基于磁谐振无线输电系统的设计

陈　伟，孙志毅，刘立群

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)



基于磁谐振无线输电系统的设计

陈伟，孙志毅，刘立群

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)

摘要：无线输电作为一种新型供电方式正在被国内外研究人员深入研究，磁谐振作为无线输电的一种方式，具有比磁感应传输距离远，传输效率高，并且能通过非磁导性障碍物传输电能等优点，使其有望取代电线输电方式。利用磁谐振技术设计一套无线输电装置，从发射电路、发射线圈、接收电路以及接收线圈各方面全面阐述了其设计和制作机理。

关键词：磁谐振耦合；发射电路；接收电路；线圈

随着科技的快速发展，越来越多的用电设备走入各个领域。手机、笔记本电脑等小型移动设备更是成为人们生活工作中不可缺少的一部分，然而其连接部分容易损坏，即影响供电的安全性又影响供电的可靠性。这些有线充电问题给日常应用带来了诸多不便[1]，这时一个新型供电方式走入研究人员的视野中——无线输电。无线输电最初是由尼古拉·特斯拉在1889年首次提出[2-3]。现在无线电力传输不再是梦想，已经应用到医疗和一些商业领域[4]。2007年，由麻省理工的Marin 1 SoIjacic教授等人在中距离无线输电方面取得了不小的进展[5]。目前，无线输电有三种方式：第一种为电磁感应式又称短距离传输，这种方式结构简单，技术可靠，成本较低，但是传输距离在毫米级；第二种为电磁波传输又称远程传输，此种方式通过微波或激光来实现传输，传输距离能达到数千米，但是微波辐射比较强，不适宜在有人类居住的地方架设；第三种为磁谐振电能传输又称中程传输，这种方式利用共振的原理来传递电能，传输距离能达装置线圈半径的八倍[6]。与电磁感应式相比磁共振具有更大的传输距离，与微波方式相比，它具有电磁兼容性好和较低的电磁干扰的优点。

虽然无线输电这个概念早已存在，但目前该技术还在起步阶段，仍需深入研究。国外剑桥大学应用无线供电方式对体内植入设备进行了研究[7]。傅文珍等人通过设计不同参数的线圈，研究其对传输效率的影响，并提出线圈优化设计方法[8]。黄辉等人通过改变线圈的匝数和直径，研究了他们对传输效率的影响[9]。朱春波等人通过仿真和实验研究了相同线圈在不同频率和不同距离下对传输效率的影响[10]。本文就以磁共振的方式来设计一套无线输电装置，并详细分析其软硬件设计策略和方案。

1无线输电装置的基本原理

简单起见，只考虑一个线圈做为发射线圈，无线输电电路的电路模型和等效电路模型如图1和图2所示。如图1所示，该系统由一个激励线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈组成。其中发射线圈和接收线圈具有相同的半径。激励线圈直接与电源相连，负载线圈与接收电路相连。激励线圈与发射线圈，接收线圈和负载线圈分别通过电磁感应连接。发射线圈与接收线圈通过磁耦合相连。由于发射线圈和接收线圈分别脱离电源与负载电路，所以品质因数高。发射线圈和接收线圈分别强耦合激励线圈和负载线圈。

图1　无线输电系统发射和接收模型

通过选择适当的参数，如线圈的直径、线圈的的匹配电容、线圈之间的距离等，无线能量可以从驱动线圈高效率地传送给负载。

图2　无线输电系统等效电路模型

2无线输电装置的设计

本装置是利用磁共振的原理，依靠两个有一段距离的空心线圈来实现电能的传输，如图3所示。装置主要分为发射部分，共振部分和接收部分。发射部分由振荡芯片NE555将直流电转化为交流电，然后将交流电传给发射线圈。由发射线圈激发磁场，接收线圈与发射线圈产生共振，电能通过这个共振通道，从发射端传递到接收端，接收端再把电能供给连接的负载。

图3　磁谐振无线输电装置框图

2.1　发射电路的设计

该部分电路主要由振荡电路和功率放大电路组成，振荡电路主要是用于产生振荡电流。本文设计用NE555来做振荡芯片。NE555的电源电压范围宽，可在4.5~16 V之间工作，电路功能多变，应用范围广，只需在外围接几个简单的元器件就能构成多谐振荡器。功率放大部分有MOS管IRF840来实现[11]。如图4所示。

图4　振荡放大电路

2.2　发射线圈与接收线圈的设计

由于需要通过谐振来传递电能，所以在设计发射线圈和接收线圈时，在材料和尺寸大小上都选取一样的参数。线圈用直径1.3 mm的塑包铜线以螺旋紧密缠绕的方式绕制成直径为16 cm的圆形线圈，共10匝。由经验式(1)计算得到线圈的电感值为51.6 uH.

(1)

其中：N—线圈匝数；r—线圈半径(m)；a—导线半径(m)；μ0—真空磁导率；μ0=4∏×10-7H/m.

然后在两个线圈的两端分别并联一个容值一样的电容，构成LC振荡电路。本装置设计的频率为50 kHz，所以根据式(2)算得所需并联电容值为0.22 uf.

