無人機(jī)電磁諧振式無線充電矩形線圈實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

在日常生產(chǎn)和生活中，人們通常使用充電器或更換電池來實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的充電。傳統(tǒng)的充電器必須與被充電設(shè)備連接。然而，這些充電方式往往不能滿足便攜性、安全性等要求，且兩者之間的接口也易于損壞，存在安全隱患、受干擾隱患。

隨著電力電子器件的發(fā)展，人們最早接觸到了電磁感應(yīng)式無線充電[，其亦由于簡潔性和高效性深受關(guān)注。無線能量傳輸[2通常情況下是通過發(fā)送端發(fā)射線圈和接收端接收線圈之間的電磁耦合進(jìn)行工作的，其原理類似于變壓器。然而，電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)的不足之處在于其物理尺寸較大，接收設(shè)備需要固定在某一特定位置。同時(shí)，發(fā)送端與接收端之間的發(fā)射線圈和接收線圈通常是一對(duì)一的。當(dāng)發(fā)送端與接收端距離非常近時(shí)（通常在 2cm 之內(nèi)），電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)的效率較高。如果減小接收端接收線圈的尺寸，通過接收線圈的磁通就會(huì)大大降低，導(dǎo)致能量傳輸效率大大下降。為了進(jìn)行有效的電能傳輸，確保足夠的磁通通過接收線圈，發(fā)送端必須增大電流的輸入。然而，即使在發(fā)送端增加電源電壓至無窮大，無線能量傳送的距離也很短。因此，電磁感應(yīng)式無線充電不太適用于移動(dòng)式無線充電。

電磁諧振式無線充電技術(shù)[3-4]是利用加載在發(fā)射線圈上的交流電壓在其周圍產(chǎn)生一個(gè)非輻射的磁場(chǎng)，通過非輻射性磁耦合的相互作用，使兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合。正是由于諧振的存在，使得能量能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)勁的無線傳輸，并且非諧振的物體對(duì)該無線充電系統(tǒng)的干擾是微乎其微的。

本文在電磁諧振式無線充電原理的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)射線圈和接收線圈繞法的不一致性進(jìn)行研究。在空間矩形線圈實(shí)驗(yàn)中，確定諧振頻率，改變線圈直徑、線圈尺寸以及線圈疏密繞法三個(gè)參數(shù)中某一參數(shù)，來對(duì)比不同情況下點(diǎn)亮LED的最遠(yuǎn)距離，并在對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電時(shí)進(jìn)行效率計(jì)算。而在平面矩形線圈實(shí)驗(yàn)中，通過增加中繼線圈，對(duì)發(fā)送端和接收端的線圈波形進(jìn)行優(yōu)化分析。

1電磁諧振式方法理論分析

1.1 電磁場(chǎng)理論

簡單而言，電磁學(xué)經(jīng)典理論[5中，變化的電場(chǎng)會(huì)激起變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又可以產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)持續(xù)交替變化即電磁場(chǎng)。以一個(gè)波長為單位，根據(jù)波長的長短可將電磁場(chǎng)劃分為近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，這兩種場(chǎng)的物理性質(zhì)不同，其表現(xiàn)的電學(xué)特性也不同。

以場(chǎng)源為中心一個(gè)波長范圍內(nèi)的區(qū)域，稱為近區(qū)場(chǎng)，也可稱感應(yīng)場(chǎng)。以場(chǎng)源為中心一個(gè)波長范圍之外的區(qū)域，則稱為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。電磁諧振式無線充電技術(shù)就是利用近區(qū)場(chǎng)的電磁耦合特性來實(shí)現(xiàn)。電磁能量在輻射源周圍空間及輻射源內(nèi)部之間周期性流動(dòng)，因電場(chǎng)主要被束縛在電容器內(nèi)部，所以在發(fā)射線圈周圍形成了非輻射的交變磁場(chǎng)并用以進(jìn)行能量傳輸[6-7]。

1.2 諧振理論

電磁諧振式無線充電技術(shù)是利用發(fā)射線圈和接收線圈產(chǎn)生頻率諧振，通過磁場(chǎng)接收方獲得發(fā)射方的能量。根據(jù)耦合模式理論，當(dāng)發(fā)射方與接收方兩者產(chǎn)生完全諧振時(shí)，兩者之間的能量傳遞效果最佳，故效率最高。本文在發(fā)送端與接收端分別采用并聯(lián)電容匹配，使得電路工作時(shí)幾乎產(chǎn)生完全諧振。發(fā)射方與接收方線圈電感量 L 計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式[8]：

