多負載立體式水中無線充電設備的應用

隨著科技的進步，筆記本電腦、手機、音樂播放器等大量電子產品涌入我們的生活。這些電子產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，錯綜復雜的布線，既限制了設備移動的靈活性，又影響了美觀，且存在很多安全隱患。所以，在未來社會，無線供電的方式將會逐漸走向成熟，以適用多種特殊場合。

目前，無線電能傳輸技術應用領域十分廣泛，如照明、家用電器充電、電動汽車充電以及生物植入裝置的充電等。基于這一點，我們設計了一款能在水下無線供能且同時負荷多負載的設備，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，又不受外界環境的影響，適合大范圍應用。

無線電能傳輸通常有三種方式：感應式無線電能傳輸、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。傳統的磁諧振耦合式無線充電系統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，電源通過一個耦合電感線圈和發射電感線圈相耦合，負載則通過另一個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、負載直接和發射電感線圈、接收電感線圈相連接。他們的共同特點是單電源、單負載，效率和功率對電感線圈之間的距離、相對位置非常敏感。若局限于這種一對一的單電源、單負載的傳統技術，我們要同時對多個負載進行充電，就只能采用多個充電裝置的方法。

為克服磁感應式均勻磁場無線充電技術上的弱點，克服傳統的磁耦合使無線充電負載只能在固定位置且只能對單個負載進行充電的弊端，滿足日益增長的多負載無線充電的需求，迫切需要一種既具有大范圍的均勻磁場空間，又能同時對多負載進行充電的設備。

本設備是采用磁諧振耦合無線電能傳輸技術設計的一款能在水中無線供能的多負載立體式充電設備，其整體結構如圖1所示。

本結構利用無線能量傳輸線圈的特性，巧妙地設計了一種新型的均勻磁場線圈結構。勻強磁場線圈陣列由兩個相距16cm、直徑為20cm的空心線圈組合而成，每個空心線圈由線徑為1mm的漆包銅線繞制5匝而成，其總電感為164.7uH，調諧電容C2=25.5nF，將其調諧在f=77.7KHz的系統工作頻率上。負載耦合線圈直徑為5cm，由線徑為1mm的漆包銅線繞制20匝而成，其總電感為48.5uH，調諧電容C3=86.5nF，將其調諧在f=77.7KHz的系統工作頻率上。

目前已有一些均勻磁場的無線充電技術基于磁感應原理，均勻磁場區域通常被局限在一張面積一定的二維平面上，導致負載的耦合電感線圈的位置被局限在距離發射線圈幾毫米的范圍內，這極大地限制了無線充電平臺的進一步發展和應用。為克服磁感應式均勻磁場在無線充電技術上的弱點，本設備采用的磁諧振耦合技術擴大了三維均勻磁場空間的范圍，實現了同時對多負載進行充電，負載間相互隔離、互不干擾的應用效果。

為了將本設備嵌入到一個類似“魚缸”的容器中進行展示，以測試其水下能量接收效果，我們制作了一個高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防水球中，防水球為一個透明的塑料球，利用熱干膠把元器件固定在球內，外部用防水膠密封。防水球如圖2所示。

經過后期的組裝以及調試，作品最終呈現的效果如圖3所示。在圖中，水中一個球體內部的LED燈發著亮光，表示水中無線電能傳輸成功。同時，在水面上有兩個“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定。該裝置可以同時為三個互不干擾的負載供電。

本設備應用范圍廣泛，突破了液體介質的限制，能實現無線電能的低損耗傳輸，可應用于水下傳感設備、植入式醫療設備、潛水裝置等設備應用場合無線供能，具有一定的研究價值。

（作者單位：江西省贛州職業技術學院）