磁耦合谐振式无线输能实验系统制作及传输效率研究

王成蓉　张雅丽　杨阳

摘要：近年来，在无线输能方式中，磁耦合谐振式可以将几千瓦能量在3～4m的距离范围内无线传输，使无线输能的距离提升到米级范畴，因此，对磁耦合谐振式无线输能系统的研究有着实际意义。该文设计和制作了一个磁耦合无线输能实验系统，对其构成与原理进行了详细介绍，并详细说明了各部分的元件组成及电路应用原理。也由此获得了系统中传输效率与传输距离之间的关系、传输效率与发射频率之间的关系及传输效率与接收线圈相对于发射线圈的偏移角度之间的关系。

关键词：磁耦合谐振；无线输能；传输效率

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）14-0210-02

无线输能技术是近几年来发展起来的供能技术，它和传统输能方式有很大的区别，这种输能技术可以透过所有非金属物质来传递电力。这种输能方式在医学上极具应用价值，例如给对心脏起搏器进行无线充电，给病人胃肠道中的胶囊摄像头进行无线供电等等。同时，这种技术也可以帮助人们免于复杂的接线以及接线头，为生活带来了安全、环保、高效和方便。在当前主要的无线输能方式中，以磁耦合谐振式为基础的无线输能方式可以将几千瓦能量在3～4m的距离范围内传输，使无线输能的距离提升到米级范畴。

1磁耦合谐振式无线输能实验系统的构成

本文中的磁耦合谐振式无线输能系统由直流稳压源、发射板、发射和接收线圈、接收板等部分组成。其中直流稳压源用于提供稳定的直流电压，发射板用于产生正弦波信号，发射和接收线圈用于和发射端及接收端电容构成LC振荡电路进行并联谐振从而传输电能，接收板进行整流滤波。其中交流电由实验室220V交流电提供，负载为5.1k的四环电阻。整套系统框图如图1所示：

整套系统实物图如图2所示。从左到右依次是直流稳压源、发射板、一对线圈及接收板，其中绕至在直径为20cm的PVC管上的绕线构成谐振线圈并与CBB电容一起构成并联谐振电路。系统利用耦合谐振无线能量传输的发射端与接收端的两个线圈产生谐振，也就是线圈自身电路产生自谐振，使得线圈回路阻抗值达到最小，进而使大部分能量通过谐振路径进行传输。

发射板电路原理是使用CD4069芯片中的三个反相器与10k滑动变阻器、1k电阻、101瓷片电容共同组成多谐振荡电路，产生方波信号。两个三极管s8050、s8550则构成放大电路。场效应管、47μF电解电容及10kΩ电阻则将方波转化为正弦波。两个三极管及后面的场效应管、电解电容和电阻又一齐构成灌流电路。

谐振线圈由1×1.5mm²的bvl.5阻燃单芯铜线绕至在直径为20cm的PVC管上而成，每个线圈十匝，且分别与一支102CBB电容并联组成谐振电路。发射线圈的PVC管内层含两匝绕线与发射板电路相连接。每个线圈相当于电感，与电容组成一个LC振荡电路。线圈固有频率则是使用信号发生器和示波器，通过调节发射板上的可变电阻，从而控制发射频率来测得最大电压幅值的方法获得，值为806kHz。而发射线圈PVC管内层的两匝绕线线圈则与外层的10匝绕线线圈构成了1：5的变压器。接收板电路原理相对于发射板则较为简单，是由四支整流二极管及一支电解电容构成整流滤波电路，将正弦信号转换为直流信号。

2磁耦合谐振式无线输能传输效率的实验研究

影响磁耦合谐振式无线输能系统的传输效率因素有多种，本文主要考虑其中三个因素，即研究系统传输效率与线圈距离、发射频率以及接收线圈相对于发射线圈偏移角度的关系。

在研究系统传输效率与线圈距离关系实验过程中，发射频率被固定为806kHz，输入电压固定为5.2V，然后在8cm到22cm间以2cm为间隔不断改变线圈间距离，并测量每个点的传输效率。输入功率由直流稳压源上显示的电压电流之积计算得到，即P_in=U_inI_in。输出功率则通过万用表进行测量，由负载两端电压及流经负载的电流之积得到，即P_out=U_load。传输效率由输出功率比上输入功率得到，即：η=P_out/Pⁱⁿ，最后对数据进行绘图，即可得到系统传输效率与线圈距离关系曲线（图3（a））。从图可知，本实验系统的传输效率随距离增加先增大后减小，并且存在最大效率的传输距离，14cm。可能的解释为，在线圈间距小于14cm时，线圈因受到线圈近距离互感影响而导致效率较低，并随着距离增加且互感影响下降而效率上升。在线圈间距离大于14 cm时，传输效率则随着间距增大而逐渐减小，此时线圈受互感影响已不那么明显，因此传输效率受耦合度影响，距离越远，线圈间耦合度越小，同时传输效率也就越小。

在研究系统传输效率与发射频率之间的关系过程中，线圈间距离被固定为14cm，输入电压被固定为5.2V。通过调节振荡电路中的可变电阻，从而在797kHz到81lkHz间以3kHz为间隔不断调节系统发射频率，并测量每个频点的传输效率。传输效率同样由式η=P_out/P_in得到。再使用MATLAB对数据进行绘图分析，即可得到传输效率与发射频率之间的关系曲线（图3（b））。由图可知发射频率与传输效率之间的关系，即总体趋势上，发射频率越靠近固有频率806 kHz，系统传输效率越高。可能的解释为，因为系统是由线圈自身电路产生自谐振，使得线圈回路阻抗值达到最小，进而使大部分能量向谐振路径进行传输。所以当发射频率和固有频率相同时，谐振电路呈纯阻抗特性，在这种情况下的传输效率便达到最大值。

在研究系统传输效率与接收线圈相对于发射线圈偏移角度的关系过程中，两个线圈间的间隔距离被固定为21cm，输入电压被固定为5.2V，发射频率被固定为806kHz。然后通过移动接收端线圈来变换其和发射端线圈之间的角度，使偏移角度在0到90度之间以15度为间隔变化，并测量每个角度情况下系统的传输效率。传输效率同样可以由式η=P_out/P_in得到。对所得数据进行绘图分析，可得到传输效率与接收线圈相对于发射线圈偏移角度的关系曲线（图3（c））。由图可知，随着接收线圈相对于发射线圈偏移的角度增大，系统的传输效率先是在偏移角处于0度到30度之间时小幅度下降，然后在偏移角處于30度到90度之间大幅度下降，在90度的时候传输效率几乎为0。可能的原因是，角度的偏移减小了两个线圈间的耦合值，从而减小了系统的传输效率。

由以上三个研究结果可以得出结论，提高磁耦合谐振式无线输能系统效率的三个方法分别是将线圈间距离调至适当的中间位置，将发射频率调至线圈固有频率以及保证接收线圈相对于发射线圈偏移角为0。且在实验数据中，我们也可得出结论，本文中的磁耦合谐振式无线输能实验系统可在线圈间距离为14cm时，达到系统最大传输效率58.90%。