式中： N 為線圈匝數(shù)； R 為線圈半徑； μ_l 為真空磁導(dǎo)率；

Ψ_a 為線圈橫截面的半徑。

2 測(cè)量方法簡述

電磁諧振式無線充電系統(tǒng)9包括電源、振蕩源、功率放大器、發(fā)射/接收線圈及整流電路等多個(gè)部分。為了方便起見，本文針對(duì)單個(gè)負(fù)載進(jìn)行無線充電研究。如圖1所示，該系統(tǒng)可分成兩個(gè)部分，即發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分包括電源模塊、振蕩源、功率放大器及發(fā)射線圈，接收部分由接收線圈、整流電路及LED組成。目前市場(chǎng)上對(duì)于電磁諧振式無線充電的研究主要是基于發(fā)射部分和接收部分完全一致的情況，本文將對(duì)兩者的不一致性進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。在選擇的某一頻率下，發(fā)送端的能量通過電磁諧振耦合傳遞到接收端，后者進(jìn)行整流之后向負(fù)載供電。

本文在電磁諧振式無線充電的基礎(chǔ)上，在空間矩形線圈實(shí)驗(yàn)中，確定諧振頻率，改變線圈直徑、線圈尺寸以及線圈疏密繞法三個(gè)參數(shù)中某一參數(shù)，另外兩個(gè)參數(shù)不變，測(cè)試點(diǎn)亮一個(gè)LED時(shí)發(fā)射部分與接收部分的最大距離，從而得出在最高效率時(shí)發(fā)射線圈與接收線圈的繞法。而在平面矩形線圈實(shí)驗(yàn)中，通過增加中繼線圈，對(duì)發(fā)送端和接收端線圈的波形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 線圈設(shè)計(jì)

圖2所示為矩形線圈的兩種繞法，其中圖2（a）是采用銅箔進(jìn)行矩形線圈繞制，每根銅箔的間距為0.2cm ，最內(nèi)側(cè)矩形的長度為 10.5cm ，寬度為 8cm 最外側(cè)矩形的長度為 21cm ，寬度為 16.5cm 。銅箔固定在塑料墊片上，以防止在實(shí)驗(yàn)過程中受到外界的干擾。同時(shí)，在塑料墊片與銅箔之間分別加了四個(gè)銅箔片。圖2（b）表示的是空間矩形線圈的繞法。在實(shí)驗(yàn)中，分別采用 0.3mm 和 |0.6mm 兩種線徑進(jìn)行線圈繞制。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

在空間矩形結(jié)構(gòu)的線圈繞法中采用 0.6mm 和0.3mm 兩種不同線徑的漆包線，分別繞制三種尺寸的空間矩形線圈： 16cm×5cm，9cm×4cm，5cm× 2cm 。其中，每種尺寸的空間矩形線圈匝數(shù)都是8匝。每種空間矩形線圈又分為稀疏繞法和密集繞法，稀疏繞法即每種繞法中相鄰兩匝線圈間距為 5mm ，密集繞法即每種繞法中相鄰兩匝線圈是緊密繞制的。

圖3為 0.6mm 漆包線繞制的空間矩形線圈的數(shù)據(jù)分析圖。在這六幅圖中，線圈繞法1、2、3、4、5、6分別表示發(fā)送端發(fā)射線圈的繞法為 16cm×5cm （密），9cm×4cm （密）， 5cm×2cm （密）， 16cm×5cm （疏），（2號(hào) 9cm×4cm （疏）， 5cm×2cm （疏）這六種繞法。

圖3（a）表示在接收端接收線圈為 16cm×5cm （密）的情況下對(duì)負(fù)載供電的最遠(yuǎn)距離。由圖中數(shù)據(jù)分析可以看出，發(fā)送端疏密兩種繞法中均是采用9 cm× 4cm 尺寸效果較好。同時(shí)，發(fā)送端采用稀疏繞法時(shí)供電距離更遠(yuǎn)。

圖3（b）（c）分別表示在接收端接收線圈為9 ）cm×

4cm （密）和5 cm×2cm （密）的情況下對(duì)負(fù)載供電的最遠(yuǎn)距離。由圖中數(shù)據(jù)分析可以看出，兩幅圖中發(fā)送端疏密兩種繞法均是采用 9cm×4cm 尺寸效果較好。同時(shí)，發(fā)送端采用稀疏繞法時(shí)供電距離更遠(yuǎn)。

圖3（d）（e）（f分別表示在接收端接收線圈為16cm×5cm （疏） 、9cm×4cm （疏） .5cm×2cm （疏）的情況下對(duì)負(fù)載供電的最遠(yuǎn)距離。由圖中數(shù)據(jù)分析可以看出，當(dāng)接收端采用稀疏繞法時(shí)，發(fā)送端線圈采用與接收端線圈相同的尺寸效果較好。因此，與圓形線圈相似，發(fā)送端和接收端采用矩形線圈繞制時(shí)，發(fā)送端采用稀疏繞法，而接收端采用密集繞法，無線能量傳輸距離最遠(yuǎn)。

圖4為 0.3mm 漆包線繞制的空間矩形線圈的數(shù)據(jù)分析圖。在這六幅圖中，線圈繞法1、2、3、4、5、6分別表示發(fā)送端發(fā)射線圈的繞法為 16cm×5cm （密），9cm×4cm （密）， 5cm×2cm （密）， 16cm×5cm （疏），9 cm×4cm （疏）， 5cm×2cm （疏）這六種繞法。

