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。該裝置包括了發射部分和接收部分，發射裝置包括電源電路、震蕩電路、驅動電路和發射線圈；接收部分包括了接收線圈、整流電路、穩壓電路。

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，一般通過修改發射部分和接收部分之間的距離，來調整電能傳輸的最佳狀態。

1 理論基礎

磁耦合諧振式無線電能傳輸的基本理論是麥克斯韋電磁場理論，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生磁場，而交變的磁場又能夠產生電場。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生交變磁場。離中心線圈越近，磁場強度H越大。

2 系統的工作原理

非接觸式無線能量傳輸利用電磁感應原理實現能量傳遞，其特別之處在于：用于諧振耦合能量無線傳輸的2個線圈發生自諧振，即線圈本身高頻等效電路發生自諧振，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，除2個發生自諧振的開路線圈外，還必須有發射功率源和接收功率設備。

發射電路作為激勵源，產生高頻的磁場，為系統提供高頻信號。發射源、發射線圈、接收線圈、負載電路具有相同的固有頻率。首先由發射電路產生高頻磁場，發射線圈在高頻磁場下發生諧振，此時發射線圈與接收線圈在諧振頻率下發生強磁耦合諧振，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的整個過程。

圖1 螺旋線圈周圍磁場分布圖

圖4 發射電路

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是電容器選擇時需要考慮的特性參數。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，在陶瓷表面涂覆一層金屬薄膜，再經高溫燒結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的諧振電容。

圖3 并聯諧振電路

4 發射電路的設計

發射電路主要由IRFZ44N型MOS管、磁環電感、繞線電阻、繼電器、獨石電容、瓷片電容、電阻、指示燈、發射線圈等組成。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 測試結果的比較和分析

表1 測試結果（數據）

通過調試，我們發現振蕩器頻率為800KHz～1MHz傳輸效率較高。

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