基于非接触供电技术的柔光照明系统研究

金星（遵义师范学院物理与机电工程学院，贵州遵义563002）



基于非接触供电技术的柔光照明系统研究

金星
（遵义师范学院物理与机电工程学院，贵州遵义563002）

摘要：设计了一种柔光照明系统，该系统通过非接触方式从现有电力线缆获取电能，采用LED作为光源，设计并利用导光板将LED点光源转换成面光源，解决了现有照明设备易损坏、有炫光、难维护等缺陷，具有较好的应用价值。

关键词：非接触供电；LED；导光板；超级电容

发光二极管（LED）是目前电光转换效率最高的发光材料，采用LED作为光源的照明设备广泛应用于各行各业，正逐步替代传统光源照明设备。

随着LED技术的发展，LED芯片的亮度大幅提高，但也存在一些隐患。目前大多数LED照明设备都采用直露式灯具，其发出的光线直接照射人的眼睛，形成眩光污染；LED元器件损坏，若维修人员违章拆卸和维修照明设备，容易产生火花引发安全事故；传统LED照明设备采用接触式有线供电，随着使用时间的延长，导致电缆接头处压接点氧化，接触电阻增大，压接点温度升高，从而造成安全事故［1］。

为了避免照明设备引发的安全事故，作者设计了一种柔光照明系统，该系统采用非接触供电技术提供电能；以LED作为发光源，采用光学级PMMA加工而成的导光板，将LED点光源转换成面光源。该照明系统光线柔和，对人体无害；采用整体式密封，防水防尘；无需外部供电接口，无磨损、无火花，较好地解决了照明设备的多种安全隐患。

1总体设计

1.1设计原理

本照明系统以超高亮全彩LED作为发光源，采用非接触供电技术为LED供电。由于LED发出的光是发散的，为其加装由反光膜和透镜组成的配光系统以改善发光质量。当LED发出的光进入导光板内部并照射到导光板内表面的散射网点时，发生不规律反射，经过扩散膜散射后，在导光板的出光面形成光线柔和、亮度均匀、色度稳定的二次面光源［2］。

1.2总体设计

本照明系统主要由非接触供电单元、LED光源、导光板、驱动电路和框架构成。

非接触供电单元主要由磁感应取电器、高频整流滤波电路、稳压电路等部分组成。磁感应取电器采用硅钢材料制成感应线圈铁芯，两个半圆结构的铁芯套装在电力电缆上。取电器从电力电缆耦合电能，感应线圈输出的电流经高频整流滤波电路转换成直流电为储能装置进行充电。储能装置由超级电容和锂离子电池并联而成。

导光板用光学级PMMA加工而成，其正反两面均为出光面，出光面按一定规律分布着散射网点，如图1所示。为了获得较大的导光板照度，在导光板两侧分别均匀排列安装LED光源，LED光源发出的光线采用双侧入光的方式进入导光板，在导光板的出光面就可以发出亮度均匀的光；在框架内安装LED光源和驱动电路，通过导线与外部储能装置连接，导光板结构如图2所示。据LED的排列规律设置各项光学参数，通过计算机仿真分析得到仿真数据，并与预设数据进行比对，反复调试，直至达到预期效果。

图1导光板及LED分布结构示意图

其次，在TracePro中建立导光板模型，选择导光板材料为PMMA，设计导光板散射网点的大小、数量、密度。由于单位面积内散射网点的数量大，容易导致两侧LED发出光通量产生重叠，不利于网点坐标的确定，因此，将导光板划分为若干网格，对每个网格进行MC（蒙特卡洛）光线追迹，以此获得三维网点分布图形（如图1所示）和参数（r=0.22～0.37，A=1.5mm，其中r为网点半径，A为相邻网点间距）。

2关键部件设计

2.1非接触供电技术

本系统利用非接触供电技术从现有电力电缆获取电能，具有可靠性高、抗干扰、无接触火花等优点，可有效降低安全事故的发生率。

非接触供电单元包括磁感应取电器、高频整流滤波电路、稳压电路等，其结构示意图如图3所示。相关研究表明，取电器磁芯材料的选择、负载等效阻抗的匹配、取电器线圈的绕制及匝数等因素对非接触供电系统的取电能力有较大影响。

图2 导光板A-A截面结构示意图

LED可以看作是具有自身光型曲线的点光源，它的发光强度会沿导光板轴线方向逐渐减弱，可通过调整网点半径实现导光板的均匀出光［3］。本文利用具有光学精度的光学模拟软件TracePro，辅助进行导光板的光学设计。

首先，在TracePro中对LED进行光学建模，根

图3非接触供电单元结构示意图

（1）取电器磁芯材料的选择

由于磁性材料在电磁转换过程中存在磁能损耗（铁损），导致取电器获取的有效电能明显减少。研究表明，磁性材料单位体积内的磁滞损耗与磁感应强度最大值（Bm）的平方成正比［4］。常见的磁性材料有硅钢、Ni-Fe合金等，通过对比发现，硅钢的Bm是Ni-Fe合金（镍48%）的1/8、是Ni-Fe合金（镍80%）的1/220，显然硅钢的铁损比Ni-Fe合金低很多，也就是说，硅钢比Ni-Fe合金材料的有效磁感应功率高得多。另外，由于硅钢比Ni-Fe合金硬度小，易加工，两个半圆结构的取电器配合更紧密，气隙小，漏感少，确保了较高的磁感应功率。

