張 倩 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院

低功耗設(shè)備的無線感應(yīng)供電技術(shù)研究

張 倩 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院

進(jìn)入新時(shí)期以來，隨著社會(huì)各方面的快速發(fā)展，人們的生活水平也上升到了一個(gè)新的高度，加上建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)等節(jié)能性發(fā)展戰(zhàn)略口號(hào)的提出，使得整個(gè)社會(huì)發(fā)展呈現(xiàn)出了一種節(jié)能減排、綠色環(huán)保的良好趨勢(shì)，這也就使得低功耗設(shè)備受到了越來越多人的歡迎，各行各業(yè)也開始加大對(duì)低功耗設(shè)備的開發(fā)與研究，手機(jī)、檢測儀表、醫(yī)療儀器等就是一些最常見的低功耗設(shè)備器材，雖然低功耗設(shè)備具有耗能少的突出優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著一些無法忽視的缺點(diǎn)，比如手機(jī)、檢測儀表這類低功耗設(shè)備一般都是采用有線連接供電方式，使得其在給電池充電的過程中存在著阻礙運(yùn)動(dòng)、接插危險(xiǎn)等不安全因素，不僅影響到了設(shè)備的使用，而且還會(huì)給設(shè)備使用者的安全帶來一定的問題，這就為無線感應(yīng)供電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供了廣闊的市場。本文主要就是對(duì)低功耗設(shè)備的無線感應(yīng)供電技術(shù)進(jìn)行研究，介紹了一種依靠電磁場耦合感應(yīng)、采取的是無纜線聯(lián)接方式的無線感應(yīng)供電技術(shù)，首先對(duì)無線感應(yīng)供電技術(shù)的工作原理進(jìn)行了分析，并對(duì)這一無線感應(yīng)供電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

低功耗設(shè)備；無線感應(yīng)；供電技術(shù)

無線感應(yīng)供電技術(shù)是由美國科學(xué)家研發(fā)出來的一種新型供電技術(shù)，其采取的是非輻射性的無限能量傳輸方式，通過非物理接觸的方式來實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，是在無線通訊、無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)之后的第三次無線革命，其作為一項(xiàng)具有非常強(qiáng)應(yīng)用性與技術(shù)性的科技技術(shù)，有著非常廣闊的跨產(chǎn)品應(yīng)用范圍，能夠?yàn)槿螂娮印⑼ㄐ?、新能源以及物?lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與突破提供更加先進(jìn)有效的技術(shù)支持。目前，隨著電動(dòng)汽車大功率無線感應(yīng)供電技術(shù)與無線射頻標(biāo)簽的不斷出現(xiàn)，使得低功耗設(shè)備應(yīng)用無線感應(yīng)供電技術(shù)極有可能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前低功耗設(shè)備市場已經(jīng)出現(xiàn)了一些應(yīng)用了無線感應(yīng)供電技術(shù)的鼠標(biāo)、機(jī)器魚和手機(jī)充電裝置等設(shè)備，并且取得的應(yīng)用效果十分良好，這使得與低功耗設(shè)備的無線感應(yīng)供電技術(shù)相關(guān)的研究得到了更加快速的進(jìn)行，相關(guān)技術(shù)專家對(duì)此也引起了高度重視，低功耗設(shè)備的無線感應(yīng)供電技術(shù)這一舉措將會(huì)得到更加快速的實(shí)現(xiàn)[1]。本文就是關(guān)于低功耗設(shè)備無線感應(yīng)供電技術(shù)的研究，以期能夠?yàn)榻窈笈c低功耗設(shè)備的無線感應(yīng)供電技術(shù)相關(guān)的研究提供理論依據(jù)。

圖1 無線感應(yīng)供電系統(tǒng)構(gòu)成

1.無線感應(yīng)供電技術(shù)中無線感應(yīng)供電的原理分析

無線感應(yīng)供電系統(tǒng)的主要組成部分包括發(fā)射端與接收端，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖一所示：

