多传感器系统无线电能传输装置分析 本文关键词：电能，传感器，传输，装置，分析
多传感器系统无线电能传输装置分析 本文简介：摘要:针对石油化工等恶劣环境下传感器有线供电的安全隐患和维护困难，对无线电能传输在多传感器系统的应用进行研究，分析了磁耦合谐振无线电能传输的物理机理和数学模型，得出耦合参数对系统传输功率效率的影响;在ANSYS有限元软件中，建立了单发射线圈、三接收线圈的耦合机构模型，并进行对横向偏移、纵向偏移、激励
多传感器系统无线电能传输装置分析 本文内容：
摘要:针对石油化工等恶劣环境下传感器有线供电的安全隐患和维护困难，对无线电能传输在多传感器系统的应用进行研究，分析了磁耦合谐振无线电能传输的物理机理和数学模型，得出耦合参数对系统传输功率效率的影响;在ANSYS有限元软件中，建立了单发射线圈、三接收线圈的耦合机构模型，并进行对横向偏移、纵向偏移、激励频率的参数化扫描，得出线圈间相对位置变化对耦合参数的影响、激励频率变化对传输效率的影响;设计了单发射端三接收端的无线电能传输实验平台，实现了对SENSOＲ-PUCK传感器的多负载无线供电。实验结果证明了所设计多传感器无线供电系统的可行性，对无线电能传输技术在传感器领域的实际应用具有指导作用。
关键词:无线电能传输;磁耦合谐振;无线传感器;有限元分析
无线传感器网络的有线供电方式具有线路损耗带来安全隐患、石油化工场景下可靠性差、传感器供电灵活性低等劣势［1］。为解决多节点传感器网络供电问题，亟需无接触供电方式取代传感器有线供电，在传感器无线通信网的基础上建立起无线能量网，提升供电安全性和灵活性。无线电能传输(wirelesspowertransmission，WPT)技术不经过导线接触，而通过空间电磁场、电磁波等方式将电能由电源侧传递到负载侧，具有安全可靠、宽广灵活等优势［2］，并且可以实现单电能发射端对多传感器负载同时供电。按照传输机理区分，无线电能传输技术主要分为磁感应耦合、电场耦合、电磁波辐射三种实现方法。其中电场耦合方式传输距离较短、难以实现大功率传输［3］，微波辐射方式工作频率高、传输效率过低，磁感应耦合逐渐成为学术界与工业界的主流实现方式。Tesla［4］首先开展了基于电磁感应原理的近场无线输电研究，演示了磷光灯的无线供电，并意图利地球电离层间的8Hz低频共振实现全球无线供电。2007年，Soljacic等人提出了磁耦合谐振［5］(magneticresonantcou-pling，MＲC)的概念，利用高品质因数的谐振线圈补偿较低的耦合系数［6］，达到了传输距离和传输效率的平衡，引领了无线电能传输技术的研究应用浪潮。本文分析了磁耦合谐振无线电能传输(MＲC-WPT)的物理机理和数学模型;设计了用于多传感器无线供电的磁耦合机构，并进行有限元分析;搭建了多传感器系统的无线电能传输实验装置。
1理论分析
1．1磁耦合谐振原理
MＲC-WPT系统利用发射器产生高频交变磁场，通过电磁场耦合方式将电能传递至接收端，如图1(a)所示。同时将电源频率调至与发射器、接收器的本征频率一致，当两端间距满足强耦合条件，通过LC谐振加快发射/接收线圈间的磁能交换和线圈内部的电能/磁能交换，实现两谐振体间的高效电能传输。MＲC-WPT具有高品质因数、高工作频率、恒频工作的特点［7］，且系统与外部环境的电磁耦合十分微弱，几乎不产生相互作用。MＲC-WPT与磁感应耦合式WPT、微波辐射式WPT的传输性能比较当磁耦合无线电能传输处于满足谐振状态时，综合传输性能最佳，因而成为了近场无线电能传输领域的研究热点［8］。
1．2磁耦合谐振等效模型
MＲC-WPT系统的基本补偿拓扑结构分析方法类似，四线圈模型中的电源线圈、负载线圈可等效为发射/接收线圈的阻抗匹配电路，四线圈模型可简化为两线圈结构分析［9］。以两线圈模型的SS拓扑结构为例进行分析。等效电路如图1(b)所示。其中，Us为高频交流电源，Ｒs为电源交流内阻，Ｒ1/Ｒ2/L1/L2分别为发射端和接收端线圈的等效电阻、电感，C1/C2分别为双边谐振补偿电容。ω为谐振器本征角频率。M为发射/接收端线圈间互感，I1/I2分别为发射端、接收端电流，ＲL为负载阻抗，根据互感等效电路理论，列写系统耦合回路方程当MＲC-WPT系统处于完全谐振状态时，元件感容特性抵消，即根据以上数学模型可以得出，系统输出特性与高频电源输出电压、激励频率，耦合单元结构、电路参数、谐振频率，输出负载阻抗等参数相关。给定系统参数和负载阻抗时，传输功率和效率随线圈间距增大互感M减小而降低。
