无线电能传输装置的设计

郭鲁 沈阳工学院

无线电能传输装置的设计

郭鲁 沈阳工学院

文中介绍了一种磁耦合谐振式无线电能传输装置。该装置包括了发射部分和接收部分，发射装置包括电源电路、震荡电路、驱动电路和发射线圈；接收部分包括了接收线圈、整流电路、稳压电路。

无线电能传输装置 磁耦合谐振电路 线圈

在无线电能传输过程中，一般通过修改发射部分和接收部分之间的距离，来调整电能传输的最佳状态。

1 理论基础

磁耦合谐振式无线电能传输的基本理论是麦克斯韦电磁场理论，麦克斯韦理论认为运动着的电荷或者交变的电场在其周围能够产生磁场，而交变的磁场又能够产生电场。如图1所示。

H表示磁场强度，当螺旋线圈中通过交变电流时它的周围将产生交变磁场。离中心线圈越近，磁场强度H越大。

2 系统的工作原理

非接触式无线能量传输利用电磁感应原理实现能量传递，其特别之处在于：用于谐振耦合能量无线传输的2个线圈发生自谐振，即线圈本身高频等效电路发生自谐振，使线圈回路阻抗达到最小值，从而使大部分能量往谐振路径传递。谐振耦合电能无线传输装置如图2所示，一个完整的谐振耦合无线输电系统，除2个发生自谐振的开路线圈外，还必须有发射功率源和接收功率设备。

发射电路作为激励源，产生高频的磁场，为系统提供高频信号。发射源、发射线圈、接收线圈、负载电路具有相同的固有频率。首先由发射电路产生高频磁场，发射线圈在高频磁场下发生谐振，此时发射线圈与接收线圈在谐振频率下发生强磁耦合谐振，最后，接受线圈在通过耦合把能量传递给负载电路。这就是磁耦合谐振式无线电能传输的整个过程。

图1 螺旋线圈周围磁场分布图

图4 发射电路

图2 磁耦合谐振式无线电能传输示意图

3 谐振电路

本设计使用并联式谐振电路其基本电路如图3所示，为了使电路达到“磁耦合”必须选择合适的线圈和匹配电容。线圈采用单股铜芯，直径3mm的漆包线绕制而成。为使线圈谐振频率在0.8-2MHz左右，采用在线圈两端并联电容。电容量、电容损耗、工作电压、绝缘电阻、频率特性和温度系数是电容器选择时需要考虑的特性参数。综合考虑瓷片电容具有较好的高频性能，其是一种用陶瓷材料作介质，在陶瓷表面涂覆一层金属薄膜，再经高温烧结后作为电极而成的电容器。本设计选用瓷片电容器作为谐振耦合无线电能传输系统的谐振电容。

图3 并联谐振电路

4 发射电路的设计

发射电路主要由IRFZ44N型MOS管、磁环电感、绕线电阻、继电器、独石电容、瓷片电容、电阻、指示灯、发射线圈等组成。其电路如图4所示。

5 接收电路的设计

接收电路主要由独石电容、LED灯、整流桥、接收线圈等组成。其电路如图5所示。

图5 接收电路

6 测试结果的比较和分析

表1 测试结果（数据）

通过调试，我们发现振荡器频率为800KHz～1MHz传输效率较高。

[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计（第2版）.北京:北京航空航天大学出版社.2011

[2]郭天祥.新概念51单片机C语言教程.北京:电子工业出版社.2011

[3]陈永真，陈之勃.全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解．北京：电子工业出版社．2011