王成蓉　張雅麗　楊陽

摘要：近年來，在無線輸能方式中，磁耦合諧振式可以將幾千瓦能量在3～4m的距離范圍內(nèi)無線傳輸，使無線輸能的距離提升到米級范疇，因此，對磁耦合諧振式無線輸能系統(tǒng)的研究有著實際意義。該文設(shè)計和制作了一個磁耦合無線輸能實驗系統(tǒng)，對其構(gòu)成與原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并詳細(xì)說明了各部分的元件組成及電路應(yīng)用原理。也由此獲得了系統(tǒng)中傳輸效率與傳輸距離之間的關(guān)系、傳輸效率與發(fā)射頻率之間的關(guān)系及傳輸效率與接收線圈相對于發(fā)射線圈的偏移角度之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：磁耦合諧振；無線輸能；傳輸效率

中圖分類號：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）14-0210-02

無線輸能技術(shù)是近幾年來發(fā)展起來的供能技術(shù)，它和傳統(tǒng)輸能方式有很大的區(qū)別，這種輸能技術(shù)可以透過所有非金屬物質(zhì)來傳遞電力。這種輸能方式在醫(yī)學(xué)上極具應(yīng)用價值，例如給對心臟起搏器進(jìn)行無線充電，給病人胃腸道中的膠囊攝像頭進(jìn)行無線供電等等。同時，這種技術(shù)也可以幫助人們免于復(fù)雜的接線以及接線頭，為生活帶來了安全、環(huán)保、高效和方便。在當(dāng)前主要的無線輸能方式中，以磁耦合諧振式為基礎(chǔ)的無線輸能方式可以將幾千瓦能量在3～4m的距離范圍內(nèi)傳輸，使無線輸能的距離提升到米級范疇。

1磁耦合諧振式無線輸能實驗系統(tǒng)的構(gòu)成

本文中的磁耦合諧振式無線輸能系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓源、發(fā)射板、發(fā)射和接收線圈、接收板等部分組成。其中直流穩(wěn)壓源用于提供穩(wěn)定的直流電壓，發(fā)射板用于產(chǎn)生正弦波信號，發(fā)射和接收線圈用于和發(fā)射端及接收端電容構(gòu)成LC振蕩電路進(jìn)行并聯(lián)諧振從而傳輸電能，接收板進(jìn)行整流濾波。其中交流電由實驗室220V交流電提供，負(fù)載為5.1k的四環(huán)電阻。整套系統(tǒng)框圖如圖1所示：

整套系統(tǒng)實物圖如圖2所示。從左到右依次是直流穩(wěn)壓源、發(fā)射板、一對線圈及接收板，其中繞至在直徑為20cm的PVC管上的繞線構(gòu)成諧振線圈并與CBB電容一起構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。系統(tǒng)利用耦合諧振無線能量傳輸?shù)陌l(fā)射端與接收端的兩個線圈產(chǎn)生諧振，也就是線圈自身電路產(chǎn)生自諧振，使得線圈回路阻抗值達(dá)到最小，進(jìn)而使大部分能量通過諧振路徑進(jìn)行傳輸。

發(fā)射板電路原理是使用CD4069芯片中的三個反相器與10k滑動變阻器、1k電阻、101瓷片電容共同組成多諧振蕩電路，產(chǎn)生方波信號。兩個三極管s8050、s8550則構(gòu)成放大電路。場效應(yīng)管、47μF電解電容及10kΩ電阻則將方波轉(zhuǎn)化為正弦波。兩個三極管及后面的場效應(yīng)管、電解電容和電阻又一齊構(gòu)成灌流電路。

諧振線圈由1×1.5mm²的bvl.5阻燃單芯銅線繞至在直徑為20cm的PVC管上而成，每個線圈十匝，且分別與一支102CBB電容并聯(lián)組成諧振電路。發(fā)射線圈的PVC管內(nèi)層含兩匝繞線與發(fā)射板電路相連接。每個線圈相當(dāng)于電感，與電容組成一個LC振蕩電路。線圈固有頻率則是使用信號發(fā)生器和示波器，通過調(diào)節(jié)發(fā)射板上的可變電阻，從而控制發(fā)射頻率來測得最大電壓幅值的方法獲得，值為806kHz。而發(fā)射線圈PVC管內(nèi)層的兩匝繞線線圈則與外層的10匝繞線線圈構(gòu)成了1：5的變壓器。接收板電路原理相對于發(fā)射板則較為簡單，是由四支整流二極管及一支電解電容構(gòu)成整流濾波電路，將正弦信號轉(zhuǎn)換為直流信號。