2有限元仿真分析
2．1耦合机构设计
在ANSYS有限元分析软件中，搭建了如图2所示的单发射端三接收端耦合机构，发射线圈半径84mm、接收线圈半径43mm，均为绕制10匝的圆盘式螺旋结构;为避免磁饱和降低磁滞损耗，安装铁氧体磁芯板;为电磁兼容设计优化磁场分布，设置铝导体屏蔽板。在Maxwell静磁场仿真中绘制模型XZ截面的磁场强度云图如图3所示。可以看出，所设计的发射器产生磁场可以铰链至各接收器，添加的磁芯板和屏蔽板有效优化了磁场分布。
2．2耦合参数分析
在Maxwell涡流场求解中，对接收线圈1与发射线圈间的气隙和横向偏移分别进行20mm到300mm步长40mm，0mm到300mm步长50mm的参数化扫描，模拟线圈相对位置的动态变化。根据仿真结果绘制的线圈电感和耦合系数随相对位置变化曲线如图4、图5所示。仿真结果表明，线圈自感受横向偏移变化的影响较小，气隙达到100mm后自感基本保持不变。当横向偏移较小时，随着气隙增大，线圈互感和耦合系数均急剧降低，且下降趋势逐渐放缓，最终趋近于零;当横向偏移较大时，互感值和耦合系数一直很低，随气隙变化幅度较小。
2．3频率分析
在HFSS高频分析中，对接收线圈1与发射线圈间的气隙进行100～900mm步长50mm的参数化扫描，频率分析由1．5～5MHz。根据仿真结果绘制的传输效率S21幅度和相位随频率、位置变化曲线如图6、图7所示。高频仿真结果表明，线圈间距在900～400mm之间，传输系数S21随激励频率正态分布，系统工作于本征频率时满足谐振条件，传输效率最优，传输效率峰值随距离减少而逐渐增大;线圈间距在350～100mm之间，线圈互感超过一定阈值，出现谐振频率分裂现象，出现2个使传输效率最优的谐振频率点，而原本征频率点处变为传输效率的极小值，且距离越小频率分裂现象越明显，需要对发射/接收端进行频率跟踪［10］，根据传输性能目标调整激励频率至谐振频率点。
3实验验证
为了验证理论与仿真分析的正确性，根据ANSYS中设计的耦合机构参数搭建了无线电能传输实验系统，直流电源GDP—3303S通过发射器的电容稳压和高频逆变环节连接发射线圈，产生高频磁场，通过磁场耦合为3个接收端负载供电，接收端控制器分别连接SiliconLabs的SENSOＲ-PUCK环境光传感器、相对湿度温度传感器平台和LED灯组，通过TS3310升压DC/DC变换器调节接收功率。示波器SDS1052DL测得接收端输出电压波形分别如图8所示。可以看出，所搭建的无线电能传输系统可以实现单电源发射器对多传感器负载的无线供电，输出电压稳定可调。配合SENSOＲ-PUCK的蓝牙模块，实现了传感器数据与能量的并行无线传输。
4结论
对多传感器系统的无线电能传输技术应用进行研究，分析了无线电能传输的磁耦合谐振补偿机理和等效电路模型，得出在给定系统参数和负载阻抗情况下，传输功率和效率主要受线圈耦合系数、自感互感等耦合参数影响的结论;利用ANSYS软件设计了单发射器多接收器的磁耦合机构，进行横向偏移、纵向偏移、激励频率的参数化扫描，得出线圈相对位置变化对耦合参数的影响和激励频率变化对传输效率的影响;根据理论分析和有限元仿真的优化参数，搭建了单发射端三接收端的无线电能传输实验装置，实现了对SEN-SOＲ-PUCK传感器多负载的无线供电，实验结果表明输出端供电电压稳定，证明了所设计多传感器无线供电系统的可行性。
作者：冯旭 高强 尹志锋 李学科 单位：天津理工大学 电气电子工程学院 中国石油兰州石化公司 中海石油(中国)有限公司
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