基于无线电能传输技术的智能家居设计概论

崔若昕 邓亚峰 李丽丽 禚安琪

摘 要 文章介绍了无线电能传输技术及在智能家居应用中的研究现状，对无线电能传输技术耦合模块的传输性能进行了理论分析，并用Ansoft Maxwell有限元软件进行了仿真研究，最后对基于无线电能传输技术的智能家居照明系统、智能锁和开窗器进行了探索性的研究，拓展了无线电能传输技术在智能家居领域的应用范围。

关键词 无线电能传输;智能家居;应用研究;耦合性能;绕组

引言

无线电能传输技术是通过电磁场或电磁波实现能量从电源到负载以空间作为传输介质的输电方式[1-2]。近些年，无线电能传输技术逐渐成了国内外研究机构的研究热点。采用传统Si材料半导体器件和附有高频逆变器的无线电能传输系统，存在热稳定性差、导电性能较差和介电常数较大等问题，基于SiC的无线电能传输系统的性能能得到有效的改善。

智能家居已经成为消费者重要的日常消费品，但是这些电器的充电导线不仅占用了空间，同时还有引发短路进而引发火灾的潜在危险，而无线电能传输技术可以有效地提高智能家居的安全性和便捷性，诸多的研究机构也展开了相应的研究。2014年苹果公司推出的运用磁感应技术无线充电底座;全世界首台可以支持无线充电的台式电脑由华硕发布;松下公司也发布了可以无线充电的真空吸尘器;宜家公司推出的无线电能传输充电板，该无线电能传输设备将核心部件采用Qi无线充电标准。

1无线电能传输系统的耦合性能研究

互感M是耦合模块的参数指标，其值主要决定于回路的形状和几何尺寸、周围介质的磁导率以及导线匝数和电流在导线截面上的分布，互感M与各回路的相互位置有关。

为简化分析，以圆形线圈为例，取初、次级绕组的任一线圈进行耦合性能的理论分析。L1和L2分别为初、次级绕组的线圈，线圈L1中的电流为I1，中心偏移量（lateral misalignment）为Δ，偏转角（angular misalignment）为α，传输距离为d。理想状态即Δ=0，α=0。

则初、次级绕组之间存在偏转角时总的互感值为：

式中：;N1、N2为初、次级绕组的匝数;r1、r2为初、次级绕组的半径;α为偏转角，Δ为中心偏移量;d为传输距离。

在理想状态下，初、次级绕组为圆形线圈时，运用Ansoft maxwell有限元进行传输距离对耦合性能影响的仿真，初、次级绕组的几何参数为线圈半径50 mm、匝数为4、导线截面半径0.5 mm。在谐振状态下，初、次级绕组的磁场在传输距离较小时能够形成闭合回路，互感较好，能量能有效地从初级端传输到次级端。随着传输距离的增大，系统会产生较大的漏感，能量损耗也随之增大，磁场的闭合回路也被破坏，次级端能接收到初级端传输的能量也越来越少，次级绕组的磁场强度也越来越弱。由此可见，传输距离对耦合性能影响很大。

当两个绕组之间存在中心偏移量（即Δ≠0）时的Ansoft Maxwell有限元仿真时，两线圈的传输效率随着偏移量的增加会明显减弱。当中心偏移量Δ增大时，k△_max是减小的，此时次级绕组的磁耦合强度显著减弱，这是因为当两个绕组之间有偏移时，次级绕组接收初级绕组能量的有效正交面积会减少了，从而导致大量的能量损耗。

2具有无线电能传输功能的智能家居设计

美国的Power Cast公司开发了基于微波辐射式无线电能传输技术的充电装置，该装置可为各种电子产品充电或供电。整个系统包含两个部件，分别称为Power Caster的发射器模块和Powerharvester的接收器模块，前者可插入在插座上，后者则嵌入在电子产品上。发送器发射安全的低频电磁波，接收器接收发射频率的电磁波，据称约有70%的电磁信号能量转换为直流电能。该项技术之所以会得到多家厂商的青睐，原因在于它独特的电磁波接收装置，能够根据不同的负载、电场强度来做调整，以维持稳定的直流电压。

2.1 灯具设计

本设计将电磁共振式无线电能传输技术与智能家居结合起来，在天花板上安装上述电力传送单元，在室内电器中植入上述电力接受单元，实现室内电器的无线充电。设计了无线充电系列智能灯具——“horn”。此系列灯具将无线充电作为基础功能，采用牵牛花的造型，能实现全彩智能调光调色。

吊灯灯壳中有简化无线充电和LED控制模组，接收线圈，LED模组，可以实现无线充电功能。吊灯顶端通过粘钩固定在顶上，因为此吊灯是无线充电的，所以可以随便移动位置，很好地解决了传统的吊灯只能固定在某个位置的“痛点”。

2.2 无线充电智能锁前景

目前的智能锁绝大多数是通过锁内内置的电池进行充电的，电池寿命短是“痛點”，目前大部分品牌的智能锁的电池寿命都在半年到一年不等。未来的智能锁设计应趋向于更简约、更人性化，无线电能传输技术便为智能锁的充电提供了新的可能。将智能锁原本安装电池的部分改变为无线充电装置，消费者不用担心智能锁的电量问题。

本设计理念来源于提醒使用者 “不要将工作上的烦恼带回家”，参照“笑脸”表情包，设计了“微笑”智能锁。让用户时时记得“开开心心回家来”。简约的设计理念是当前最流行的设计理念。本设计将门把手与“笑脸”的“嘴”结合起来，并且将指纹识别装置设置在门把手上，使用者在握住门把手的同时可以使门锁打开，直接推门，没有多余的动作，使得开门更为方便。

人机交互的界面离不开设计，其好坏能够对使用者的体验造成直接的影响。密码解锁界面作为备用的识别方式，用户可以直接点击上面的“笑脸”界面，便可以弹出。密码解锁界面由数字0～9和电话图标和门铃图标组成。点击门铃图标，省去敲门，还可以提醒室内人外面有人。点击电话图标，可以使室内的人不开门与外面的人交流，确认要不要开门。

3结束语

随着人们的关注和众多高校企业的研究，人们对无线电能传输技术的需求逐渐增加。本文便是基于未来远距离、大功率、高效率的成熟的无线电能传输技术，结合MIT公布的“非辐射性磁耦合共振”技术和上述能同时给多台设备进行无线充电的A4WP技术，研究其在智能家居中的应用。

本文设想在屋顶上安装电力传送单元，在室内电器中植入电力接受单元，实现室内电器的无线充电。分别设计了无线充电灯具——“horn”和无线充电智能锁——“微笑”。运用了Rhino、Keyshot、AutoCAD、Photoshop等软件，对它们的造型、尺寸、内部无线充电结构、功能和使用情景等做出了表达，提出更多“无尾化”家用电器的设想。

参考文献

[1] 杨庆新，陈海燕，徐桂芝，等.无接触电能传输技术的研究进展[J].电工技术学报，2010，25（07）：6-13.

[2] 谭林林.无线电能传输技术及其应[J].国际学术动态，2015，（6）：20-22.