学术简报|磁谐振无线电能传输系统空间磁场的时空特性

原创: 汪泉弟、康健炜等 电工技术学报摘要
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)的研究人员汪泉弟、康健炜等,在2018年第19期《电工技术学报》上撰文,基于无线电能传输系统基本结构及磁谐振电能传输状态,对空间磁场的时空特性进行了较深入的研究。在毕奥萨伐尔定律建立的单线圈磁场的基础上,获得收、发线圈在空间产生的合成磁场解析表达式,由此推导出磁场强度矢量的极化公式。
讨论了三种极化形式的形成原因与条件,提出了线极化是系统的固有极化,揭示了磁场极化具有空间分布的特殊性质。将分量幅值比、分量相位差、椭圆轴比作为分析空间磁场的极化参数,通过编程求解得到螺线管线圈系统的椭圆轴比的子午面分布图,发现磁谐振传输系统磁场存在一个线极化的碟形曲面。
在此基础上,研究了平面螺旋线圈系统的磁场轴比分布特性。最后通过仿真和实验验证了磁谐振传输系统磁场时空特性解析分析过程与结论的正确性。

磁耦合式无线电能传输系统通常被划分为磁感应式无线电能传输(Magnetic Inductive Wireless Power Transfer, MI-WPT)和磁谐振式无线电能传输(Magnetic Resonant Wireless Power Transfer, MR-WPT),他们基于电磁感应原理,通过磁场耦合实现电磁能量的传递。因此,磁场是无线电能传输系统电能量传递的重要媒介。
对MR-WPT系统空间磁场的研究,目前仅局限于计算磁场的空间分布,其主要目的是通过对磁场分布的了解,优化系统参数、设计线圈和磁屏蔽结构、分析电磁安全性等。这些研究大多利用软件计算磁场,实现磁路设计或对系统的电磁兼容进行评估。
例如,忽略位移电流对空间磁场的作用,采用磁准静态场模型,直接获得合成磁场在频域下的幅值分布;或考虑位移电流对磁场的影响,采用全波电磁场模型求解电场和磁场分布,但对磁场特性的研究却鲜见报道。
MR-WPT系统的磁场是时变空间矢量场,其基本特性之一是极化,如电磁波的电场矢量、地震波的速度矢量等,对其极化特性均有系统深入的研究和应用。而对MR-WPT系统磁场极化特性的研究,包括形成原因、如何分析和表征等尚未有文献发表。
基于此,本文研究了MR-WPT系统磁场的时空特性,确定了极化现象的存在,揭示了磁场极化具有空间分布的特殊性质。
image.png结论本文研究了MR-WPT系统磁场的时空特性,发现了其独特的极化性质,给出了满足MR-WPT磁场极化特点的极化参数。主要结论如下:
1)MR-WPT系统的空间磁场同时具备线极化、圆极化和椭圆极化。线极化是系统的固有极化,在空间形成一个形态复杂的曲面;圆极化在空间形成一个圆极化环;椭圆极化则出现在空间其余位置,是磁场的主要极化形式。
2)结合MR-WPT系统磁场极化特点和传统极化理论,确定了三种极化参数:分量幅值比、分量相位差和轴比。利用分量幅值比和分量相位差实现了对磁场出现三种极化形式的原因和条件的分析;利用轴比实现了对MR-WPT系统磁场极化分布特性的分析。
3)从验证实验的参数可知,收、发线圈电流相位差无需严格要求90°,只要两电流存在相位差,就存在磁场极化现象,且具备空间分布特性。

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