張志強，毛曉波

(鄭州大學電氣工程學院，鄭州450001)

新型非接觸供電的磁懸浮燈飾的研制*

張志強，毛曉波*

(鄭州大學電氣工程學院，鄭州450001)

提出一種非接觸供電與電磁懸浮技術相結合的實現(xiàn)方案。非接觸供電利用電源測的線圈產生的交變磁場耦合到負載側的線圈，進而將電能傳遞給負載，而電磁懸浮技術是利用電磁力來控制物體懸浮的空間位置。將兩項技術相結合，研制了一種無線供電磁懸浮燈飾。燈頭可在距頂座約2 cm～3 cm位置懸浮發(fā)光，實現(xiàn)預期效果。燈飾具有安全便利、美觀別致、照明效果好等特點，具有良好的市場前景。

控制工程;無線能量傳輸;磁耦合;電磁懸浮系統(tǒng);燈飾設計

非接觸輸電和電磁懸浮技術是近年來的新興技術，兩項技術分別基于靜磁場和高頻磁場，在空間中疊加相互之間的影響很小，因而將兩者結合應用成為可能［1］。通過對這兩種技術的研究，設計出一種新型燈飾，做到了電源與燈泡的空間隔離，降低觸電危險，提高了燈飾整體的安全性與美觀性。

1 系統(tǒng)總體結構與工作原理

利用電磁懸浮將燈飾脫離燈頭，采用相匹配的無線共振變壓器對燈飾供電，系統(tǒng)結構如圖1所示，由電磁懸浮模塊和非接觸輸電模塊構成。

電磁懸浮模塊由帶著鐵磁芯的電磁體和霍爾傳感器構成。電磁體放在裝置的頂部，通過在線管內部插入鐵芯，使螺線管的磁性大大增強，將電磁鐵起作用的有效范圍向下擴展。在電磁體底部和白熾燈泡里面分別安裝一小堆直徑0.5 mm的磁體，實現(xiàn)電磁鐵對懸浮物體的磁力作用。在電磁體的兩端分別裝有霍爾效應傳感器，通過其差分信號來確定燈泡的位置。差分信號的不同引起電磁鐵繞組的電流不同，因而產生的電磁力也會發(fā)生變化，通過不斷的調節(jié)，使得電磁力與燈泡的重量相同，燈泡便可實現(xiàn)懸浮。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

非接觸輸電模塊的發(fā)射端初級諧振線圈放置在電磁體底端，與電磁鐵垂直。其接收端次級線圈放置在燈泡磁體附近，與小磁鐵平行放置。通電的初級諧振線圈產生的交變磁場耦合到接收端的次級線圈，進而將電能傳遞給燈泡，實現(xiàn)對燈泡供電［2］。

2 非接觸輸電系統(tǒng)分析與設計

現(xiàn)有的非接觸電能傳輸方式主要有感應式電能傳輸、諧振耦合電能傳輸和輻射式電能傳輸即微波電能傳輸［3］。感應式電能傳輸雖然理論已經相當成熟，但由于其僅能在毫米級或是毫瓦級的傳輸能量，應用上仍然較為有限。而微波輸電由于電能傳輸過程中直流電轉換為微波的效率、微波空間傳播的效率以及接受天線射頻轉化直流電的效率都不高，整體不高的能量傳輸效率就成了發(fā)展中的硬傷。相比之下，基于共振的原理，電能發(fā)射端與接收端線圈發(fā)生電磁諧振耦合，構成空間上的短路，可以使能量從損耗最低的路徑傳輸，傳輸效率得到可靠保證。在適當?shù)木€圈直徑與諧振頻率下，諧振耦合式輸電的傳輸距離可以延伸至幾米到幾十米的范圍內。這些特點讓諧振耦合式輸電越來越得到人們的重視［4］。

2.1 諧振耦合式輸電原理

諧振耦合式輸電系統(tǒng)是基于共振的原理，在發(fā)射和接收設備間產生共振能量傳輸通道，進而高效地傳輸電能。當發(fā)射端以某一頻率發(fā)生振動時，接收端自身的諧振頻率正好與這個頻率相同，兩者就可發(fā)生共振，此時接收端負載振動幅值達到最大，將發(fā)射端發(fā)射的能量大部分吸收，完成能量的傳輸。

將線圈作為高頻發(fā)射源，根據(jù)接受端到線圈中心的距離，可將發(fā)射源周圍區(qū)域分為兩部分，如圖2所示:從線圈中心到λ/(2π)的距離內稱為近場區(qū)，而λ/(2π)到無窮遠稱為遠場區(qū)。由于近場區(qū)的電磁場強度遠比遠場區(qū)強，且近場區(qū)內的電磁場強度隨距離變化很快，故諧振耦合式輸電的距離主要是在近場區(qū)。

