新型非接觸供電的磁懸浮燈飾的研制*

張志強(qiáng)，毛曉波

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州450001)

新型非接觸供電的磁懸浮燈飾的研制*

張志強(qiáng)，毛曉波*

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州450001)

提出一種非接觸供電與電磁懸浮技術(shù)相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案。非接觸供電利用電源測(cè)的線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)耦合到負(fù)載側(cè)的線圈，進(jìn)而將電能傳遞給負(fù)載，而電磁懸浮技術(shù)是利用電磁力來(lái)控制物體懸浮的空間位置。將兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，研制了一種無(wú)線供電磁懸浮燈飾。燈頭可在距頂座約2 cm～3 cm位置懸浮發(fā)光，實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。燈飾具有安全便利、美觀別致、照明效果好等特點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)前景。

控制工程;無(wú)線能量傳輸;磁耦合;電磁懸浮系統(tǒng);燈飾設(shè)計(jì)

非接觸輸電和電磁懸浮技術(shù)是近年來(lái)的新興技術(shù)，兩項(xiàng)技術(shù)分別基于靜磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)，在空間中疊加相互之間的影響很小，因而將兩者結(jié)合應(yīng)用成為可能［1］。通過對(duì)這兩種技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)出一種新型燈飾，做到了電源與燈泡的空間隔離，降低觸電危險(xiǎn)，提高了燈飾整體的安全性與美觀性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

利用電磁懸浮將燈飾脫離燈頭，采用相匹配的無(wú)線共振變壓器對(duì)燈飾供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電磁懸浮模塊和非接觸輸電模塊構(gòu)成。

電磁懸浮模塊由帶著鐵磁芯的電磁體和霍爾傳感器構(gòu)成。電磁體放在裝置的頂部，通過在線管內(nèi)部插入鐵芯，使螺線管的磁性大大增強(qiáng)，將電磁鐵起作用的有效范圍向下擴(kuò)展。在電磁體底部和白熾燈泡里面分別安裝一小堆直徑0.5 mm的磁體，實(shí)現(xiàn)電磁鐵對(duì)懸浮物體的磁力作用。在電磁體的兩端分別裝有霍爾效應(yīng)傳感器，通過其差分信號(hào)來(lái)確定燈泡的位置。差分信號(hào)的不同引起電磁鐵繞組的電流不同，因而產(chǎn)生的電磁力也會(huì)發(fā)生變化，通過不斷的調(diào)節(jié)，使得電磁力與燈泡的重量相同，燈泡便可實(shí)現(xiàn)懸浮。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

非接觸輸電模塊的發(fā)射端初級(jí)諧振線圈放置在電磁體底端，與電磁鐵垂直。其接收端次級(jí)線圈放置在燈泡磁體附近，與小磁鐵平行放置。通電的初級(jí)諧振線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)耦合到接收端的次級(jí)線圈，進(jìn)而將電能傳遞給燈泡，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈泡供電［2］。

2 非接觸輸電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的非接觸電能傳輸方式主要有感應(yīng)式電能傳輸、諧振耦合電能傳輸和輻射式電能傳輸即微波電能傳輸［3］。感應(yīng)式電能傳輸雖然理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，但由于其僅能在毫米級(jí)或是毫瓦級(jí)的傳輸能量，應(yīng)用上仍然較為有限。而微波輸電由于電能傳輸過程中直流電轉(zhuǎn)換為微波的效率、微波空間傳播的效率以及接受天線射頻轉(zhuǎn)化直流電的效率都不高，整體不高的能量傳輸效率就成了發(fā)展中的硬傷。相比之下，基于共振的原理，電能發(fā)射端與接收端線圈發(fā)生電磁諧振耦合，構(gòu)成空間上的短路，可以使能量從損耗最低的路徑傳輸，傳輸效率得到可靠保證。在適當(dāng)?shù)木€圈直徑與諧振頻率下，諧振耦合式輸電的傳輸距離可以延伸至幾米到幾十米的范圍內(nèi)。這些特點(diǎn)讓諧振耦合式輸電越來(lái)越得到人們的重視［4］。

2.1 諧振耦合式輸電原理

諧振耦合式輸電系統(tǒng)是基于共振的原理，在發(fā)射和接收設(shè)備間產(chǎn)生共振能量傳輸通道，進(jìn)而高效地傳輸電能。當(dāng)發(fā)射端以某一頻率發(fā)生振動(dòng)時(shí)，接收端自身的諧振頻率正好與這個(gè)頻率相同，兩者就可發(fā)生共振，此時(shí)接收端負(fù)載振動(dòng)幅值達(dá)到最大，將發(fā)射端發(fā)射的能量大部分吸收，完成能量的傳輸。

