無線傳能功效影響因素探究*

張立志 錢偉 方詩鏹 胡安正

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

磁耦合諧振式無線輸電技術(shù)，是利用空間高頻變化的無線電磁波或變化電磁場作為電能傳輸媒介進(jìn)行電能無線傳輸?shù)妮旊娂夹g(shù)，近年對脫離金屬導(dǎo)線的電能傳輸方式研究火熱.本無線傳能演示系統(tǒng)構(gòu)造簡單、可操控性強(qiáng)、造價低、安全性高，并易于推廣，各種大小實(shí)驗(yàn)室均可操作使用，可作為無線電能傳輸研究模型，在探索無線電發(fā)展領(lǐng)域具有廣闊的前景.

1 無線傳能原理分析

無線傳能傳輸技術(shù)目前主要有3種方式來實(shí)現(xiàn):電磁感應(yīng)耦合式、電磁波輻射式和磁耦合諧振式.本系統(tǒng)基于磁耦合諧振式無線傳能方式進(jìn)行探究.

系統(tǒng)基于“電磁耦合諧振式無線傳能的物理原理” 傳輸電能，發(fā)送線圈通過串聯(lián)諧振和接收線圈連接構(gòu)成諧振體，發(fā)送線圈與接收線圈分別產(chǎn)生和接收磁場能量.利用電生磁、磁生電的物理原理，高頻激磁電路在發(fā)送線圈中引起諧振作用，諧振線圈中產(chǎn)生高頻電流.高頻電流通過發(fā)送線圈產(chǎn)生高頻磁場，該磁場在接收線圈上感應(yīng)出電場，從而實(shí)現(xiàn)能量傳輸.

2 無線傳能裝置設(shè)計構(gòu)想

系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

影響傳能多少的因素有諧振、兩線圈的距離和兩線圈的相對面積等.影響諧振的因素有諧振電容電容值、線圈電感值和頻率.本裝置為探究以上這幾種與傳能多少的關(guān)系，利用控制變量法，將接收端固定并不加諧振電容，只在發(fā)射端改變這3個因素.

兩線圈距離和相對面積：發(fā)射端線圈固定，通過移動處于滑軌上的接收端線圈來改變距離和相對面積.

線圈電感值：線圈采用松繞環(huán)形的方式繞制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，兩線圈均用線徑r=1 mm的漆包線繞制，線圈的直徑均為20 cm.發(fā)射線圈共繞制10圈，從中間引出線頭，使發(fā)射線圈可變換為2，4，6，8，10圈，即改變電感值.接收線圈共繞制5圈.

發(fā)射線圈周圍電路如圖2所示.

圖2 發(fā)射線圈周圍電路

諧振電容電容值：發(fā)射線圈采用串聯(lián)諧振，考慮到不同的頻率需要不同的諧振匹配，為控制變量，故而接收線圈不使用諧振，只在發(fā)射端設(shè)置電容值不同的諧振電容.

頻率：通過按鍵輸入，CPU處理來設(shè)定諧振頻率.

能量狀態(tài): 通過負(fù)載LED工作的狀態(tài)可直觀地反應(yīng)傳能的情況.

3 裝置的硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32F103RCT6作為主控芯片，系統(tǒng)電路主要包括全橋逆變電路，接收電路及電源電路.主控芯片輸出PWM波通過全橋驅(qū)動電路將直流電逆變?yōu)檎医涣麟姡ㄟ^發(fā)射線圈將其高效地轉(zhuǎn)化為射頻功率信號，接收線圈將接收到的交變信號經(jīng)過整流橋轉(zhuǎn)換為直流信號，給負(fù)載供電.

3.1 全橋逆變電路

全橋逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，為發(fā)射端提供高頻激勵源，電路如圖3所示.電路采用兩塊半橋驅(qū)動芯片IR2104組成一個全橋驅(qū)動.

圖3 全橋逆變電路圖

3.2 諧振電路的設(shè)計

發(fā)射端采用串聯(lián)諧振電路，當(dāng)串聯(lián)阻抗之和為零時，使得整個電路呈現(xiàn)純阻性狀態(tài)，從而使發(fā)射端效率達(dá)到最高，如圖4所示.接收端不做諧振處理.

圖4 串聯(lián)諧振

3.3 接收電路的設(shè)計

接收端電路圖如圖5所示.接收端從接收線圈L感應(yīng)得到電磁場信號，第一個二極管1N4007將接收到的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡慨?dāng)二極管兩端的電壓達(dá)到其導(dǎo)通電壓后二極管才會導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)接收的能量越多時，LED燈光越強(qiáng)，且點(diǎn)亮的個數(shù)越多的效果.

圖5 接收端電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖6為軟件設(shè)計圖，本系統(tǒng)軟件的核心是SPWM程序的編寫，SPWM是脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的PWM波形，也稱正弦脈寬調(diào)制.本系統(tǒng)采用雙極性SPWM，通過STM32F103RCT6的高級定時器TIMER1產(chǎn)生兩組互補(bǔ)PWM，為全橋逆變電路提供振蕩信號.通過鍵盤輸入，更改線圈的振蕩頻率，并將相應(yīng)的參數(shù)顯示在OLED屏上.

圖6 軟件設(shè)計圖

SPWM部分代碼：

unsigned int count=0;//采樣計數(shù)點(diǎn)

const unsigned long int spwm[400];//采樣點(diǎn)的幅值

void Spwm_Out(void)

{

TIM_SetCompare1(TIM1,spwm[i]);

//修改TIM1通道1的PWM占空比

TIM_SetCompare3(TIM1,spwm[i]);

//修改TIM1通道2的PWM占空比

count++;//采樣點(diǎn)計數(shù)

if(count >= 400) count = 0; //一周期采樣400個點(diǎn)

}

5 結(jié)論

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示.本系統(tǒng)對影響無線傳能功效的相關(guān)因素進(jìn)行了探究，并可體現(xiàn)出這些因素與傳能多少的定性關(guān)系.

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

(1)兩線圈距離越近，通過接收線圈的磁通量越大，負(fù)載LED燈的工作數(shù)量越多.

(2)同理可知兩線圈正對面積越大時，負(fù)載LED燈的工作數(shù)量越多，即傳能功效越強(qiáng).

(3)諧振頻率f,諧振電容值C，線圈電感值L滿足下式時，無線傳能功效最佳.

目前無線電能傳輸技術(shù)有著傳輸效率不高、傳輸距離短等問題，該裝置通過探究相關(guān)影響因素以提供更多的解決問題的方法及方案.