（2）负载等效阻抗的匹配

（3）取电器线圈的绕制及匝数

相关研究表明，当电缆工作电流为5A、负载等效阻抗为100、线圈线径为0.5mm、取电器线圈匝数在100匝时，线圈的输出电压和输出功率最高，若线圈匝数偏离该值，会降低负载获得的有效功率［5］。

综上所述，本系统的磁感应取电器采用硅钢材料制成两个半圆结构的感应线圈磁芯，磁芯套装在电缆上，对磁芯接口进行精加工和防腐处理，尽量缩小气隙长度；设计负载等效阻抗为100，使输出功率最大化；设计取电器线圈外径D和线圈绕组长度L之比为0.7，以降低磁损；为降低导线电阻和衍生电容，稳定线圈参数，设计线圈匝数N=100，采取单层、紧密绕制［6］。以此设计的取电器输出功率最高可达3W，最大输出电流250mA，输出电压6V和12V可供选择，基本满足本辅助照明系统需求。

由于非接触供电系统无法持续为照明系统供电，因此，本文采用超级电容器与锂离子电池并联组成储能装置。锂离子电池虽具有较大的能量密度，但功率密度较小，充放电效率较低，循环使用寿命短；而超级电容虽能量密度较低，但功率密度较大，充放电效率较高，循环使用寿命长，因此，结合超级电容器和锂离子电池的优点，采用超级电容器与锂离子电池并联，能使储能装置的功率输出能力提高，内部损耗降低，放电时间延长，充放电次数增加，储能装置的综合性能大幅提高。

2.2导光板

导光板的设计是本照明系统的关键技术之一，其作用是将LED点光源转换成面光源。导光板的出光质量及效率受其材料、形状及网点排布规律的影响。本设计采用透光性良好的光学级PMMA（Poly methyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲脂）板材（厚度10mm，透光率92%～93%，折射率1.482～1.521）加工成导光板［7］。

在TracePro软件中打开网点分布图，建立导光板和LED模型，利用“剖面曲线”功能进行照度分析，采用9点测量法进行均匀度测量，以获得最佳照度和均匀度。

2.3散热

由于LED的光通量与温度成反比，因此，良好的散热设计是保持LED亮度恒定的保证。为了便于散热，将图2中的框架作为LED的散热体。为了增加散热效果，将散热体外表面制成鳍片状。在散热体材料选用上，将铜导热快和铝散热快的优点结合起来，加工成如图4所示的散热结构。LED芯片与散热体的粘结材料主要有导热胶、银浆、锡浆三种，由于锡浆具有更好的导热性能，本设计选用锡浆作为散热体的粘结材料。

图4LED芯片散热结构示意图

3结束语

本文在现有LED照明技术的基础上提出一种新型设计方案，将超级电容器和锂离子电池并联作为储能装置为LED提供电能，利用非接触供电技术为储能装置充电，并利用导光板将LED点光源转换成面光源。该照明系统具有较高的安全性和可靠性，光线柔和，可以有效缓解人眼的视觉疲劳，降低安全事故的发生机率。该系统设计的防水等级是IP68，完全防水，作为现有照明系统的补充和延伸，在矿井、涉水、灌浆、抢险救援等领域具有广阔的应用前景。

参考文献：

［1］金星.基于非接触供电的矿井高压电缆接头温度远程监控系统研究［J］.煤炭工程，2011，（8）:119-121.

［2］金星.基于LED光源的多光谱诱虫灯研究［J］.江苏农业科学，2015，43（10）:476-478.

［3］李天华，熊飞峤.基于LED光源的导光式诱虫板的研究［J］.农机化研究，2013，（9）:108-111.

［4］王永鑫，金立军.不同频率下材料特性对电磁吸收力的影响［J］.低压电器，2008，（1）:19.

［5］孙勇，楼佩煌，钱晓明.感应耦合功率传输技术高频逆变环节研究与应用［J］.电工电气，2009，（3）:44-47.

［6］王亚盛，杨震威，李少辉.电力电缆非接触式高效感应取电互感器设计［J］.电源技术，2013，（3）:459-460.

［7］智佳军，梁铭泉，陈俄振，等.LED单边侧入式导光板的网点设计［J］.照明工程学报，2012，23（3）:60-63.

（责任编辑：朱彬）

Investigation of System Based on Contactless

JIN Xing
（Physics and Mechanical&Electrical Engineering Institution，Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China）

Abstract:A system using LED as light source was designed，which can acquire power from the existed power cable via contactless. And a light guide plate was also designed and used to convert the into.This lighting system shows great potential of applications because of the absence of the problems frequently encountered in the present lighting equipments，such as，，hard maintenance and so on. Key words:contactless LED；light guide plate；

中图分类号：TM45

文献标识码：A

文章编号：1009-3583（2016）-0103-03

收稿日期：2015-12-22

基金项目：2015年贵州省遵义市科技合作专项资金项目（省市科合［2015］37号）；贵州省省级特色重点学科项目（黔学位合字ZDXK［2015］12号）；遵义市红花岗区科学技术项目（遵红科合社字［2015］17号）

作者简介：金星，男，贵州遵义人，遵义师范学院物理与机电工程学院副教授，硕士。研究方向：自动测控、传感器与检测技术。