將線圈作為高頻發(fā)射源，根據(jù)接受端到線圈中心的距離，可將發(fā)射源周圍區(qū)域分為兩部分，如圖2所示:從線圈中心到λ/(2π)的距離內(nèi)稱為近場(chǎng)區(qū)，而λ/(2π)到無(wú)窮遠(yuǎn)稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。由于近場(chǎng)區(qū)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)比遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)強(qiáng)，且近場(chǎng)區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離變化很快，故諧振耦合式輸電的距離主要是在近場(chǎng)區(qū)。

圖2 發(fā)射源近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的劃分

一個(gè)完整的諧振耦合式輸電系統(tǒng)主要包括高頻功率源，兩個(gè)諧振空心線圈以及諧振電容，同時(shí)還需要發(fā)射端線圈、接受端線圈和負(fù)載，如圖3所示。高頻功率源HP為具有一定功率的高頻電壓源或電流源，作為非接觸輸電的發(fā)射源;隔空傳遞能量的收發(fā)線圈分別是LS、LD(其中S代表發(fā)射端，D代表接收端);CS、CD分別為L(zhǎng)S、LD的諧振電容;空心線圈L1將能量感應(yīng)到與它相鄰的發(fā)射線圈LS上;R1為電源內(nèi)阻;L2、RL組成負(fù)載回路。為減少負(fù)載回路電抗對(duì)系統(tǒng)諧振頻率的影響，L2做成單匝線圈，則負(fù)載回路的感抗很小，也不存在雜散電容，容抗可以忽略，負(fù)載端等效到線圈LD的阻抗即為純電阻。線圈L2將感應(yīng)能量供給負(fù)載RL，從而完成系統(tǒng)能量的傳輸［5］。

圖3 諧振耦合式輸電系統(tǒng)原理圖

圖4 諧振耦合式輸電系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

圖3的簡(jiǎn)化等效模型如圖4和式(1)～式(3)所示。高頻電源看作理想電源，忽略電源內(nèi)阻和小電感L1等效到發(fā)射回路的等效阻抗，忽略負(fù)載側(cè)小電感L2等效到接收回路的等效感抗，負(fù)載等效到接收回路為RW。US表示前級(jí)感應(yīng)電壓源;M為發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感量［6］。

在電路中只有電阻才會(huì)消耗能量，而電感、電容不會(huì)消耗能量，它們只是不斷地儲(chǔ)存和釋放能量。當(dāng)電路的輸入電壓或輸入電流為恒定時(shí)，電路中的電抗較大時(shí)會(huì)使電路中的無(wú)功功率較大，從而減小系統(tǒng)的輸出功率和效率。諧振可以使電路中的電抗為0。只有當(dāng)發(fā)射回路和接收回路同時(shí)達(dá)到諧振時(shí)該輸電系統(tǒng)的效率達(dá)到最大［7］。當(dāng)收發(fā)線圈距離靠近時(shí)，它們之間互感系數(shù)增加，發(fā)射回路和接收回路之間的影響增大，則接收端阻抗等效到發(fā)射端也會(huì)增大。當(dāng)發(fā)射回路的電抗XS=0或接近0時(shí)，該發(fā)射回路即達(dá)到諧振狀態(tài);同樣，當(dāng)接收回路的電抗XD=0或接近0時(shí)，該接收回路即達(dá)到諧振狀態(tài)［8］。

可推導(dǎo)得出，輸入功率Pin和輸出功率Pout分別為:

于是得傳輸效率η為:

可見，系統(tǒng)的傳輸效率受到諧振角頻率ω、線圈的互感M、負(fù)載RW以及線圈內(nèi)阻的影響。隨著諧振頻率f、線圈的互感M的增加，效率η提高;隨著負(fù)載RW的增加，效率η會(huì)先增加后減小。系統(tǒng)的效率與發(fā)射端諧振無(wú)關(guān)，當(dāng)接收端達(dá)到諧振，即

系統(tǒng)的效率達(dá)到最大。結(jié)果說(shuō)明在諧振耦合式輸電系統(tǒng)中，只有接收線圈發(fā)生諧振(而與發(fā)射端的諧振無(wú)關(guān))時(shí)，等效到發(fā)射端回路的等效阻抗達(dá)到最低，線圈中流過的電流就最大，此時(shí)系統(tǒng)的效率達(dá)到最大值。

對(duì)電路進(jìn)行仿真分析后，我們可以得出頻率、距離和負(fù)載對(duì)諧振耦合輸電系統(tǒng)的影響特點(diǎn):接收回路諧振時(shí)，效率達(dá)到最大值。隨著頻率的增加，輸出功率會(huì)先增加后減小;隨著系統(tǒng)頻率的升高系統(tǒng)的效率都會(huì)不斷的上升。隨著距離的增加，輸出功率會(huì)先增加后減小;效率會(huì)隨著距離的增加而減小。

