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近年來，隨著無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)的發(fā)展，無線電能傳輸技術(shù)在國內(nèi)外備受關(guān)注。無線電能傳輸技術(shù)中目前應(yīng)用最廣泛的為磁耦合無線電能傳輸（Magnetic field Coupled Wireless Power Transfer, MC-WPT）技術(shù)，該技術(shù)已在多個技術(shù)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，但同時也帶來一系列的挑戰(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)著向航天器平臺和負(fù)載提供、儲存、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)小時的復(fù)雜操作過程，磁耦合無線電能傳輸技術(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、插拔機構(gòu)復(fù)雜等問題。

同樣得益于磁耦合無線電能傳輸技術(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，同時為保證殼體結(jié)構(gòu)強度，開窗尺寸不宜過大。這會導(dǎo)致在無線電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸中，金屬殼體與拾取線圈經(jīng)磁場形成較強的耦合，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。

金屬對磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的影響目前已有較多研究，如金屬對線圈參數(shù)的影響、金屬異物對電動汽車無線充電系統(tǒng)的影響等，但大多是針對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磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)影響的研究分析。

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

復(fù)雜系統(tǒng)安全與自主控制教育部重點實驗室（重慶大學(xué)）、重慶大學(xué)自動化學(xué)院的研究人員研究了磁耦合機構(gòu)中與拾取線圈同一平面的金屬對磁耦合無線電能傳輸系統(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、位置的金屬對線圈內(nèi)阻、自感、互感及磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的影響規(guī)律，采用理論分析與實驗證明了該規(guī)律的正確性。

圖1 實驗裝置

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構(gòu)，可有效降低線圈平面的金屬對耦合機構(gòu)參數(shù)以及磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的影響；在COMSOL仿真平臺與理論推導(dǎo)中分別建立了帶抑制線圈的耦合機構(gòu)模型與帶抑制的磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)模型對所提耦合機構(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構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法；搭建了實驗裝置對所提耦合機構(gòu)的抑制效果及其參數(shù)設(shè)計方法進(jìn)行了驗證。

實驗結(jié)果表明，在Q235鐵合金影響下帶抑制線圈的耦合機構(gòu)的拾取線圈內(nèi)阻僅增加了0.15Ω，而無抑制線圈的耦合機構(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線電能傳輸系統(tǒng)效率比無抑制線圈時提高了26%，可見帶抑制線圈的耦合機構(gòu)大大降低了金屬對耦合機構(gòu)參數(shù)的影響，特別是對線圈內(nèi)阻的影響，可有效提高系統(tǒng)的傳輸性能。本研究成果對磁耦合無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》，論文標(biāo)題為“磁耦合機構(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。