無線傳能功效影響因素探究*

張立志 錢偉 方詩鏹 胡安正

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

磁耦合諧振式無線輸電技術，是利用空間高頻變化的無線電磁波或變化電磁場作為電能傳輸媒介進行電能無線傳輸的輸電技術，近年對脫離金屬導線的電能傳輸方式研究火熱.本無線傳能演示系統構造簡單、可操控性強、造價低、安全性高，并易于推廣，各種大小實驗室均可操作使用，可作為無線電能傳輸研究模型，在探索無線電發展領域具有廣闊的前景.

1 無線傳能原理分析

無線傳能傳輸技術目前主要有3種方式來實現:電磁感應耦合式、電磁波輻射式和磁耦合諧振式.本系統基于磁耦合諧振式無線傳能方式進行探究.

系統基于“電磁耦合諧振式無線傳能的物理原理” 傳輸電能，發送線圈通過串聯諧振和接收線圈連接構成諧振體，發送線圈與接收線圈分別產生和接收磁場能量.利用電生磁、磁生電的物理原理，高頻激磁電路在發送線圈中引起諧振作用，諧振線圈中產生高頻電流.高頻電流通過發送線圈產生高頻磁場，該磁場在接收線圈上感應出電場，從而實現能量傳輸.

2 無線傳能裝置設計構想

系統框架結構圖如圖1所示.

圖1 系統框架結構圖

影響傳能多少的因素有諧振、兩線圈的距離和兩線圈的相對面積等.影響諧振的因素有諧振電容電容值、線圈電感值和頻率.本裝置為探究以上這幾種與傳能多少的關系，利用控制變量法，將接收端固定并不加諧振電容，只在發射端改變這3個因素.

兩線圈距離和相對面積：發射端線圈固定，通過移動處于滑軌上的接收端線圈來改變距離和相對面積.

線圈電感值：線圈采用松繞環形的方式繞制，根據實驗需求，兩線圈均用線徑r=1 mm的漆包線繞制，線圈的直徑均為20 cm.發射線圈共繞制10圈，從中間引出線頭，使發射線圈可變換為2，4，6，8，10圈，即改變電感值.接收線圈共繞制5圈.

發射線圈周圍電路如圖2所示.

圖2 發射線圈周圍電路

諧振電容電容值：發射線圈采用串聯諧振，考慮到不同的頻率需要不同的諧振匹配，為控制變量，故而接收線圈不使用諧振，只在發射端設置電容值不同的諧振電容.

頻率：通過按鍵輸入，CPU處理來設定諧振頻率.

能量狀態: 通過負載LED工作的狀態可直觀地反應傳能的情況.

3 裝置的硬件設計

系統采用STM32F103RCT6作為主控芯片，系統電路主要包括全橋逆變電路，接收電路及電源電路.主控芯片輸出PWM波通過全橋驅動電路將直流電逆變為正弦交流電，通過發射線圈將其高效地轉化為射頻功率信號，接收線圈將接收到的交變信號經過整流橋轉換為直流信號，給負載供電.

3.1 全橋逆變電路

全橋逆變電路將直流電轉化為交流電，為發射端提供高頻激勵源，電路如圖3所示.電路采用兩塊半橋驅動芯片IR2104組成一個全橋驅動.

圖3 全橋逆變電路圖

3.2 諧振電路的設計

發射端采用串聯諧振電路，當串聯阻抗之和為零時，使得整個電路呈現純阻性狀態，從而使發射端效率達到最高，如圖4所示.接收端不做諧振處理.

圖4 串聯諧振

3.3 接收電路的設計

接收端電路圖如圖5所示.接收端從接收線圈L感應得到電磁場信號，第一個二極管1N4007將接收到的交流電轉變為直流電，每當二極管兩端的電壓達到其導通電壓后二極管才會導通，實現接收的能量越多時，LED燈光越強，且點亮的個數越多的效果.

圖5 接收端電路圖

4 系統軟件設計

圖6為軟件設計圖，本系統軟件的核心是SPWM程序的編寫，SPWM是脈沖寬度按正弦規律變化的PWM波形，也稱正弦脈寬調制.本系統采用雙極性SPWM，通過STM32F103RCT6的高級定時器TIMER1產生兩組互補PWM，為全橋逆變電路提供振蕩信號.通過鍵盤輸入，更改線圈的振蕩頻率，并將相應的參數顯示在OLED屏上.

圖6 軟件設計圖

SPWM部分代碼：

unsigned int count=0;//采樣計數點

const unsigned long int spwm[400];//采樣點的幅值

void Spwm_Out(void)

{

TIM_SetCompare1(TIM1,spwm[i]);

//修改TIM1通道1的PWM占空比

TIM_SetCompare3(TIM1,spwm[i]);

//修改TIM1通道2的PWM占空比

count++;//采樣點計數

if(count >= 400) count = 0; //一周期采樣400個點

}

5 結論

系統實物圖如圖7所示.本系統對影響無線傳能功效的相關因素進行了探究，并可體現出這些因素與傳能多少的定性關系.

圖7 系統實物圖

(1)兩線圈距離越近，通過接收線圈的磁通量越大，負載LED燈的工作數量越多.

(2)同理可知兩線圈正對面積越大時，負載LED燈的工作數量越多，即傳能功效越強.

(3)諧振頻率f,諧振電容值C，線圈電感值L滿足下式時，無線傳能功效最佳.

目前無線電能傳輸技術有著傳輸效率不高、傳輸距離短等問題，該裝置通過探究相關影響因素以提供更多的解決問題的方法及方案.