2.2 非接觸輸電系統(tǒng)硬件構(gòu)成

諧振耦合式輸電系統(tǒng)的各個(gè)部分需要滿足一定要求，才能得到較高的效率。由于系統(tǒng)是在高頻(1 MHz左右)下工作，高頻功率源需要輸出一定的功率且具有較高的效率。另外電容和電感線圈在高頻下均有高頻效應(yīng)，需要考慮［9］。圖5為諧振耦合式輸電系統(tǒng)構(gòu)架，220 V交流電經(jīng)過AC/DC整流器轉(zhuǎn)換成直流，再經(jīng)過高頻DC/AC變換器轉(zhuǎn)換成高頻交流電;發(fā)射端諧振回路再將此高頻交流電通過諧振耦合發(fā)射給諧振回路，將能量傳遞給負(fù)載，完成整個(gè)電能傳輸。

圖5 諧振耦合式輸電系統(tǒng)框架

發(fā)射端電路如圖6所示。在集成芯片XKT-408A的控制下，芯片T5336輸出一個(gè)可控的低電壓，進(jìn)而通過直流電壓與T5336的輸出電壓的電壓差來(lái)控制L1和C3的LC振蕩電路，發(fā)射出穩(wěn)定的高頻電磁波。其中發(fā)射線圈線徑0.5 mm，線圈外徑38 mm，電感量30μH。

接收端電路如圖7所示。當(dāng)接收線圈靠近發(fā)射線圈時(shí)，在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。這里采用大電流定制芯片T3168將接收端得到的交變信號(hào)轉(zhuǎn)為5 V的直流信號(hào)，其電流大小達(dá)到500 mA，并有較強(qiáng)的后級(jí)驅(qū)動(dòng)能力，可以有效地為燈飾供電，并實(shí)現(xiàn)各種其他功能。

圖6 非接觸輸電系統(tǒng)發(fā)射端電路圖

圖7 非接觸輸電系統(tǒng)接收端電路圖

3 電磁懸浮系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

3.1 電磁懸浮系統(tǒng)工作原理

電磁懸浮系統(tǒng)所需要解決的問題主要是不穩(wěn)定系統(tǒng)的反饋穩(wěn)定化。測(cè)量一個(gè)有磁力的懸浮物體位置的方法一般有兩種［10］:

(1)從懸浮物體的一邊射一束光線，在另一邊通過檢測(cè)投射的光線來(lái)確定懸浮物體的位置。這種方法在很多情況下需要采用調(diào)制解調(diào)器去降低信號(hào)中的噪聲。

(2)通過霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)附近的永磁體的位置。在任何指定的位置，基于物體當(dāng)時(shí)的動(dòng)態(tài)和電磁體當(dāng)時(shí)的牽引力，霍爾傳感器能夠感應(yīng)到永磁體疊加電磁強(qiáng)度的位置的全部磁場(chǎng)，在電磁體的上下兩端放置霍爾效應(yīng)傳感器，利用它們的差分反饋信號(hào)去感測(cè)懸浮物體的位置。

考慮到電磁干擾等環(huán)境因素影響，采用方案(2)，利用兩個(gè)霍爾傳感器的差分反饋信號(hào)來(lái)感應(yīng)磁懸浮體的位置，對(duì)于任何永磁體的信號(hào)干擾，無(wú)論是穩(wěn)定的還是高頻的PWM噪音都會(huì)產(chǎn)生一定程度的補(bǔ)償，在反饋信號(hào)中僅剩下位置信息的分量，信噪比大大提高［11］。其控制過程如圖8所示。在人工設(shè)定懸浮體到指定位置之后，霍爾傳感器檢測(cè)到懸浮體中電磁鐵對(duì)周圍磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)經(jīng)過差分放大電路處理之后，改變電磁鐵線圈中的電流大小，從而改變電磁鐵的磁力，懸浮體受力發(fā)生改變，懸浮體的位置發(fā)生偏移。霍爾傳感器不斷對(duì)懸浮體的位置信息進(jìn)行反饋，構(gòu)成閉環(huán)傳輸。在經(jīng)過短時(shí)間的調(diào)整后，懸浮體受力達(dá)到平衡，懸浮于設(shè)定位置處。在環(huán)境中存在少量擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)通過閉環(huán)反饋仍能使其恢復(fù)穩(wěn)定。

