基于無線電能傳輸技術(shù)的智能家居設(shè)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(shù)及在智能家居應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀，對無線電能傳輸技術(shù)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(shù)的智能家居照明系統(tǒng)、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(shù)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞 無線電能傳輸;智能家居;應(yīng)用研究;耦合性能;繞組

引言

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

智能家居已經(jīng)成為消費者重要的日常消費品，但是這些電器的充電導(dǎo)線不僅占用了空間，同時還有引發(fā)短路進而引發(fā)火災(zāi)的潛在危險，而無線電能傳輸技術(shù)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(gòu)也展開了相應(yīng)的研究。2014年蘋果公司推出的運用磁感應(yīng)技術(shù)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(fā)布;松下公司也發(fā)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(shè)備將核心部件采用Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)。

1無線電能傳輸系統(tǒng)的耦合性能研究

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

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(zhuǎn)角（angular misalignment）為α，傳輸距離為d。理想狀態(tài)即Δ=0，α=0。

則初、次級繞組之間存在偏轉(zhuǎn)角時總的互感值為：

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

在理想狀態(tài)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(shù)為線圈半徑50 mm、匝數(shù)為4、導(dǎo)線截面半徑0.5 mm。在諧振狀態(tài)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?shù)酱渭壎恕ｋS著傳輸距離的增大，系統(tǒng)會產(chǎn)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?shù)哪芰恳苍絹碓缴伲渭壚@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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(shè)計

美國的Power Cast公司開發(fā)了基于微波輻射式無線電能傳輸技術(shù)的充電裝置，該裝置可為各種電子產(chǎn)品充電或供電。整個系統(tǒng)包含兩個部件，分別稱為Power Caster的發(fā)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(chǎn)品上。發(fā)送器發(fā)射安全的低頻電磁波，接收器接收發(fā)射頻率的電磁波，據(jù)稱約有70%的電磁信號能量轉(zhuǎn)換為直流電能。該項技術(shù)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(jù)不同的負載、電場強度來做調(diào)整，以維持穩(wěn)定的直流電壓。

2.1 燈具設(shè)計

本設(shè)計將電磁共振式無線電能傳輸技術(shù)與智能家居結(jié)合起來，在天花板上安裝上述電力傳送單元，在室內(nèi)電器中植入上述電力接受單元，實現(xiàn)室內(nèi)電器的無線充電。設(shè)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(chǔ)功能，采用牽牛花的造型，能實現(xiàn)全彩智能調(diào)光調(diào)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(xiàn)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(tǒng)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(shù)是通過鎖內(nèi)內(nèi)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(shè)計應(yīng)趨向于更簡約、更人性化，無線電能傳輸技術(shù)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?yōu)闊o線充電裝置，消費者不用擔(dān)心智能鎖的電量問題。

本設(shè)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(shè)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(shè)計理念是當(dāng)前最流行的設(shè)計理念。本設(shè)計將門把手與“笑臉”的“嘴”結(jié)合起來，并且將指紋識別裝置設(shè)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(shè)計，其好壞能夠?qū)κ褂谜叩捏w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(shù)字0～9和電話圖標(biāo)和門鈴圖標(biāo)組成。點擊門鈴圖標(biāo)，省去敲門，還可以提醒室內(nèi)人外面有人。點擊電話圖標(biāo)，可以使室內(nèi)的人不開門與外面的人交流，確認(rèn)要不要開門。

3結(jié)束語

隨著人們的關(guān)注和眾多高校企業(yè)的研究，人們對無線電能傳輸技術(shù)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(shù)，結(jié)合MIT公布的“非輻射性磁耦合共振”技術(shù)和上述能同時給多臺設(shè)備進行無線充電的A4WP技術(shù)，研究其在智能家居中的應(yīng)用。

本文設(shè)想在屋頂上安裝電力傳送單元，在室內(nèi)電器中植入電力接受單元，實現(xiàn)室內(nèi)電器的無線充電。分別設(shè)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(nèi)部無線充電結(jié)構(gòu)、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(shè)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(shù)的研究進展[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25（07）：6-13.

[2] 譚林林.無線電能傳輸技術(shù)及其應(yīng)[J].國際學(xué)術(shù)動態(tài)，2015，（6）：20-22.