磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计

刘新竹，晏永红，展 慧

（武昌工学院 信息工程学院，湖北 武汉 430465）

磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计

刘新竹，晏永红，展 慧

（武昌工学院 信息工程学院，湖北 武汉 430465）

采用电磁耦合谐振式无线电能传输技术，运用理论与实验相结合的方法，设计了一种简易的小功率磁耦合谐振无线电能传输系统。

磁耦合谐振式；无线电能；谐振频率

传统的电能传输形式易产生接触火花，因此存在各种安全隐患等问题，而且现在越来越多使用电子电器设备的场所以及一些恶劣环境的场合对供电的方便性、安全性有极高的要求，而电磁耦合无线电能传输技术可以有效解决这类问题。

通常情况下，当激励线圈与负载线圈采用相同尺寸的单匝线圈，激励线圈在高频正弦电压的作用下输出交变磁场，只要达到谐振线圈的谐振频率就会产生谐振耦合，而其他未达到的谐振频率的物体则不能感应磁场能量，这样发射端源源不断为系统提供电能，而接收端将不断消耗电能，就实现了无线电能传输。

1 电磁耦合谐振式无线电能传输系统的建模

电磁耦合无线电能传输系统中主要有发射电路（高频振荡电路和功率放大电路）、传输电路（两个谐振线圈）、接收电路（整流和滤波电路）等三大部分组成。

设计中谐振耦合环节、整流滤波电路和高频逆变电路是影响系统传输特性的主要因素。为了尽可能提高实验成品各方面的性能指标，在本设计中，分别对每个模块电路参数和结构的选取、导线材料的选择及磁耦合方式进行了不同的设计方案论证，并选取最优方案。

2 电磁耦合谐振式无线电能传输系统系统的硬件电路设计

（1）发射电路的设计。发射电路由高频正弦信号、功率放大电路、激励线圈三部分组成。振荡电路的主要指标有振荡频率、频率稳定度、振荡幅度和振荡波形等。

E类功率放大器(功放)是一种高效率的开关类功放，基于E类功放的极坐标发射机能够改善传统发射机的低效率性能。E类功率放大器的典型电路是由单个晶体管和负载所组成，在输入信号的激励下，晶休管呈开关状态。它的最大优点是管子需待管压降降至最低，电流才能导通。

（2）传输电路的设计。根据磁耦合谐振式无线电能传输机理，电磁谐振耦合线圈传输功率的能力和效率，与耦合电感线圈及磁路的设计密切相关。①线圈的选取。耦合线圈的选型非常关键。在耦合线圈绕线选型时，不仅需要考虑系统对耦合线圈的体积、厚度等因素的要求，还需综合考虑收发线圈本身的品质因数和两者之间的耦合互感系数等，在线圈设计中，为了减少收发线圈的损耗，提高系统的传输特性，一般绕制线圈的匝数越少越好。选用利兹线作为收发线圈的材料，电磁场能够比较均匀地分布，各导线上的电流分布就会较为平均，可以减缓趋肤效应。发射电感线圈匝数5匝，测其电感量为13.5uH，发射线圈与接收线圈的参数一致。②磁路结构的选择。设计中磁路结构选择的是螺线线圈式，这种方式具有传输距离远和传输效率高，且这种结构的线圈产生的磁场均匀，具有较好的方向性，适合用于无线电能传输系统。

（3）接收电路的设计。接收电路主要由整流电路、滤波电路、稳压电路三部分组成。对于整个系统来说如何把高效的转化接收到的电能，并能实现为负载供电，是设计中非常重要的一部分。①整流电路的设计。接收端需将接收到的高频正弦交流电进行整流处理。整流电路选用桥式整流电路，桥式电路具有能够让负载获得更高的电压和电流且有脉动较小。变压器的绕组利用率较高。单相全控桥式整流电路与半波整流电路比较，单相全控桥式整流电路的功率因数提高了倍，相同功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半。不存在变压器直流磁化问题。②滤波电路的设计。高频交流电经整流电路转换成了直流电，若不进行滤波直接对负载供电，会对用电设备造成严重的谐波干扰。因此还需在接收电路中加入滤波电路，保存接收电路中经过高频整流后的直流成分，从而使输出电压趋于稳定的直流电压。滤波电路选用的是电容滤波。电容滤波电路简单，在负载电阻上并联滤波电容C，电容器两端的电压即为输出电压。

3 系统实验分析

利用设计好的小功率磁耦合谐振无线电能传输系统装置完成对无线电能传输特性的研究。传输效率测试：将100R/150W的磁盘变阻器串接到接收端输出回路，保持发射线圈与接收线圈的间距X=70cm、以及输入电压U1=15V，使接收端横流输出I2=0.5A，测出此时的传输效率，测试7次的传输效率用折线图如图1所示。

整个系统完全谐振于固定频率1MHZ，发射线圈与接收线圈的距离为70cm时内，可成功点亮2只串联的1W的LED灯,传输平均效率约为45%。

图1 效率折线图

4 结语

电磁耦合无线电能传输系统中包括发射电路、传输电路、接收电路三大部分。系统各个部分的选型与分析都十分重要，各部分都满足了要求，才能使系统的电能传输达到最优化。设计并制作了一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，整个系统完全谐振于固定频率1MHz，发射线圈与接收线圈的距离为70cm时内，可成功点亮2只串联的1W的 LED灯,传输平均效率约为45%。

On Design of Transmission System of Wireless Power via Magnetic Resonance Coupling

LIU Xin-Zhu,YAN Yong-hong,ZHAN Hui
（Institute of Information Engineering;Wuchang University of Engineering Wuchang,Wuhan,Hubei 430465,China).

in this paper,wireless power transmission technology based on magnetic resonance was adopted to design a simple wireless power transmission system via magnetic resonance coupling combined with the integration of theories and experiments.

magnetic resonance coupling;wireless power;resonant frequency

TM724

A

2095-980X（2015）04-0035-01

2015-02-15

武昌工学院校级项目（2014KY04）

刘新竹（1979-)，女，讲师，主要研究方向：电气控制。