多負(fù)載立體式水中無線充電設(shè)備的應(yīng)用

隨著科技的進(jìn)步，筆記本電腦、手機(jī)、音樂播放器等大量電子產(chǎn)品涌入我們的生活。這些電子產(chǎn)品大多通過固定的電源獲取電能，即電器與電源之間一般都需要用導(dǎo)線連接才能正常工作。然而，電源線的頻繁使用，既不安全又容易損耗。此外，錯(cuò)綜復(fù)雜的布線，既限制了設(shè)備移動(dòng)的靈活性，又影響了美觀，且存在很多安全隱患。所以，在未來社會(huì)，無線供電的方式將會(huì)逐漸走向成熟，以適用多種特殊場(chǎng)合。

目前，無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如照明、家用電器充電、電動(dòng)汽車充電以及生物植入裝置的充電等。基于這一點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款能在水下無線供能且同時(shí)負(fù)荷多負(fù)載的設(shè)備，打破了直接電氣連接的束縛，讓供電過程更加靈活、方便、快捷，又不受外界環(huán)境的影響，適合大范圍應(yīng)用。

無線電能傳輸通常有三種方式：感應(yīng)式無線電能傳輸、諧振耦合式無線電能傳輸以及輻射式無線電能傳輸。對(duì)比這三種傳輸方式，諧振耦合式無線電能傳輸方式最適合智能家居系統(tǒng)。傳統(tǒng)的磁諧振耦合式無線充電系統(tǒng)有四電感線圈形式和兩電感線圈形式。在四電感線圈形式中，電源通過一個(gè)耦合電感線圈和發(fā)射電感線圈相耦合，負(fù)載則通過另一個(gè)耦合電感線圈和接收電感線圈相耦合;而在兩電感線圈形式中，耦合電感線圈被取消，電源、負(fù)載直接和發(fā)射電感線圈、接收電感線圈相連接。他們的共同特點(diǎn)是單電源、單負(fù)載，效率和功率對(duì)電感線圈之間的距離、相對(duì)位置非常敏感。若局限于這種一對(duì)一的單電源、單負(fù)載的傳統(tǒng)技術(shù)，我們要同時(shí)對(duì)多個(gè)負(fù)載進(jìn)行充電，就只能采用多個(gè)充電裝置的方法。

為克服磁感應(yīng)式均勻磁場(chǎng)無線充電技術(shù)上的弱點(diǎn)，克服傳統(tǒng)的磁耦合使無線充電負(fù)載只能在固定位置且只能對(duì)單個(gè)負(fù)載進(jìn)行充電的弊端，滿足日益增長(zhǎng)的多負(fù)載無線充電的需求，迫切需要一種既具有大范圍的均勻磁場(chǎng)空間，又能同時(shí)對(duì)多負(fù)載進(jìn)行充電的設(shè)備。

本設(shè)備是采用磁諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)的一款能在水中無線供能的多負(fù)載立體式充電設(shè)備，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本結(jié)構(gòu)利用無線能量傳輸線圈的特性，巧妙地設(shè)計(jì)了一種新型的均勻磁場(chǎng)線圈結(jié)構(gòu)。勻強(qiáng)磁場(chǎng)線圈陣列由兩個(gè)相距16cm、直徑為20cm的空心線圈組合而成，每個(gè)空心線圈由線徑為1mm的漆包銅線繞制5匝而成，其總電感為164.7uH，調(diào)諧電容C2=25.5nF，將其調(diào)諧在f=77.7KHz的系統(tǒng)工作頻率上。負(fù)載耦合線圈直徑為5cm，由線徑為1mm的漆包銅線繞制20匝而成，其總電感為48.5uH，調(diào)諧電容C3=86.5nF，將其調(diào)諧在f=77.7KHz的系統(tǒng)工作頻率上。

目前已有一些均勻磁場(chǎng)的無線充電技術(shù)基于磁感應(yīng)原理，均勻磁場(chǎng)區(qū)域通常被局限在一張面積一定的二維平面上，導(dǎo)致負(fù)載的耦合電感線圈的位置被局限在距離發(fā)射線圈幾毫米的范圍內(nèi)，這極大地限制了無線充電平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。為克服磁感應(yīng)式均勻磁場(chǎng)在無線充電技術(shù)上的弱點(diǎn)，本設(shè)備采用的磁諧振耦合技術(shù)擴(kuò)大了三維均勻磁場(chǎng)空間的范圍，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多負(fù)載進(jìn)行充電，負(fù)載間相互隔離、互不干擾的應(yīng)用效果。

為了將本設(shè)備嵌入到一個(gè)類似“魚缸”的容器中進(jìn)行展示，以測(cè)試其水下能量接收效果，我們制作了一個(gè)高18cm、地面直徑為25cm、厚度2cm的亞克力圓筒。接收線圈連接的LED燈板需要密封在一個(gè)防水球中，防水球?yàn)橐粋€(gè)透明的塑料球，利用熱干膠把元器件固定在球內(nèi)，外部用防水膠密封。防水球如圖2所示。

經(jīng)過后期的組裝以及調(diào)試，作品最終呈現(xiàn)的效果如圖3所示。在圖中，水中一個(gè)球體內(nèi)部的LED燈發(fā)著亮光，表示水中無線電能傳輸成功。同時(shí)，在水面上有兩個(gè)“蓮花燈”，也是通過無線電能接收的方式正常亮起。燈光無閃爍，表示無線電能接收穩(wěn)定。該裝置可以同時(shí)為三個(gè)互不干擾的負(fù)載供電。

本設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛，突破了液體介質(zhì)的限制，能實(shí)現(xiàn)無線電能的低損耗傳輸，可應(yīng)用于水下傳感設(shè)備、植入式醫(yī)療設(shè)備、潛水裝置等設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合無線供能，具有一定的研究?jī)r(jià)值。

（作者單位：江西省贛州職業(yè)技術(shù)學(xué)院）