(2)

其中：L为线圈电感；C为线圈并联电容。

2.3　电源和负载

本装置的供电电源为12 V直流电，负载为一个12 W的卤素灯。本实验完整装置如图5所示。图中L1，L2分别代表线圈的电感，C1，C2分别是调谐电容。

图5　实验装置电路图

3无线输电装置测试

图6为发射电路的仿真图，从图中我们可以看到，本装置成功通过NE555将12 V直流电转化成方波，然后经过mos管转变成高频交流电，通过发射线圈向接收线圈传送电能。

图6　发射电路仿真

通过实验测的数据如表1，并根据表1数据绘制出图7所示的传输距离与接收端电压变化趋势图。

表1　传输距离与接收端电压对照表

通过对表1及图7分析有，传输距离是影响无线输电的一个要素。在两个线圈相距0 cm也就是两线圈相靠时，此时接收端电压达到11.2 V，随着两个线圈的远离，接收端电压开始急剧下降，灯泡亮度明显变暗，经过测量，线圈在相距4 cm时，接收端电压约等于0 V.

随后制作了两组线圈进行了对比试验，如表2所示为两组线圈直径不同的线圈参数，两组线圈通过匹配不同电容使两组线圈的固有频率近似相同。

表2　线圈参数

分别对上述两组线圈做传输距离实验，得到接收端电压与传输距离实验数据如表3所示。

表3　不同直径的接收端电压与传输距离实验数据

根据上述数据绘制出传输距离特性曲线，如果图8所示。

从图8所示的曲线图上，可以清晰的看到，两种曲线的变化趋势是相似的。线圈固有频率相差不大或近似相等时，直径大的线圈传输距离特性曲线变化缓慢，不仅能传输较大的能量，而且能传输较远的距离。

图8　不同直径线圈传输距离特性曲线

4结论

通过对无线输电装置的设计，基本实现了电能的无线传送，并制作两组线圈进行对比试验，对于后续的深入研究有重要意义，同时实验中发现mos管(发热严重)的效率过低是造成传输效率较低的重要原因之一，其次是匹配电容的选值不够准确。从实验过程及表1的数据中发现如下问题：(1)本装置虽然基本实现了无线输电，但是仍然有待改进；(2)系统的逆变效率较低，通过改进逆变结构和线圈的绕制方式有望解决这个问题。上述所提问题是后续研究中最需解决的。

参考文献：

[1]管克江.“无尾”电器让充电走向无线时代[J].发明与创新，2010(3)：20.

[2]卢跃明.“人工闪电”的发明者特斯拉[J].集邮博览，2014(5)：70-71.

[3]MARALIS A S.Nikola Tesla and the Wiresless Transmission of Energy[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1982，101(10)：4064-4068.

[4]ISHIZAKI T.Comparative study of coilresonators for wireless power transfer system in terms of transfer loss[J].IEICE Electronics Express，2010，7(10)：785-790.

[5]KURS A，KARALIS A，MOFFFATT R.Wirele-ss Power Transfer via Strongly Co-upled Magnetic Resnoances[J].Science，2007，317(7)：83-86.

[6]张斌.磁耦合共振型无线输电系统的研究[D].兰州：兰州理工大学，2014.

[7]LIU XIAOYU，ZHANG FEI，HACKWORTH STEVEN A.Wireless power transfer system design for impalnted and worn devices[C]∥35thIEEE Northeast Biomedical Engineering Conference.Boston，Cambridge：IEEE Press，2009.

[8]傅文珍，张波，丘东元，等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报，2009，29(18)：21-26.

[9]黄辉，黄学良，谭林林，等.基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究[J].电工电能技术，2011，30(1)：32-35.

[10]ZHU CHUN，LIU KAI.Simulation and experimental analysis on wireless enerrgy transfer based on magnetic resonances[C]∥IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，Sept 3-Sept 5，2008：Harbin，China.

[11]祝佳芳，宋俊蓉，龙剑.基于电磁感应的无线供电装置设计[J].现代设计与制造技术，2013(5)：102-103.

Design on Wireless Power Transmission System Based on Magnetic Resonance

CHEN Wei，SUN Zhi-yi，LIU Li-qun

(School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science & Technology，

Taiyuan 030024，China)

Abstract：As one of new type electricity transmission，the wireless power transmission attracts many researchers indoors and outdoors to study deeply.Magnetic resonance，as a way of wireless power transmission，has the advantages of long transmission distance，high transmission efficiency，good transfer power through non-magnetic conductive material etc.，which makes it possible to instead of electric wire.A wireless power transmission equipment was designed based on magnetic resonance.The design and production mechanism were illustrated from emit circuit，emit coils，receive circuit and receive coils respectively.

Key words：magnetic resonance coupling，emit circuit，receive circuit，coils

中图分类号：TM5

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.01.007

文章编号：1673-2057(2016)01-0032-04

作者简介：陈伟(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为无线供电。

基金项目：中国博士后基金第7批(2014T70234)；中国博士后基金第53批(2013M530895)

收稿日期：2015-04-22