無線電能傳輸裝置的設計

郭魯 沈陽工學院

無線電能傳輸裝置的設計

郭魯 沈陽工學院

文中介紹了一種磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置。該裝置包括了發(fā)射部分和接收部分，發(fā)射裝置包括電源電路、震蕩電路、驅(qū)動電路和發(fā)射線圈；接收部分包括了接收線圈、整流電路、穩(wěn)壓電路。

無線電能傳輸裝置 磁耦合諧振電路 線圈

在無線電能傳輸過程中，一般通過修改發(fā)射部分和接收部分之間的距離，來調(diào)整電能傳輸?shù)淖罴褷顟B(tài)。

1 理論基礎

磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)幕纠碚撌躯溈怂鬼f電磁場理論，麥克斯韋理論認為運動著的電荷或者交變的電場在其周圍能夠產(chǎn)生磁場，而交變的磁場又能夠產(chǎn)生電場。如圖1所示。

H表示磁場強度，當螺旋線圈中通過交變電流時它的周圍將產(chǎn)生交變磁場。離中心線圈越近，磁場強度H越大。

2 系統(tǒng)的工作原理

非接觸式無線能量傳輸利用電磁感應原理實現(xiàn)能量傳遞，其特別之處在于：用于諧振耦合能量無線傳輸?shù)?個線圈發(fā)生自諧振，即線圈本身高頻等效電路發(fā)生自諧振，使線圈回路阻抗達到最小值，從而使大部分能量往諧振路徑傳遞。諧振耦合電能無線傳輸裝置如圖2所示，一個完整的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)，除2個發(fā)生自諧振的開路線圈外，還必須有發(fā)射功率源和接收功率設備。

發(fā)射電路作為激勵源，產(chǎn)生高頻的磁場，為系統(tǒng)提供高頻信號。發(fā)射源、發(fā)射線圈、接收線圈、負載電路具有相同的固有頻率。首先由發(fā)射電路產(chǎn)生高頻磁場，發(fā)射線圈在高頻磁場下發(fā)生諧振，此時發(fā)射線圈與接收線圈在諧振頻率下發(fā)生強磁耦合諧振，最后，接受線圈在通過耦合把能量傳遞給負載電路。這就是磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)恼麄€過程。

圖1 螺旋線圈周圍磁場分布圖

圖4 發(fā)射電路

圖2 磁耦合諧振式無線電能傳輸示意圖

3 諧振電路

本設計使用并聯(lián)式諧振電路其基本電路如圖3所示，為了使電路達到“磁耦合”必須選擇合適的線圈和匹配電容。線圈采用單股銅芯，直徑3mm的漆包線繞制而成。為使線圈諧振頻率在0.8-2MHz左右，采用在線圈兩端并聯(lián)電容。電容量、電容損耗、工作電壓、絕緣電阻、頻率特性和溫度系數(shù)是電容器選擇時需要考慮的特性參數(shù)。綜合考慮瓷片電容具有較好的高頻性能，其是一種用陶瓷材料作介質(zhì)，在陶瓷表面涂覆一層金屬薄膜，再經(jīng)高溫燒結(jié)后作為電極而成的電容器。本設計選用瓷片電容器作為諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振電容。

圖3 并聯(lián)諧振電路

4 發(fā)射電路的設計

發(fā)射電路主要由IRFZ44N型MOS管、磁環(huán)電感、繞線電阻、繼電器、獨石電容、瓷片電容、電阻、指示燈、發(fā)射線圈等組成。其電路如圖4所示。

5 接收電路的設計

接收電路主要由獨石電容、LED燈、整流橋、接收線圈等組成。其電路如圖5所示。

圖5 接收電路

6 測試結(jié)果的比較和分析

表1 測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）

通過調(diào)試，我們發(fā)現(xiàn)振蕩器頻率為800KHz～1MHz傳輸效率較高。

[1]黃智偉.全國大學生電子設計競賽電路設計（第2版）.北京:北京航空航天大學出版社.2011

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