非接觸電能傳輸的實驗電路設計

劉一緯　黃矗　胡文港

摘 要：傳統的電能傳輸方式常采用諸如插頭、開關等機械接觸，在化工、采礦、水下等易燃易爆的特殊場合極易引發事故。另外，隨著醫學上人工器官以及體內診療裝置的迅速發展，體內充電的要求變得更加迫切。而傳統的能量傳輸方式需要用導線將體外與體內的裝置直接連接，給病人帶來了極大不便并易導致皮膚感染等痛苦。非接觸式電能傳輸技術將禍合器的磁路分開.初、次級繞組分別繞在不同的鐵心上.實現了電源和負載之間非機械連接的電磁能量傳遞.可望解決上述特殊場合所存在的問題。

關鍵詞：電能傳輸；機械接觸；非接觸式

1 研究的目的及意義

電能是傳統石化燃料的主要替代能源，并且在實際應用中電能也是最好的取代和應用的清潔能源之一。但是電池在目前的技術水平下有兩個個問題無法解決：一是充電時間長；二是續航時間短。各行業寄希望于電池行業能夠早日實現技術突破，解決掉這兩個技術難題。然而，電池技術在短時間之內是很難有質的飛躍。方便、舒適、美觀逐漸成為人們對新時代生活用品的要求。在人們長期因為用電器件的供電問題煩惱時，出現了非接觸式電能傳輸并且發揮了它應有的價值、優勢和功能。

非接觸電能傳輸技術的基本目的就是實現不通過輸電線，直接將電能通過電磁波的形式發送到需要用電的地方。而對于電能的傳輸也就是電能的利用上最關注的就是：

安全性：通過電磁波進行電能傳輸，產生的較大的電磁波不能對環境中其他的生物產生任何的影響。

小型性：原本是為了解決電能傳輸的方便性，但是也不能因為取代了輸電線傳電的方式而帶來了較大的笨重的儀器設備。應該設計出方便攜帶，基本不影響美觀、重量的輸電模塊。

穩定性：盡量是輸入端輸入的電能的波形與輸出端輸出的波形一致，盡量避免波形的失真。并且，如何使得每一點

高效性：對電能的利用率問題，這也是最值得關注的，利用空氣中電磁波的電能傳輸，必將有大量的能量浪費。哪些因素會影響電能的傳輸效率，提供怎么樣的環境可以使電能的傳輸效率提高。

2 系統設計主要任務

電路結構：

3 硬件電路設計

電源端設計：

圖1中，L1、L2、L3大感量電感是作為推挽輸出的模擬電流源。IRF840是NMOS管，電路中作為開關器件。C1和L4組成諧振頻率為100KHz的RL振蕩電路。

LC并聯諧振電路的諧振振蕩頻率：

當電路通電時，兩個MOS管所組成的半橋電路便開始工作。由于電路中的噪聲，兩個MOS管開關頻率是不確定的。由于電路中的噪聲頻域范圍很廣，必然含有100KHz左右的噪聲。而LC并聯電路對100KHz的頻率有選頻作用，100KHz的分量就會被放大。從而100KHz的頻率便占到了主導作用，MOS管的開關頻率便穩定到100KHz。

本電路的選用的NMOS管是IRF840，最大導通飽和電流Is=8.5A，門控電壓VGS=2.0-4.0，靜態電阻RDS=0.7Ω，符合本電路的設計要求。一方面，MOS管作為電子開關；另一方面MOS也作為放大電路使用。

電路穩定后，通過仿真得到的結果：

峰值電壓：Vp-p=±15.3V

電壓有效值：Vrms=7.7V

頻率約為97.5KHz

接受端電路設計：

經過LC震蕩電路，電磁波由電感線圈發出。接收端電感線圈通過空氣與原邊電感線圈耦合，感應出電動勢。感應出的電動勢是交流的，而所使用的空氣泵確是直流電動機。因此，通過橋式整流把交流電整流為直流。

在接收端電感并聯補償電容，二次回路將會產生LC振蕩電流，無功功率增加，從而電感L5上的電流增大，加大傳輸效率。通過整流橋和47uF的大電容使電壓波形穩定，穩壓二級管進一步穩定電壓，從而獲得較為可靠的直流電壓。R1是等效負載。

結論：本設計完成了從仿真軟件Multisim上實現了100KHZ的振蕩頻率的諧振電路，并且模擬實現了從直流到交流，又經過功率放大電路產生較大功率的振蕩電流，加大了傳輸效率，之后在接收端有通過LC振蕩電路接收信號，最后將受到的交流電又轉化為直流電，實現了電能的非接觸傳輸。

4 結束語

非接觸充電能夠克服傳統電能傳輸方式的很多缺點，具有很大的市場和研究價值。展望未來，隨著技術和材料的不斷進步，效率更高、更加安全可靠的非接觸供電將出現在我們的生活中。這將彌補移動終端以及電動汽車電池續航能力差，充電不方便等缺點，進一步方便我們的生活。