近年来，随着无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术的发展，无线电能传输技术在国内外备受关注。无线电能传输技术中目前应用最广泛的为磁耦合无线电能传输（Magnetic field Coupled Wireless Power Transfer, MC-WPT）技术，该技术已在多个技术领域推广应用，但同时也带来一系列的挑战，尤其是在一些特殊的工作环境内。

航天器供配电系统担负着向航天器平台和负载提供、储存、调节和分配电能的重要任务，一旦出现故障可能需要航天员在轨维修。为防止航天员拔插接插件等遭电击，供配电系统维修更换需要持续数小时的复杂操作过程，磁耦合无线电能传输技术可凭借其可靠性、灵活性和安全性，解决有线供电系统中存在的连接器插接精度要求高、插拔次数有限、插拔机构复杂等问题。

同样得益于磁耦合无线电能传输技术的可靠性、灵活性和安全性，该技术被应用于海洋领域，典型案例是水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）的无线充电。航天器与AUV等设备多采用金属材料作为密封壳，拾取线圈通常采用在金属壳体上镶嵌安装的方式，同时为保证壳体结构强度，开窗尺寸不宜过大。这会导致在无线电能传输系统能量传输中，金属壳体与拾取线圈经磁场形成较强的耦合，在壳体上形成涡流热损，影响系统传输性能，甚至导致系统失谐。

金属对磁耦合无线电能传输系统的影响目前已有较多研究，如金属对线圈参数的影响、金属异物对电动汽车无线充电系统的影响等，但大多是针对线圈之间或者线圈底部金属板的影响分析，目前尚未发现与拾取线圈同一平面的金属对磁耦合无线电能传输系统影响的研究分析。

而在抑制金属对磁耦合无线电能传输系统影响的方面，主要的方法为增加空隙、设计线圈结构。增加空隙常常需要较大的开窗面积以确保金属与线圈之间有足够的空隙，不适宜本课题的研究背景。而现有的设计线圈结构方法主要针对线圈底部的金属板，也不适用于本课题的研究问题。

复杂系统安全与自主控制教育部重点实验室（重庆大学）、重庆大学自动化学院的研究人员研究了磁耦合机构中与拾取线圈同一平面的金属对磁耦合无线电能传输系统的影响，在有限元仿真软件COMSOL中建立模型，仿真分析并给出了不同材料、尺寸、位置的金属对线圈内阻、自感、互感及磁耦合无线电能传输系统的影响规律，采用理论分析与实验证明了该规律的正确性。

图1 实验装置

在上述规律的基础上，他们提出了一种带抑制线圈的耦合机构，可有效降低线圈平面的金属对耦合机构参数以及磁耦合无线电能传输系统的影响；在COMSOL仿真平台与理论推导中分别建立了带抑制线圈的耦合机构模型与带抑制的磁耦合无线电能传输系统模型对所提耦合机构进行分析，并在此基础之上给出了带抑制线圈的耦合机构参数设计方法；搭建了实验装置对所提耦合机构的抑制效果及其参数设计方法进行了验证。

实验结果表明，在Q235铁合金影响下带抑制线圈的耦合机构的拾取线圈内阻仅增加了0.15Ω，而无抑制线圈的耦合机构其拾取线圈内阻则增加了3.30Ω，在金属影响下带抑制线圈的磁耦合无线电能传输系统效率比无抑制线圈时提高了26%，可见带抑制线圈的耦合机构大大降低了金属对耦合机构参数的影响，特别是对线圈内阻的影响，可有效提高系统的传输性能。本研究成果对磁耦合无线电能传输在航天器、AUV等金属外壳设备的应用具有指导作用。

本文编自2022年第3期《电工技术学报》，论文标题为“磁耦合机构拾取线圈平面金属的影响及其抑制方法”，作者为苏玉刚、刘家鸣 等。