線圈之間或者線圈底部金屬板的影響分析，目前尚未發(fā)現(xiàn)與拾取線圈同一平面的金屬對(duì)磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)影響的研究分析。

而在抑制金屬對(duì)磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)影響的方面，主要的方法為增加空隙、設(shè)計(jì)線圈結(jié)構(gòu)。增加空隙常常需要較大的開(kāi)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(xiàn)有的設(shè)計(jì)線圈結(jié)構(gòu)方法主要針對(duì)線圈底部的金屬板，也不適用于本課題的研究問(wèn)題。

復(fù)雜系統(tǒng)安全與自主控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）、重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的研究人員研究了磁耦合機(jī)構(gòu)中與拾取線圈同一平面的金屬對(duì)磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)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(duì)線圈內(nèi)阻、自感、互感及磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的影響規(guī)律，采用理論分析與實(shí)驗(yàn)證明了該規(guī)律的正確性。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

在上述規(guī)律的基礎(chǔ)上，他們提出了一種帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)，可有效降低線圈平面的金屬對(duì)耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)以及磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的影響；在COMSOL仿真平臺(tái)與理論推導(dǎo)中分別建立了帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)模型與帶抑制的磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型對(duì)所提耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)之上給出了帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法；搭建了實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)所提耦合機(jī)構(gòu)的抑制效果及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Q235鐵合金影響下帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)的拾取線圈內(nèi)阻僅增加了0.15Ω，而無(wú)抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)其拾取線圈內(nèi)阻則增加了3.30Ω，在金屬影響下帶抑制線圈的磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)效率比無(wú)抑制線圈時(shí)提高了26%，可見(jiàn)帶抑制線圈的耦合機(jī)構(gòu)大大降低了金屬對(duì)耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)的影響，特別是對(duì)線圈內(nèi)阻的影響，可有效提高系統(tǒng)的傳輸性能。本研究成果對(duì)磁耦合無(wú)線電能傳輸在航天器、AUV等金屬外殼設(shè)備的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

本文編自2022年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“磁耦合機(jī)構(gòu)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。