圖2 發(fā)射源近場與遠場的劃分

一個完整的諧振耦合式輸電系統(tǒng)主要包括高頻功率源，兩個諧振空心線圈以及諧振電容，同時還需要發(fā)射端線圈、接受端線圈和負載，如圖3所示。高頻功率源HP為具有一定功率的高頻電壓源或電流源，作為非接觸輸電的發(fā)射源;隔空傳遞能量的收發(fā)線圈分別是LS、LD(其中S代表發(fā)射端，D代表接收端);CS、CD分別為LS、LD的諧振電容;空心線圈L1將能量感應到與它相鄰的發(fā)射線圈LS上;R1為電源內阻;L2、RL組成負載回路。為減少負載回路電抗對系統(tǒng)諧振頻率的影響，L2做成單匝線圈，則負載回路的感抗很小，也不存在雜散電容，容抗可以忽略，負載端等效到線圈LD的阻抗即為純電阻。線圈L2將感應能量供給負載RL，從而完成系統(tǒng)能量的傳輸［5］。

圖3 諧振耦合式輸電系統(tǒng)原理圖

圖4 諧振耦合式輸電系統(tǒng)簡化模型

圖3的簡化等效模型如圖4和式(1)～式(3)所示。高頻電源看作理想電源，忽略電源內阻和小電感L1等效到發(fā)射回路的等效阻抗，忽略負載側小電感L2等效到接收回路的等效感抗，負載等效到接收回路為RW。US表示前級感應電壓源;M為發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感量［6］。

在電路中只有電阻才會消耗能量，而電感、電容不會消耗能量，它們只是不斷地儲存和釋放能量。當電路的輸入電壓或輸入電流為恒定時，電路中的電抗較大時會使電路中的無功功率較大，從而減小系統(tǒng)的輸出功率和效率。諧振可以使電路中的電抗為0。只有當發(fā)射回路和接收回路同時達到諧振時該輸電系統(tǒng)的效率達到最大［7］。當收發(fā)線圈距離靠近時，它們之間互感系數(shù)增加，發(fā)射回路和接收回路之間的影響增大，則接收端阻抗等效到發(fā)射端也會增大。當發(fā)射回路的電抗XS=0或接近0時，該發(fā)射回路即達到諧振狀態(tài);同樣，當接收回路的電抗XD=0或接近0時，該接收回路即達到諧振狀態(tài)［8］。

可推導得出，輸入功率Pin和輸出功率Pout分別為:

于是得傳輸效率η為:

可見，系統(tǒng)的傳輸效率受到諧振角頻率ω、線圈的互感M、負載RW以及線圈內阻的影響。隨著諧振頻率f、線圈的互感M的增加，效率η提高;隨著負載RW的增加，效率η會先增加后減小。系統(tǒng)的效率與發(fā)射端諧振無關，當接收端達到諧振，即

系統(tǒng)的效率達到最大。結果說明在諧振耦合式輸電系統(tǒng)中，只有接收線圈發(fā)生諧振(而與發(fā)射端的諧振無關)時，等效到發(fā)射端回路的等效阻抗達到最低，線圈中流過的電流就最大，此時系統(tǒng)的效率達到最大值。

對電路進行仿真分析后，我們可以得出頻率、距離和負載對諧振耦合輸電系統(tǒng)的影響特點:接收回路諧振時，效率達到最大值。隨著頻率的增加，輸出功率會先增加后減小;隨著系統(tǒng)頻率的升高系統(tǒng)的效率都會不斷的上升。隨著距離的增加，輸出功率會先增加后減小;效率會隨著距離的增加而減小。

2.2 非接觸輸電系統(tǒng)硬件構成

諧振耦合式輸電系統(tǒng)的各個部分需要滿足一定要求，才能得到較高的效率。由于系統(tǒng)是在高頻(1 MHz左右)下工作，高頻功率源需要輸出一定的功率且具有較高的效率。另外電容和電感線圈在高頻下均有高頻效應，需要考慮［9］。圖5為諧振耦合式輸電系統(tǒng)構架，220 V交流電經過AC/DC整流器轉換成直流，再經過高頻DC/AC變換器轉換成高頻交流電;發(fā)射端諧振回路再將此高頻交流電通過諧振耦合發(fā)射給諧振回路，將能量傳遞給負載，完成整個電能傳輸。

圖5 諧振耦合式輸電系統(tǒng)框架

發(fā)射端電路如圖6所示。在集成芯片XKT-408A的控制下，芯片T5336輸出一個可控的低電壓，進而通過直流電壓與T5336的輸出電壓的電壓差來控制L1和C3的LC振蕩電路，發(fā)射出穩(wěn)定的高頻電磁波。其中發(fā)射線圈線徑0.5 mm，線圈外徑38 mm，電感量30μH。

接收端電路如圖7所示。當接收線圈靠近發(fā)射線圈時，在接收線圈中產生感應電流。這里采用大電流定制芯片T3168將接收端得到的交變信號轉為5 V的直流信號，其電流大小達到500 mA，并有較強的后級驅動能力，可以有效地為燈飾供電，并實現(xiàn)各種其他功能。