2磁耦合諧振式無線輸能傳輸效率的實驗研究

影響磁耦合諧振式無線輸能系統(tǒng)的傳輸效率因素有多種，本文主要考慮其中三個因素，即研究系統(tǒng)傳輸效率與線圈距離、發(fā)射頻率以及接收線圈相對于發(fā)射線圈偏移角度的關(guān)系。

在研究系統(tǒng)傳輸效率與線圈距離關(guān)系實驗過程中，發(fā)射頻率被固定為806kHz，輸入電壓固定為5.2V，然后在8cm到22cm間以2cm為間隔不斷改變線圈間距離，并測量每個點的傳輸效率。輸入功率由直流穩(wěn)壓源上顯示的電壓電流之積計算得到，即P_in=U_inI_in。輸出功率則通過萬用表進(jìn)行測量，由負(fù)載兩端電壓及流經(jīng)負(fù)載的電流之積得到，即P_out=U_load。傳輸效率由輸出功率比上輸入功率得到，即：η=P_out/Pⁱⁿ，最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，即可得到系統(tǒng)傳輸效率與線圈距離關(guān)系曲線（圖3（a））。從圖可知，本實驗系統(tǒng)的傳輸效率隨距離增加先增大后減小，并且存在最大效率的傳輸距離，14cm?？赡艿慕忉尀椋诰€圈間距小于14cm時，線圈因受到線圈近距離互感影響而導(dǎo)致效率較低，并隨著距離增加且互感影響下降而效率上升。在線圈間距離大于14 cm時，傳輸效率則隨著間距增大而逐漸減小，此時線圈受互感影響已不那么明顯，因此傳輸效率受耦合度影響，距離越遠(yuǎn)，線圈間耦合度越小，同時傳輸效率也就越小。

在研究系統(tǒng)傳輸效率與發(fā)射頻率之間的關(guān)系過程中，線圈間距離被固定為14cm，輸入電壓被固定為5.2V。通過調(diào)節(jié)振蕩電路中的可變電阻，從而在797kHz到81lkHz間以3kHz為間隔不斷調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)射頻率，并測量每個頻點的傳輸效率。傳輸效率同樣由式η=P_out/P_in得到。再使用MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析，即可得到傳輸效率與發(fā)射頻率之間的關(guān)系曲線（圖3（b））。由圖可知發(fā)射頻率與傳輸效率之間的關(guān)系，即總體趨勢上，發(fā)射頻率越靠近固有頻率806 kHz，系統(tǒng)傳輸效率越高?？赡艿慕忉尀椋驗橄到y(tǒng)是由線圈自身電路產(chǎn)生自諧振，使得線圈回路阻抗值達(dá)到最小，進(jìn)而使大部分能量向諧振路徑進(jìn)行傳輸。所以當(dāng)發(fā)射頻率和固有頻率相同時，諧振電路呈純阻抗特性，在這種情況下的傳輸效率便達(dá)到最大值。

在研究系統(tǒng)傳輸效率與接收線圈相對于發(fā)射線圈偏移角度的關(guān)系過程中，兩個線圈間的間隔距離被固定為21cm，輸入電壓被固定為5.2V，發(fā)射頻率被固定為806kHz。然后通過移動接收端線圈來變換其和發(fā)射端線圈之間的角度，使偏移角度在0到90度之間以15度為間隔變化，并測量每個角度情況下系統(tǒng)的傳輸效率。傳輸效率同樣可以由式η=P_out/P_in得到。對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析，可得到傳輸效率與接收線圈相對于發(fā)射線圈偏移角度的關(guān)系曲線（圖3（c））。由圖可知，隨著接收線圈相對于發(fā)射線圈偏移的角度增大，系統(tǒng)的傳輸效率先是在偏移角處于0度到30度之間時小幅度下降，然后在偏移角處于30度到90度之間大幅度下降，在90度的時候傳輸效率幾乎為0。可能的原因是，角度的偏移減小了兩個線圈間的耦合值，從而減小了系統(tǒng)的傳輸效率。

由以上三個研究結(jié)果可以得出結(jié)論，提高磁耦合諧振式無線輸能系統(tǒng)效率的三個方法分別是將線圈間距離調(diào)至適當(dāng)?shù)闹虚g位置，將發(fā)射頻率調(diào)至線圈固有頻率以及保證接收線圈相對于發(fā)射線圈偏移角為0。且在實驗數(shù)據(jù)中，我們也可得出結(jié)論，本文中的磁耦合諧振式無線輸能實驗系統(tǒng)可在線圈間距離為14cm時，達(dá)到系統(tǒng)最大傳輸效率58.90%。