基于無線電能傳輸技術的智能家居設計概論

崔若昕 鄧亞峰 李麗麗 禚安琪

摘 要 文章介紹了無線電能傳輸技術及在智能家居應用中的研究現狀，對無線電能傳輸技術耦合模塊的傳輸性能進行了理論分析，并用Ansoft Maxwell有限元軟件進行了仿真研究，最后對基于無線電能傳輸技術的智能家居照明系統、智能鎖和開窗器進行了探索性的研究，拓展了無線電能傳輸技術在智能家居領域的應用范圍。

關鍵詞 無線電能傳輸;智能家居;應用研究;耦合性能;繞組

引言

無線電能傳輸技術是通過電磁場或電磁波實現能量從電源到負載以空間作為傳輸介質的輸電方式[1-2]。近些年，無線電能傳輸技術逐漸成了國內外研究機構的研究熱點。采用傳統Si材料半導體器件和附有高頻逆變器的無線電能傳輸系統，存在熱穩定性差、導電性能較差和介電常數較大等問題，基于SiC的無線電能傳輸系統的性能能得到有效的改善。

智能家居已經成為消費者重要的日常消費品，但是這些電器的充電導線不僅占用了空間，同時還有引發短路進而引發火災的潛在危險，而無線電能傳輸技術可以有效地提高智能家居的安全性和便捷性，諸多的研究機構也展開了相應的研究。2014年蘋果公司推出的運用磁感應技術無線充電底座;全世界首臺可以支持無線充電的臺式電腦由華碩發布;松下公司也發布了可以無線充電的真空吸塵器;宜家公司推出的無線電能傳輸充電板，該無線電能傳輸設備將核心部件采用Qi無線充電標準。

1無線電能傳輸系統的耦合性能研究

互感M是耦合模塊的參數指標，其值主要決定于回路的形狀和幾何尺寸、周圍介質的磁導率以及導線匝數和電流在導線截面上的分布，互感M與各回路的相互位置有關。

為簡化分析，以圓形線圈為例，取初、次級繞組的任一線圈進行耦合性能的理論分析。L1和L2分別為初、次級繞組的線圈，線圈L1中的電流為I1，中心偏移量（lateral misalignment）為Δ，偏轉角（angular misalignment）為α，傳輸距離為d。理想狀態即Δ=0，α=0。

則初、次級繞組之間存在偏轉角時總的互感值為：

式中：;N1、N2為初、次級繞組的匝數;r1、r2為初、次級繞組的半徑;α為偏轉角，Δ為中心偏移量;d為傳輸距離。

在理想狀態下，初、次級繞組為圓形線圈時，運用Ansoft maxwell有限元進行傳輸距離對耦合性能影響的仿真，初、次級繞組的幾何參數為線圈半徑50 mm、匝數為4、導線截面半徑0.5 mm。在諧振狀態下，初、次級繞組的磁場在傳輸距離較小時能夠形成閉合回路，互感較好，能量能有效地從初級端傳輸到次級端。隨著傳輸距離的增大，系統會產生較大的漏感，能量損耗也隨之增大，磁場的閉合回路也被破壞，次級端能接收到初級端傳輸的能量也越來越少，次級繞組的磁場強度也越來越弱。由此可見，傳輸距離對耦合性能影響很大。

當兩個繞組之間存在中心偏移量（即Δ≠0）時的Ansoft Maxwell有限元仿真時，兩線圈的傳輸效率隨著偏移量的增加會明顯減弱。當中心偏移量Δ增大時，k△_max是減小的，此時次級繞組的磁耦合強度顯著減弱，這是因為當兩個繞組之間有偏移時，次級繞組接收初級繞組能量的有效正交面積會減少了，從而導致大量的能量損耗。

2具有無線電能傳輸功能的智能家居設計

美國的Power Cast公司開發了基于微波輻射式無線電能傳輸技術的充電裝置，該裝置可為各種電子產品充電或供電。整個系統包含兩個部件，分別稱為Power Caster的發射器模塊和Powerharvester的接收器模塊，前者可插入在插座上，后者則嵌入在電子產品上。發送器發射安全的低頻電磁波，接收器接收發射頻率的電磁波，據稱約有70%的電磁信號能量轉換為直流電能。該項技術之所以會得到多家廠商的青睞，原因在于它獨特的電磁波接收裝置，能夠根據不同的負載、電場強度來做調整，以維持穩定的直流電壓。

2.1 燈具設計

本設計將電磁共振式無線電能傳輸技術與智能家居結合起來，在天花板上安裝上述電力傳送單元，在室內電器中植入上述電力接受單元，實現室內電器的無線充電。設計了無線充電系列智能燈具——“horn”。此系列燈具將無線充電作為基礎功能，采用牽牛花的造型，能實現全彩智能調光調色。

吊燈燈殼中有簡化無線充電和LED控制模組，接收線圈，LED模組，可以實現無線充電功能。吊燈頂端通過粘鉤固定在頂上，因為此吊燈是無線充電的，所以可以隨便移動位置，很好地解決了傳統的吊燈只能固定在某個位置的“痛點”。

2.2 無線充電智能鎖前景

目前的智能鎖絕大多數是通過鎖內內置的電池進行充電的，電池壽命短是“痛點”，目前大部分品牌的智能鎖的電池壽命都在半年到一年不等。未來的智能鎖設計應趨向于更簡約、更人性化，無線電能傳輸技術便為智能鎖的充電提供了新的可能。將智能鎖原本安裝電池的部分改變為無線充電裝置，消費者不用擔心智能鎖的電量問題。

本設計理念來源于提醒使用者 “不要將工作上的煩惱帶回家”，參照“笑臉”表情包，設計了“微笑”智能鎖。讓用戶時時記得“開開心心回家來”。簡約的設計理念是當前最流行的設計理念。本設計將門把手與“笑臉”的“嘴”結合起來，并且將指紋識別裝置設置在門把手上，使用者在握住門把手的同時可以使門鎖打開，直接推門，沒有多余的動作，使得開門更為方便。

人機交互的界面離不開設計，其好壞能夠對使用者的體驗造成直接的影響。密碼解鎖界面作為備用的識別方式，用戶可以直接點擊上面的“笑臉”界面，便可以彈出。密碼解鎖界面由數字0～9和電話圖標和門鈴圖標組成。點擊門鈴圖標，省去敲門，還可以提醒室內人外面有人。點擊電話圖標，可以使室內的人不開門與外面的人交流，確認要不要開門。

3結束語

隨著人們的關注和眾多高校企業的研究，人們對無線電能傳輸技術的需求逐漸增加。本文便是基于未來遠距離、大功率、高效率的成熟的無線電能傳輸技術，結合MIT公布的“非輻射性磁耦合共振”技術和上述能同時給多臺設備進行無線充電的A4WP技術，研究其在智能家居中的應用。

本文設想在屋頂上安裝電力傳送單元，在室內電器中植入電力接受單元，實現室內電器的無線充電。分別設計了無線充電燈具——“horn”和無線充電智能鎖——“微笑”。運用了Rhino、Keyshot、AutoCAD、Photoshop等軟件，對它們的造型、尺寸、內部無線充電結構、功能和使用情景等做出了表達，提出更多“無尾化”家用電器的設想。

參考文獻

[1] 楊慶新，陳海燕，徐桂芝，等.無接觸電能傳輸技術的研究進展[J].電工技術學報，2010，25（07）：6-13.

[2] 譚林林.無線電能傳輸技術及其應[J].國際學術動態，2015，（6）：20-22.