基于磁共振耦合的無線臺燈研究

沈小云

隨著電子設備的迅速發展，人們對于無線能量傳輸的研究熱潮再一次興起了。基于，磁共振耦合的無線能量傳輸系統是未來無線能量傳輸的必然發展趨勢，即利用具有相同諧振頻率的兩個強電磁耦合物體，可以使能量通過無線的方式高效傳輸，并且對于傳輸范圍之內的非諧振物體幾乎不存在能量損耗。

臺燈是我們中學生日常最忠實的伙伴，然而臺燈受電源線的限制，大大地約束了使用的舒適性和自由性，雖然充電臺燈目前已經較為普及，但是就像手機一樣，經常會忘記充電而影響使用體驗。因此，我嘗試將磁共振耦合的無線能量傳輸方式應用到臺燈中 ，實現無線能量臺燈，從而使得臺燈的使用更加便捷。

無線能源臺燈實物調試

圖1為已經搭建完成的實物調試系統，包括一個信號發生器、一個放大器、4個線圈，以及作為負載的LED燈。其中信號發生器負責產生所需要的正弦波信號;放大器負責放大信號發生器所產生的正弦波，提高其功率與效率;線圈用于實現能量的無線傳輸;LED燈作為負載，用來指示是否成功實現能量的無線傳輸。

首先利用信號發生器產生一個幅值為200mV（毫伏）、頻率為13.56MHz（兆赫）的正弦波信號，經放大器放大后并聯接入驅動線圈兩端，將負載線圈靠近驅動線圈，調節負載線圈的可變電容，使LED燈的亮度達到最大;然后調節驅動線圈的可變電容，再次使LED燈亮度達到最大，此時發射端的兩個線圈已經達到共振狀態。

加入發射線圈進行調節，調節負載線圈上的可變電容，觀察LED燈是否發光。當LED燈發光時，應繼續調節可變電容，使其亮度達到最大。然后微調發射線圈的可變電容，使LED燈亮度達到最大。此時，圖2中的負載線圈與發射線圈達到共振狀態。

最后加入接收線圈，由于此時已經有3個線圈達到共振狀態，故直接調節可變電容，觀察LED燈是否發光。經過調整，觀察到LED燈發光;微調各個線圈的可變電容，使亮度達到最大，則說明4個線圈都達到了共振狀態，如圖3所示，能量通過磁共振耦合的方式實現了無線傳輸。

能量傳輸距離驗證

調整線圈之間的距離，觀察LED燈亮度的變化情況，并記錄最大傳輸距離。

可以觀察到，在距離小于25厘米時，隨著距離的增加，LED燈的亮度幾乎保持不變;當距離大于25厘米時，隨著距離的增加，LED燈逐漸變暗，最后完全熄滅。當距離達到35厘米時，LED燈即將熄滅。超過此距離后，LED燈無法點亮，故此距離即為最大傳輸距離。

由此，可以得出結論，相比于傳統的電磁感應式的無線能量傳輸系統，基于磁共振耦合的無線能量傳輸系統的有效傳輸距離耍更遠，因此也就有了更大的應用空間。

能量傳輸方向性驗證

保持線圈中心距離不變，調整接收端與發射端線圈軸線的角度，觀察LED燈的亮度變化。可以觀察到，在線圈中心距離不變的情況下，當線圈之間軸線呈90度時，LED燈熄滅;當角度小于90度時，LED燈迅速達到最大亮度，并在旋轉至兩者軸線完全共線的過程中，LED燈的亮度幾乎不變。

由此，可以得出結論，基于磁共振耦合的無線能量傳輸系統具有近似全向性的特點。

能量傳輸障礙物影響驗證

在發射端與接收端之間加入一些非金屬障礙物，如書本、木頭等，觀察LED燈能否正常發光，并測量其最大傳輸距離是否受到影響。

可以觀察到，加入2厘米厚的木板后，LED燈依然可以正常發光，且最大傳輸距離仍然為35厘米，故加入的障礙物并未對系統的能量傳輸產生影響。因此，驗證了基于磁共振耦合的無線能量傳輸系統具有不受障礙物影響的特點。（責任編輯：白玉磊 責任校對：司明婧）