在無線感應(yīng)供電系統(tǒng)進(jìn)行正常工作的時(shí)候，首先是通過高頻調(diào)制模塊或諧振變換器將由系統(tǒng)發(fā)射端電源所提供的直流電或者交流電轉(zhuǎn)化為一種高頻交流信號(hào)，然后再通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的發(fā)射線圈，讓發(fā)射線圈在其所處周圍一定距離的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生一種高頻變化但磁場強(qiáng)度卻很小的電磁場。無線感應(yīng)供電系統(tǒng)的接收線圈處于這個(gè)由發(fā)射線圈所產(chǎn)生的電磁場中，在接收線圈中，發(fā)射線圈磁通量的高頻變化會(huì)產(chǎn)生一定幅值的高頻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。然后再通過加在系統(tǒng)接收線圈兩端之上的電容濾波電路或者橋式整流電路，就可以將其作為直流電為負(fù)載進(jìn)行供電輸出[2]。在無線感應(yīng)供電系統(tǒng)中，其一個(gè)發(fā)射端能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的接收端，功能十分強(qiáng)大。在無線感應(yīng)供電系統(tǒng)工作的時(shí)候，其相對(duì)位置關(guān)系可以允許出現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)變化，但是必須要嚴(yán)格保持在一定的距離范圍之內(nèi)，只有這樣才能夠確保能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性，否則只會(huì)導(dǎo)致能量傳輸受到極大負(fù)面影響。

2.無線感應(yīng)供電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)分析

在無線感應(yīng)供電系統(tǒng)中，其接收線圈與發(fā)射線圈之間的氣隙要比一般的電磁鐵大很多，而且這兩個(gè)線圈之間的磁耦合關(guān)系處于松耦合的范圍之內(nèi)，所以也就可以將無線感應(yīng)供電技術(shù)稱為松耦合感應(yīng)電能傳輸技術(shù)，從其名稱也能看出該技術(shù)的特殊之處。同時(shí)，一般用在磁性元件分析過程中的變壓器模型在無線感應(yīng)供電技術(shù)中不再適用，要想對(duì)無線感應(yīng)供電系統(tǒng)中的電磁關(guān)系進(jìn)行分析必須要使用耦合電感模型來進(jìn)行，并且還要對(duì)磁化電感與漏感對(duì)無線感應(yīng)供電系統(tǒng)工作產(chǎn)生的影響進(jìn)行充分的考慮。

無線感應(yīng)供電技術(shù)所具有的松耦合特性使得系統(tǒng)中接收線圈與發(fā)射線圈之間的耦合電感系數(shù)十分小，如果發(fā)射電流的調(diào)制頻率越低，則其線圈上所產(chǎn)生的熱損耗就越大；反之，如果發(fā)射電流的調(diào)制頻率越高，則線圈上產(chǎn)生的熱損耗就越小。可見，無線感應(yīng)供電技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是如何將系統(tǒng)發(fā)射端的調(diào)制頻率進(jìn)行合理提高。雖然諧振軟開關(guān)技術(shù)具有功率因數(shù)高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著電路復(fù)雜、成本較高等劣勢(shì)，因此考慮到低功率應(yīng)用情況一般都是采用PWM硬開關(guān)逆變技術(shù)。

此外，無線感應(yīng)供電系統(tǒng)還有另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，也就是對(duì)發(fā)射線圈與接收線圈的參數(shù)、形狀以及安裝位置的設(shè)計(jì)。一般來講，發(fā)射線圈常安裝在固定的臺(tái)面或者基座內(nèi)，適合設(shè)計(jì)圓形或矩形。接收線圈一般都安裝在設(shè)備的內(nèi)部，要結(jié)合設(shè)備內(nèi)部的具體空間情況來設(shè)計(jì)其形狀。

3.結(jié)論

綜上所述可知，受到各方面因素的影響，使得當(dāng)前能夠適用在低功耗設(shè)備上的無線感應(yīng)供電技術(shù)十分缺乏，本文所分析的這一種在移動(dòng)低功耗設(shè)備上適用的無線感應(yīng)供電技術(shù)具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，不僅采取了安全的無線連接方式，而且還能夠進(jìn)行持續(xù)的可動(dòng)態(tài)供電，市場應(yīng)用前景非常廣闊。今后隨著對(duì)低功耗設(shè)備無線感應(yīng)供電技術(shù)研究力度的加大與深入，適合用在低功耗設(shè)備上的無線感應(yīng)供電技術(shù)將會(huì)以更快的速度被研發(fā)出來。

[1]薛俊偉,黃岳山,杜欣,吳秀勇,曾偉杰,席玉勝,陳益民,趙毓,吳凱.藍(lán)牙低功耗可穿戴血氧監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2015,06:701-707.

[2]麥瑞坤,李勇,何正友,楊鳴凱,陸立文,劉野然,陳陽,林天仁,徐丹露.無線電能傳輸技術(shù)及其在軌道交通中研究進(jìn)展[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,03:446-461.

張倩，1988年6月10日，女，蒙古族，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助教，大學(xué)本科，自動(dòng)化、鐵道供電。