實驗名稱：無線電能傳輸系統中新型線圈結構的准恒定互感計算與優化

　　研究方向：無線電

　　測試目的：

　　從線圈本體結構的優化設計出發，基于准恒定互感計算與優化方法，設計了在水平方向具有高偏移容忍度的新型線圈結構，在不需要額外增加任何諧振補償網絡和輔助控制裝置的情況下，能夠大幅度提高系統在水平方向上的抗偏移能力。

　　測試設備：ATA-3090功率放大器、任意波形函數發生器、數字功率分析儀、示波器、三維移動平台、發射線圈、發射端補償電容、接收線圈、接收端補償電容和無感負載電阻。

　　實驗過程：

　　圖1：無線電能传输试验平台

　　首先搭建MCR-WPT系统样机和無線電能传输试验平台如上图图1所示，图中实验仪器分别为功率放大器、任意波形函数发生器、数字功率分析仪、其中任意波形函数发生器和Aigtek的ATA-3090功率放大器组成系统电源，负载电阻采用高精度无感可调变阻器，高精度三维移动平台可以实现线圈间水平方向偏移，移动距离精度可达0.1mm，示波器用来观测系统输入输出波形，使系统保持谐振状态，数字功率分析仪用来分析系统的输出功率和效率。通过连续改变两接收线圈反串联型结构的接收线圈在Y轴方向的偏移距离，得到系统输入电压、输入电流与输出电压、输出电流以及系统传输效率随偏移距离的变化情况如图2和图3所示。

　　圖2：輸出功率與傳輸效率隨偏移距離變化關系圖

　　圖2爲偏移時系統的輸出功率和傳輸效率隨偏移距離的變化關系，系統傳輸效率指負載功率與電源的輸入功率之比。線圈正對時，系統輸出功率爲54.63W，傳輸效率爲91.37%；當發射線圈沿Y軸+方向偏移到極限距離240mm時，系統的輸出功率爲55.33W，傳輸效率爲91.18%；當發射線圈沿Y軸-方向偏移到極限距離240mm時，系統的輸出功率爲57.22W，傳輸效率爲90.03%。在超過Y軸+方向或Y軸-方向的偏移極限距離後，再隨著偏移距離的增加，系統傳輸效率加速下降，這是由于互感減小導致的；同時系統的輸出功率也迅速增大，這是因爲互感在一定範圍內的減小會引起發射線圈Tx中的電流增加，從而使得系統輸出功率增加。

　　圖3：輸出電壓與輸出電流隨偏移距離變化關系圖

　　系統的輸出電壓Uout和輸出電流Iout隨偏移距離的變化關系如圖3所示，從系統輸出電壓曲線上看，Y軸+方向的極限偏移距離爲240mm，此時Uout爲24.18V，Y軸-方向的極限偏移距離同樣也爲240mm，此時Uout爲24.52V，而在超出Y軸+方向和Y軸-方向極限偏移距離後，Uout不能穩定在24V，並隨偏移距離的增加而增加。

　　實驗結果：

　　兩接收圓形線圈反串聯型結構具有很強的抗偏移性能。發射線圈外圈直徑爲465mm，接收線圈外圈直徑爲610mm的磁耦合機構，在Y軸+方向和Y軸-方向極限偏移距離240mm範圍內，系統的傳輸效率整體上幾乎不隨偏移距離的變化而變化，而且傳輸效率始終保持在90%以上，輸出功率變化不超過5%，在沒有任何輔助控制裝置的情況下，系統輸出電壓和輸出電流也基本可以保持恒定。

　　兩接收線圈反串聯型結構通過優化設計後，在沒有增加任何阻抗匹配網絡和輔助控制裝置的情況下，可實現系統在任意水平方向（包括X轴和Y轴方向）偏移240mm内（相当于发射线圈外径的51.6%）90%以上高效率能量传输，输出功率和传输效率几乎可以保持恒定，同时可以实现恒压和恒流输出，能够极大简化MCR-WPT系统的恒压或恒流控制策略，并降低系统的成本和控制难度。此结构不仅适用于便携式和家用移动电子产品的静态無線電能傳輸系統，同时也适用于电动汽车和工业机器人等动态無線電能傳輸系統。

　　安泰ATA-3090功率放大器：

　　圖：ATA-3090功率放大器指標參數

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　　本文实验案例参考自知网论文《無線電能傳輸系統中新型線圈結構的准恒定互感計算與優化》