磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉新竹，晏永紅，展 慧

（武昌工學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430465）

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉新竹，晏永紅，展 慧

（武昌工學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430465）

采用電磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，運(yùn)用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的小功率磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)。

磁耦合諧振式；無線電能；諧振頻率

傳統(tǒng)的電能傳輸形式易產(chǎn)生接觸火花，因此存在各種安全隱患等問題，而且現(xiàn)在越來越多使用電子電器設(shè)備的場(chǎng)所以及一些惡劣環(huán)境的場(chǎng)合對(duì)供電的方便性、安全性有極高的要求，而電磁耦合無線電能傳輸技術(shù)可以有效解決這類問題。

通常情況下，當(dāng)激勵(lì)線圈與負(fù)載線圈采用相同尺寸的單匝線圈，激勵(lì)線圈在高頻正弦電壓的作用下輸出交變磁場(chǎng)，只要達(dá)到諧振線圈的諧振頻率就會(huì)產(chǎn)生諧振耦合，而其他未達(dá)到的諧振頻率的物體則不能感應(yīng)磁場(chǎng)能量，這樣發(fā)射端源源不斷為系統(tǒng)提供電能，而接收端將不斷消耗電能，就實(shí)現(xiàn)了無線電能傳輸。

1 電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的建模

電磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中主要有發(fā)射電路（高頻振蕩電路和功率放大電路）、傳輸電路（兩個(gè)諧振線圈）、接收電路（整流和濾波電路）等三大部分組成。

設(shè)計(jì)中諧振耦合環(huán)節(jié)、整流濾波電路和高頻逆變電路是影響系統(tǒng)傳輸特性的主要因素。為了盡可能提高實(shí)驗(yàn)成品各方面的性能指標(biāo)，在本設(shè)計(jì)中，分別對(duì)每個(gè)模塊電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)的選取、導(dǎo)線材料的選擇及磁耦合方式進(jìn)行了不同的設(shè)計(jì)方案論證，并選取最優(yōu)方案。

2 電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

（1）發(fā)射電路的設(shè)計(jì)。發(fā)射電路由高頻正弦信號(hào)、功率放大電路、激勵(lì)線圈三部分組成。振蕩電路的主要指標(biāo)有振蕩頻率、頻率穩(wěn)定度、振蕩幅度和振蕩波形等。

E類功率放大器(功放)是一種高效率的開關(guān)類功放，基于E類功放的極坐標(biāo)發(fā)射機(jī)能夠改善傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)的低效率性能。E類功率放大器的典型電路是由單個(gè)晶體管和負(fù)載所組成，在輸入信號(hào)的激勵(lì)下，晶休管呈開關(guān)狀態(tài)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是管子需待管壓降降至最低，電流才能導(dǎo)通。

（2）傳輸電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)磁耦合諧振式無線電能傳輸機(jī)理，電磁諧振耦合線圈傳輸功率的能力和效率，與耦合電感線圈及磁路的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。①線圈的選取。耦合線圈的選型非常關(guān)鍵。在耦合線圈繞線選型時(shí)，不僅需要考慮系統(tǒng)對(duì)耦合線圈的體積、厚度等因素的要求，還需綜合考慮收發(fā)線圈本身的品質(zhì)因數(shù)和兩者之間的耦合互感系數(shù)等，在線圈設(shè)計(jì)中，為了減少收發(fā)線圈的損耗，提高系統(tǒng)的傳輸特性，一般繞制線圈的匝數(shù)越少越好。選用利茲線作為收發(fā)線圈的材料，電磁場(chǎng)能夠比較均勻地分布，各導(dǎo)線上的電流分布就會(huì)較為平均，可以減緩趨膚效應(yīng)。發(fā)射電感線圈匝數(shù)5匝，測(cè)其電感量為13.5uH，發(fā)射線圈與接收線圈的參數(shù)一致。②磁路結(jié)構(gòu)的選擇。設(shè)計(jì)中磁路結(jié)構(gòu)選擇的是螺線線圈式，這種方式具有傳輸距離遠(yuǎn)和傳輸效率高，且這種結(jié)構(gòu)的線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)均勻，具有較好的方向性，適合用于無線電能傳輸系統(tǒng)。

（3）接收電路的設(shè)計(jì)。接收電路主要由整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路三部分組成。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說如何把高效的轉(zhuǎn)化接收到的電能，并能實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電，是設(shè)計(jì)中非常重要的一部分。①整流電路的設(shè)計(jì)。接收端需將接收到的高頻正弦交流電進(jìn)行整流處理。整流電路選用橋式整流電路，橋式電路具有能夠讓負(fù)載獲得更高的電壓和電流且有脈動(dòng)較小。變壓器的繞組利用率較高。單相全控橋式整流電路與半波整流電路比較，單相全控橋式整流電路的功率因數(shù)提高了倍，相同功率下，流過晶閘管的平均電流減小一半。不存在變壓器直流磁化問題。②濾波電路的設(shè)計(jì)。高頻交流電經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)換成了直流電，若不進(jìn)行濾波直接對(duì)負(fù)載供電，會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成嚴(yán)重的諧波干擾。因此還需在接收電路中加入濾波電路，保存接收電路中經(jīng)過高頻整流后的直流成分，從而使輸出電壓趨于穩(wěn)定的直流電壓。濾波電路選用的是電容濾波。電容濾波電路簡(jiǎn)單，在負(fù)載電阻上并聯(lián)濾波電容C，電容器兩端的電壓即為輸出電壓。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

利用設(shè)計(jì)好的小功率磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)裝置完成對(duì)無線電能傳輸特性的研究。傳輸效率測(cè)試：將100R/150W的磁盤變阻器串接到接收端輸出回路，保持發(fā)射線圈與接收線圈的間距X=70cm、以及輸入電壓U1=15V，使接收端橫流輸出I2=0.5A，測(cè)出此時(shí)的傳輸效率，測(cè)試7次的傳輸效率用折線圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)完全諧振于固定頻率1MHZ，發(fā)射線圈與接收線圈的距離為70cm時(shí)內(nèi)，可成功點(diǎn)亮2只串聯(lián)的1W的LED燈,傳輸平均效率約為45%。

圖1 效率折線圖

4 結(jié)語

電磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中包括發(fā)射電路、傳輸電路、接收電路三大部分。系統(tǒng)各個(gè)部分的選型與分析都十分重要，各部分都滿足了要求，才能使系統(tǒng)的電能傳輸達(dá)到最優(yōu)化。設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，整個(gè)系統(tǒng)完全諧振于固定頻率1MHz，發(fā)射線圈與接收線圈的距離為70cm時(shí)內(nèi)，可成功點(diǎn)亮2只串聯(lián)的1W的 LED燈,傳輸平均效率約為45%。

On Design of Transmission System of Wireless Power via Magnetic Resonance Coupling

LIU Xin-Zhu,YAN Yong-hong,ZHAN Hui
（Institute of Information Engineering;Wuchang University of Engineering Wuchang,Wuhan,Hubei 430465,China).

in this paper,wireless power transmission technology based on magnetic resonance was adopted to design a simple wireless power transmission system via magnetic resonance coupling combined with the integration of theories and experiments.

magnetic resonance coupling;wireless power;resonant frequency

TM724

A

2095-980X（2015）04-0035-01

2015-02-15

武昌工學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（2014KY04）

劉新竹（1979-)，女，講師，主要研究方向：電氣控制。