圖4（a）（b）（c）分別表示在接收端接收線圈為16cm×5cm （密） .9cm×4cm （密） 5cm×2cm （密）的情況下對(duì)負(fù)載供電的最遠(yuǎn)距離。由圖中數(shù)據(jù)分析可以看出，發(fā)送端疏密兩種繞法均為采用 16cm×5cm 的尺寸效果較好。同時(shí)，發(fā)送端采用稀疏繞法時(shí)供電距離更遠(yuǎn)。

圖4（d）（e）（f分別表示在接收端接收線圈為16cm×5cm （疏） .9cm×4cm （疏） .5cm×2cm （疏）的情況下對(duì)負(fù)載供電的最遠(yuǎn)距離。由圖中數(shù)據(jù)分析可以看出，當(dāng)接收端采用稀疏繞法時(shí)，無論發(fā)送端采用哪種繞法，其最遠(yuǎn)距離均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)送接收端采用密集繞法的情況。因此，發(fā)送端和接收端采用矩形線圈繞制時(shí)，發(fā)送端采用稀疏繞法，而接收端采用密集繞法，無線能量傳輸距離最遠(yuǎn)。

圖5和圖6分別表示在諧振頻率為 |2MHz ，圓形線圈半徑為6cm和9cm兩種情況下的電磁諧振式無線充電數(shù)據(jù)測(cè)試圖。對(duì)比矩形線圈繞法的電磁諧振式無線充電數(shù)據(jù)測(cè)試圖可知，對(duì)于相同的諧振頻率，采用 0.3mm 和 0.6mm 兩種線徑的矩形線圈繞法都要比采用圓形線圈繞法的線圈效果更佳。采用矩形線圈繞法時(shí)，點(diǎn)亮LED的最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到 25.5cm 。而對(duì)于圓形線圈繞法而言，點(diǎn)亮LED的最遠(yuǎn)距離約為 7cm 。

在平面矩形實(shí)驗(yàn)中，在發(fā)送端發(fā)射線圈和接收端接收線圈均采用平面矩形結(jié)構(gòu)的線圈繞法，通過在發(fā)射線圈和接收線圈加入中繼線圈，對(duì)電磁諧振式無線充電系統(tǒng)進(jìn)行距離與效率的測(cè)試。中繼線圈采用的是圓形繞法。

圖7和圖8分別表示未加入中繼線圈的電路中線圈波形圖和加入中繼線圈的電路中線圈波形圖。其中圖7（a）為未加入中繼線圈時(shí)發(fā)射線圈的波形圖，圖8（a）為加入中繼線圈時(shí)發(fā)射線圈的波形圖，對(duì)比兩個(gè)圖形可以看出，未加入中繼線圈時(shí)，發(fā)送端發(fā)射線圈的波形在峰值處之后出現(xiàn)許多振蕩，而加入中繼線圈之后發(fā)送端發(fā)射線圈波形更加類似于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。圖7（b）為未加入中繼線圈時(shí)接收線圈的波形圖，圖 8（b） 為加入中繼線圈時(shí)接收線圈的波形圖，對(duì)比兩個(gè)圖形可以看出，未加入中繼線圈時(shí)，接收端接收線圈的波形在峰值處之后出現(xiàn)振蕩，而加入中繼線圈之后接收端接收線圈波形也更加類似于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。

在未加入中繼線圈和加入中繼線圈的條件下電磁諧振式無線能量傳遞效率的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。對(duì)比表1和表2中數(shù)據(jù)可以看出，在 5～10cm 的距離，保持發(fā)送端線圈參數(shù)不變，加入中繼線圈可以提高接收端接收線圈的電流。其中，在發(fā)射線圈與接收線圈相距 5cm 時(shí)，加入中繼線圈效率可以達(dá)到28.99% ，相比不加入的情況下，提高了5.06個(gè)百分點(diǎn)。隨著發(fā)射線圈和接收線圈兩者之間距離的增加，加入中繼線圈依然可以提高效率，但是，效率的增加率隨著距離的增加是慢慢降低的。

5 結(jié)束語

本文在電磁諧振式無線充電的基礎(chǔ)上，通過對(duì)矩形線圈的實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究，分析了發(fā)射部分的發(fā)射線圈以及接收部分的接收線圈繞制對(duì)系統(tǒng)的影響。通過對(duì)比圓形線圈和矩形線圈的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得出，采用矩形線圈繞法的發(fā)射線圈和接收線圈能量傳遞距離更遠(yuǎn)。同時(shí)，在平面矩形線圈實(shí)驗(yàn)中，在 5～ 10cm 的距離，加入中繼線圈可以增加無線能量傳輸效率，在其他條件相同時(shí)，無線能量傳輸效率可以提高約5個(gè)百分點(diǎn)。

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收稿日期：2025-02-12作者簡介：朱云陽（1989一），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，講師，研究方向：無人機(jī)智能控制。