圖8 電磁懸浮控制系統(tǒng)工作流程圖

3.2 電磁懸浮系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)上文中分析，設(shè)計(jì)電磁懸浮系統(tǒng)電路圖如圖9所示。采用的霍爾元件為銻化銦霍爾HW101A，其靈敏度和穩(wěn)定性均可滿足實(shí)驗(yàn)要求，電磁鐵線圈采用600圈線徑0.3 mm的電磁線圈，經(jīng)分析調(diào)試，可達(dá)到使小型電磁鐵懸浮的效果，懸浮物體的質(zhì)量可達(dá)到300 g。

圖9 電磁懸浮系統(tǒng)電路圖

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

將非接觸電能傳輸與電磁懸浮相結(jié)合，研制的懸浮式燈飾如圖10所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用功率4 W的LED燈泡，亮度相當(dāng)于50W白熾燈，而發(fā)熱和功率消耗則低得多。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，燈泡可以離頂座2 cm～3 cm處的位置懸浮發(fā)光，斷電后燈泡并不會(huì)掉落，而是由于燈泡頂部的磁鐵的作用而吸附至頂座，很好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

圖10 懸浮式燈飾實(shí)物圖

5 結(jié)論

本文將非接觸輸電和電磁懸浮兩種技術(shù)巧妙地結(jié)合，成功研制出一種新型懸浮燈飾，說(shuō)明設(shè)計(jì)的可行性，并且成品兼具了這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。新型非接觸供電的磁懸浮燈飾必將在家具市場(chǎng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

［1］徐曉美，朱思洪.磁懸浮技術(shù)及其工程應(yīng)用［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2005(6):192-194.

［2］張東清，羅友，秦會(huì)斌.一種小功率LED筒燈的設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2013，36(2):173-176.

［3］戴衛(wèi)力，費(fèi)峻濤，肖建康，等.無(wú)線電能傳輸技術(shù)綜述及應(yīng)用前景［J］.電氣技術(shù)，2010，07:1-6.

［4］孫躍，杜雪飛，戴欣，等.非接觸式移動(dòng)電源新技術(shù)［J］.電氣自動(dòng)，2003，5:11-13.

［5］葉經(jīng)緯，丁文耀，孫志斌，等.空間電磁懸浮線圈參數(shù)與懸浮力［J］.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(1):80-86.

［6］張斌.磁耦合共振型無(wú)線輸電系統(tǒng)的研究［D］.蘭州理工大學(xué)，2014.

［7］孫曉雅，李永倩，李天.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012(6):5-7.

［8］曾翔.基于磁耦合共振的無(wú)線輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，23(5):605-607.

［9］胡穎，屠關(guān)鎮(zhèn)，林小玲.電磁懸浮控制系統(tǒng)磁場(chǎng)有限元分析［J］.微特電機(jī)，2004，4:8-10.

［10］Kim Y B，HwangW G，Kee C D，etal.Active Vibration Control of a Suspension System Using an Electromagnetic Damper［J］.Proceedings of the Institution ofMechanical Engineers，Part D:Journal of Automobile Engineering，2001，215(8):865-873.

［11］瞿田華.磁懸浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制方法研究［D］.中南大學(xué)，2012.

張志強(qiáng)(1990-)，男，漢族，河南商丘市人，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院研究生，研究方向?yàn)橹悄軆x器與儀表，1522517502 @qq.com;

毛曉波(1965-)，男，漢族，河南開封人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者。研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與智能儀器儀表，機(jī)器視覺，mail-mxb@zzu.edu.cn。

Development of New M agnetic Levitation Lighting w ith Non-Contact Powering*

ZHANG Zhiqiang，MAO Xiaobo*

(School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)

A design combined non-contact power and electromagnetic levitation technology is presented.Non-contact power transmission is that coil in the vicinity of the power supply brings an alternatingmagnetic field generated by the coil coupled to the load side，and thus the power is delivered to the load.And the electrical levitation technique is the use of high frequency electromagnetic eddy current generated on the metal surface to achieve the object suspended.And electromagnetic levitation technique is the use of electromagnetic forces to control the spatial position of the suspended object.We develop wireless powermagnetic levitation lightingwith the combination of the two technologies.Suspended lamp can shine away from the top seat about2 cm～3 cm.It has achieved the anticipated effect.It is safe，convenient，beautiful，chic，and good lighting effects.It has good prospects formarket.

control engineering;wireless energy transfer;magnetic coupling;electromagnetic levitation;decorative lamp design

C:5100

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.036

TM 923.59

:A

:1005－9490(2017)01－0188－06

項(xiàng)目來(lái)源:河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17A413011);2014年度河南省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(115);鄭州大學(xué)2014年度校級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2014XJGLX021);河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(17IRTSTHN013)

2016-01-22修改日期:2016-02-26