磁耦合諧振式無線電能傳輸節能裝置

任興寶 郭魯

沈陽工學院

磁耦合諧振式無線電能傳輸節能裝置

任興寶 郭魯

沈陽工學院

本文利用磁耦合諧振理論進行無線電能傳輸，同時采用超聲波測距的方式進行節能保護。掌握了電能傳輸的最佳距離，從而提高整個無線電能傳輸系統的效率，同時對無線電能傳輸有效的節能。

磁耦合諧振電路 無線電能傳輸裝置 超聲波測距

在無線電能傳輸過程中，為了達到電能傳輸的最佳狀態，可以通過修改發射部分和接收部分之間的距離來實現。通過顯示裝置調整好發射部分與接收部分間的最佳距離，可以達到提高無線電能傳輸的效率。

1 磁耦合諧振式電能傳輸工作原理分析及計算

基于磁場耦合諧振的無線電能傳輸裝置由高頻驅動電路、發射回路和接收回路構成，其中發射回路包括驅動線圈和發射諧振線圈，接收回路包括接收諧振線圈及負載線圈電路。發射線圈和接收線圈均為兩個固有諧振頻率相同的LC電路，當驅動信號頻率與線圈固有諧振頻率相同時，發射、接收線圈發生諧振，在磁場的作用下兩線圈之間產生很強的耦合，實現電能的無線傳輸，如下圖1所示就是本設計的簡化模型。

圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統簡化示意圖

磁諧振耦合無線電能傳輸系統主要由高頻驅動信號、驅動線圈、發射線圈、接收線圈、諧振電容和負載回路等構成。為簡化系統分析，僅對發生諧振耦合的發射和接收兩線圈進行等效分析。諧振耦合式電能無線傳輸系統等效電路模型如圖2所示，其中U為理想高頻信號源，頻率為分別為發射線圈、接收線圈在高頻下的電感量，分別是發射、接收線圈在高頻下的寄生電阻，分別為發射、接收線圈的匹配電容(線圈自身分布電容可以忽略不計)，RL為負載電阻，M為兩線圈之間的互感系數，D為兩線圈之間的距離。

圖2 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統等效電路

負載電流有效值IL、輸出功率P0：

其中，P1為發射線圈上損耗的功率，P2為接收線圈上損耗的功率。

對于確定的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(諧振頻率ω0以及RS、RD、RL已定)，當系統的頻率ω變化時，傳輸效率η也發生變化。當系統的驅動信號頻率與線圈的諧振頻率相同即ω=ω0時，傳輸效率η最大；當系統的驅動信號頻率偏離線圈的諧振頻率時，傳輸效率逐漸下降。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸的節能保護的設計

本程序利用超聲波測距模塊，運用51單片機進行編程控制以顯示發射端與接收端的實時距離，以起到實時監控無線傳輸電能動態的功能，當電壓、電流過大時，通過單片機控制，發射端電源斷電以起到保護電路的作用，當電壓、電流過小時，發射端電源也進行斷電工作，以實現節約環保的目的。

3 預測結果的比較和分析

分別對有節能保護裝置和無節能保護裝置的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置進行數據分析如下表1所示。

表1 測試結果（數據）

綜合上述兩種方法的分析，可以看出裝有節能保護裝置的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置的時間短、效率高的完成任務，能夠很好地滿足實際生產要求，可以給予磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置提供有效的指導。

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郭魯