磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的設計

劉新竹，晏永紅，展 慧

（武昌工學院 信息工程學院，湖北 武漢 430465）

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的設計

劉新竹，晏永紅，展 慧

（武昌工學院 信息工程學院，湖北 武漢 430465）

采用電磁耦合諧振式無線電能傳輸技術，運用理論與實驗相結合的方法，設計了一種簡易的小功率磁耦合諧振無線電能傳輸系統。

磁耦合諧振式；無線電能；諧振頻率

傳統的電能傳輸形式易產生接觸火花，因此存在各種安全隱患等問題，而且現在越來越多使用電子電器設備的場所以及一些惡劣環境的場合對供電的方便性、安全性有極高的要求，而電磁耦合無線電能傳輸技術可以有效解決這類問題。

通常情況下，當激勵線圈與負載線圈采用相同尺寸的單匝線圈，激勵線圈在高頻正弦電壓的作用下輸出交變磁場，只要達到諧振線圈的諧振頻率就會產生諧振耦合，而其他未達到的諧振頻率的物體則不能感應磁場能量，這樣發射端源源不斷為系統提供電能，而接收端將不斷消耗電能，就實現了無線電能傳輸。

1 電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的建模

電磁耦合無線電能傳輸系統中主要有發射電路（高頻振蕩電路和功率放大電路）、傳輸電路（兩個諧振線圈）、接收電路（整流和濾波電路）等三大部分組成。

設計中諧振耦合環節、整流濾波電路和高頻逆變電路是影響系統傳輸特性的主要因素。為了盡可能提高實驗成品各方面的性能指標，在本設計中，分別對每個模塊電路參數和結構的選取、導線材料的選擇及磁耦合方式進行了不同的設計方案論證，并選取最優方案。

2 電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統系統的硬件電路設計

（1）發射電路的設計。發射電路由高頻正弦信號、功率放大電路、激勵線圈三部分組成。振蕩電路的主要指標有振蕩頻率、頻率穩定度、振蕩幅度和振蕩波形等。

E類功率放大器(功放)是一種高效率的開關類功放，基于E類功放的極坐標發射機能夠改善傳統發射機的低效率性能。E類功率放大器的典型電路是由單個晶體管和負載所組成，在輸入信號的激勵下，晶休管呈開關狀態。它的最大優點是管子需待管壓降降至最低，電流才能導通。

（2）傳輸電路的設計。根據磁耦合諧振式無線電能傳輸機理，電磁諧振耦合線圈傳輸功率的能力和效率，與耦合電感線圈及磁路的設計密切相關。①線圈的選取。耦合線圈的選型非常關鍵。在耦合線圈繞線選型時，不僅需要考慮系統對耦合線圈的體積、厚度等因素的要求，還需綜合考慮收發線圈本身的品質因數和兩者之間的耦合互感系數等，在線圈設計中，為了減少收發線圈的損耗，提高系統的傳輸特性，一般繞制線圈的匝數越少越好。選用利茲線作為收發線圈的材料，電磁場能夠比較均勻地分布，各導線上的電流分布就會較為平均，可以減緩趨膚效應。發射電感線圈匝數5匝，測其電感量為13.5uH，發射線圈與接收線圈的參數一致。②磁路結構的選擇。設計中磁路結構選擇的是螺線線圈式，這種方式具有傳輸距離遠和傳輸效率高，且這種結構的線圈產生的磁場均勻，具有較好的方向性，適合用于無線電能傳輸系統。

（3）接收電路的設計。接收電路主要由整流電路、濾波電路、穩壓電路三部分組成。對于整個系統來說如何把高效的轉化接收到的電能，并能實現為負載供電，是設計中非常重要的一部分。①整流電路的設計。接收端需將接收到的高頻正弦交流電進行整流處理。整流電路選用橋式整流電路，橋式電路具有能夠讓負載獲得更高的電壓和電流且有脈動較小。變壓器的繞組利用率較高。單相全控橋式整流電路與半波整流電路比較，單相全控橋式整流電路的功率因數提高了倍，相同功率下，流過晶閘管的平均電流減小一半。不存在變壓器直流磁化問題。②濾波電路的設計。高頻交流電經整流電路轉換成了直流電，若不進行濾波直接對負載供電，會對用電設備造成嚴重的諧波干擾。因此還需在接收電路中加入濾波電路，保存接收電路中經過高頻整流后的直流成分，從而使輸出電壓趨于穩定的直流電壓。濾波電路選用的是電容濾波。電容濾波電路簡單，在負載電阻上并聯濾波電容C，電容器兩端的電壓即為輸出電壓。

3 系統實驗分析

利用設計好的小功率磁耦合諧振無線電能傳輸系統裝置完成對無線電能傳輸特性的研究。傳輸效率測試：將100R/150W的磁盤變阻器串接到接收端輸出回路，保持發射線圈與接收線圈的間距X=70cm、以及輸入電壓U1=15V，使接收端橫流輸出I2=0.5A，測出此時的傳輸效率，測試7次的傳輸效率用折線圖如圖1所示。

整個系統完全諧振于固定頻率1MHZ，發射線圈與接收線圈的距離為70cm時內，可成功點亮2只串聯的1W的LED燈,傳輸平均效率約為45%。

圖1 效率折線圖

4 結語

電磁耦合無線電能傳輸系統中包括發射電路、傳輸電路、接收電路三大部分。系統各個部分的選型與分析都十分重要，各部分都滿足了要求，才能使系統的電能傳輸達到最優化。設計并制作了一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，整個系統完全諧振于固定頻率1MHz，發射線圈與接收線圈的距離為70cm時內，可成功點亮2只串聯的1W的 LED燈,傳輸平均效率約為45%。

On Design of Transmission System of Wireless Power via Magnetic Resonance Coupling

LIU Xin-Zhu,YAN Yong-hong,ZHAN Hui
（Institute of Information Engineering;Wuchang University of Engineering Wuchang,Wuhan,Hubei 430465,China).

in this paper,wireless power transmission technology based on magnetic resonance was adopted to design a simple wireless power transmission system via magnetic resonance coupling combined with the integration of theories and experiments.

magnetic resonance coupling;wireless power;resonant frequency

TM724

A

2095-980X（2015）04-0035-01

2015-02-15

武昌工學院校級項目（2014KY04）

劉新竹（1979-)，女，講師，主要研究方向：電氣控制。