ANSYS在无线电力传输系统中的应用
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摘要：由于电路仿真软件不能对隔空的两个线圈进行建模仿真，电能无线传输的理论研究大都局限于实验，很难从理论上研究两传输线的电磁场分布。为此，本文利用ANSYS软件强大功能，与电路设计软件接口，实现对电能无线传输系统的隔空仿真。主要介绍了电能无线传输系统以及其在ANSYS有限元分析中的模型。
关键词：无线电力传输;ANSYS;电磁耦合
中图分类号：TP393
文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）04-0224-02
收稿日期：2019-11-02
基金项目：嘉兴学院大学生重点SRT项目（851719303）;嘉兴市科技局应用基础研究专项（2019AD32025）
无线电能传输是一种以非接触的方式实现电源与用电设备之间的能量传输方式，即通过电磁感应、共振、射频、微波和激光等方式实现电能的非接触式传输。根据传输机理不同，无线电能传输可以分为电磁辐射式、电场耦合式和磁场耦合式3种，目前，磁耦合共振无线电能传输越来越受到人们的重视，尤其是在2006年美国麻省理工学院的Marin Soljacic教授所在团队提出了磁耦合共振无线电能传输技术，从而使得中等距离无线电能传输技术取得了巨大的成就，将无线电能传输技术提升到了一个新高度，备受各国研究人员的关注[1]。磁共振耦合无线电能传输技术是利用接收线圈固有频率与发射电磁频率一致时引起电磁共振[2]。关于磁共振无线输电技术的研究，更大程度地优化了过去关于电路传输的固有线路模式，解决在以往传输过程中的使用寿命、绝缘、供电以及监测检修等方面的问题。同时在一定程度上也会提升我国在无线电传输技术领域的发展，也能促进资源的合理运用现象。
综上，想要研究磁共振耦合技术在各领域的应用，必不可少的要能够明确磁共振耦合在磁场中的磁场和电场的分布，即关于隔空传输的两线圈的电磁分布是磁共振耦合技术研究的关键，它能够更好地指导实验。而目前关于两传输线圈的电磁分布研究甚少。
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如：NASTRAN，Creo、Algor、I-DEAS、AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件。
ANSYS可用来分析电磁领域多方面的问题，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线、力、运动效应、电路和能量损耗等[3]。将ANSYS应用于电力无线传输将完全具体的展示两个隔空线圈之间的磁场分布，有利于设计者对实践的指导。
1 电力无线传输电路模型
等效电路理论是将系统参数用集总参数等效，运用基尔霍夫定律建立电路耦合方程组，求解系统的电参数，进行传输性能分析。常用的等效电路分析模型有两线圈结构和四线圈结构。
两线圈能量传输系统由发射线圈与接收线圈组成，其互感耦合模型如图1所示。图中，R，、R，分别为发射线圈和接收线圈的电阻，C1、C2分别为与发射线圈和接收线圈串联的谐振匹配电容，LL为发射线圈和接收线圈的自感，R为负载电阻，M为发射线圈和接收线圈间的互感。
首先建立互感方程，对于平面圆盘线圈，互感M的计算方法可由下式计算：
其中μ0为真空磁导率，r、r2为发射线圈和接收线圈半径，N.N2为匝数，h为发射线圈和接收线圈之间的距离，K和E为第一类和第二类全椭圆积分，k’为模数，k'=√4r1r2/（（r;+r2）+h2）。
正弦稳态下，当系统处于谐振状态时，系统频率f;与谐振器固有频率f均为f，w=2πf，则发射线圈回路阻抗Zq、接收线圈回路阻抗Z2，发射端输入阻抗为Z根据互感理论和基尔霍夫定律，可列出初级发射端和次级接收端回路电压方程
最终可求得发射源端电流1，接收端电流I2，负载功率PRL、输入功率Pin以及传输效率η。
磁共振无线输电的频率选择范围很宽，低至几十kHz，高达数MHz，线圈结构尺寸和传输距离根据应用场合和相对位置的不同存在很大差异，因此不同参数下等效电路的分析的有效性有待论证。另外，为了达到提高传输效率、减小谐振器体积的目的，需要设计新型结构的谐振线圈，复杂结构谐振线圈的特性参数很难通过集总参数等效电路获取。系统环境参数复杂的情况也无法用等效电路方程来描述。
2 电力无线传输的ANSYS模型
考虑磁共振无线输电系统宽频带、多尺度、环境参数复杂度高等特点，将谐振线圈结构线圈数量和相对位置、传输路径遮挡等复杂环境因素概括归纳为统一的电磁问题，通过电磁场和电路协同耦合仿真的方法开展中距离共振无线输电电磁特性的研究。在ANSYS有限元分析软件中建立发射和接收线圈电磁模型，采用有限元数值分析方法进行空间磁场的分布研究及线圈电感、分布电容等参数的提取，進一步通过电路和电磁场的耦合作用获得系统输出特性和空间电磁场分布特性。
图2为磁共振无线输电场路耦合系统仿真示意图。总求解区域I包括电路求解区域n，、L23和有限元区域92。有限元求解区域的电导率和介电常数是空间坐标的函数，可以用来计算研究不同电磁特性的物体和系统的相互作用。图3为在AN-SYS软件中建立的耦合线圈模型。
磁共振无线输电系统主要包括与发射线圈回路相连接的源端电路部分、发射线圈谐振回路、接收线圈谐振回路、与接收线圈回路相连接的负载电路部分。在场路耦合仿真分析中，在电路模块建立由电源、电阻、电容组成的源端电路，由电容、电阻组成的负载电路如图3所示。在电磁场分析模块中建立发射和接收线圈及周围介质模型，发射和接收线圈结构形式、数量和分布状态根据需求进行合理的建模，如图4所示耦合线圈模型。源端电路和发射线圈谐振回路之间、接收线圈谐振回路和负载电路之间通过线圈两端的感应电动势进行耦合。通过时域电磁场分析计算，得到电压、电流、电感、电容、磁场强度、电场强度等电特性和磁特性分析参数。
3 结论
对于电力无线传输的研究已经超出了电路理论所研究的范围，必须用场的理论来更真实的描述隔空的两传输线圈之间的电磁场关系。ANSYS有限元分析软件包含的电路设计部分和磁场分部分可以将电力无线传输的电路和磁路综合在一起仿真，使得仿真更真实有效。
参考文献：
[1]傅文珍，张波，丘东元等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报，2009，29（18）：21-26.
[2]杨赫.关于磁耦合谐振式无线电能传输分析[J].无线互联科技，2017（6）：16-17.
[3]王世山，王德林，李彦明.有限元软件ANSYS电磁学科的使用及其在电力变压器分析中的应用[J].西安石油学院学报：自然科学版，2002，17（5）：66-70，1.
[通联编辑：光文玲]
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