圖6 非接觸輸電系統(tǒng)發(fā)射端電路圖

圖7 非接觸輸電系統(tǒng)接收端電路圖

3 電磁懸浮系統(tǒng)分析與設計

3.1 電磁懸浮系統(tǒng)工作原理

電磁懸浮系統(tǒng)所需要解決的問題主要是不穩(wěn)定系統(tǒng)的反饋穩(wěn)定化。測量一個有磁力的懸浮物體位置的方法一般有兩種［10］:

(1)從懸浮物體的一邊射一束光線，在另一邊通過檢測投射的光線來確定懸浮物體的位置。這種方法在很多情況下需要采用調制解調器去降低信號中的噪聲。

(2)通過霍爾效應傳感器檢測附近的永磁體的位置。在任何指定的位置，基于物體當時的動態(tài)和電磁體當時的牽引力，霍爾傳感器能夠感應到永磁體疊加電磁強度的位置的全部磁場，在電磁體的上下兩端放置霍爾效應傳感器，利用它們的差分反饋信號去感測懸浮物體的位置。

考慮到電磁干擾等環(huán)境因素影響，采用方案(2)，利用兩個霍爾傳感器的差分反饋信號來感應磁懸浮體的位置，對于任何永磁體的信號干擾，無論是穩(wěn)定的還是高頻的PWM噪音都會產生一定程度的補償，在反饋信號中僅剩下位置信息的分量，信噪比大大提高［11］。其控制過程如圖8所示。在人工設定懸浮體到指定位置之后，霍爾傳感器檢測到懸浮體中電磁鐵對周圍磁場產生的影響，產生相應的電信號。這個電信號經過差分放大電路處理之后，改變電磁鐵線圈中的電流大小，從而改變電磁鐵的磁力，懸浮體受力發(fā)生改變，懸浮體的位置發(fā)生偏移?；魻杺鞲衅鞑粩鄬腋◇w的位置信息進行反饋，構成閉環(huán)傳輸。在經過短時間的調整后，懸浮體受力達到平衡，懸浮于設定位置處。在環(huán)境中存在少量擾動時，系統(tǒng)通過閉環(huán)反饋仍能使其恢復穩(wěn)定。

圖8 電磁懸浮控制系統(tǒng)工作流程圖

3.2 電磁懸浮系統(tǒng)硬件構成

根據(jù)上文中分析，設計電磁懸浮系統(tǒng)電路圖如圖9所示。采用的霍爾元件為銻化銦霍爾HW101A，其靈敏度和穩(wěn)定性均可滿足實驗要求，電磁鐵線圈采用600圈線徑0.3 mm的電磁線圈，經分析調試，可達到使小型電磁鐵懸浮的效果，懸浮物體的質量可達到300 g。

圖9 電磁懸浮系統(tǒng)電路圖

4 實驗與結果分析

將非接觸電能傳輸與電磁懸浮相結合，研制的懸浮式燈飾如圖10所示。實驗時采用功率4 W的LED燈泡，亮度相當于50W白熾燈，而發(fā)熱和功率消耗則低得多。經過實驗與調試，燈泡可以離頂座2 cm～3 cm處的位置懸浮發(fā)光，斷電后燈泡并不會掉落，而是由于燈泡頂部的磁鐵的作用而吸附至頂座，很好地實現(xiàn)了預期功能。

圖10 懸浮式燈飾實物圖

5 結論

本文將非接觸輸電和電磁懸浮兩種技術巧妙地結合，成功研制出一種新型懸浮燈飾，說明設計的可行性，并且成品兼具了這兩種技術的優(yōu)點。新型非接觸供電的磁懸浮燈飾必將在家具市場中有著廣泛的應用前景。

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張志強(1990-)，男，漢族，河南商丘市人，鄭州大學電氣工程學院研究生，研究方向為智能儀器與儀表，1522517502 @qq.com;

毛曉波(1965-)，男，漢族，河南開封人，教授，博士，碩士生導師，通信作者。研究方向為嵌入式系統(tǒng)與智能儀器儀表，機器視覺，mail-mxb@zzu.edu.cn。

Development of New M agnetic Levitation Lighting w ith Non-Contact Powering*

ZHANG Zhiqiang，MAO Xiaobo*

(School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)

A design combined non-contact power and electromagnetic levitation technology is presented.Non-contact power transmission is that coil in the vicinity of the power supply brings an alternatingmagnetic field generated by the coil coupled to the load side，and thus the power is delivered to the load.And the electrical levitation technique is the use of high frequency electromagnetic eddy current generated on the metal surface to achieve the object suspended.And electromagnetic levitation technique is the use of electromagnetic forces to control the spatial position of the suspended object.We develop wireless powermagnetic levitation lightingwith the combination of the two technologies.Suspended lamp can shine away from the top seat about2 cm～3 cm.It has achieved the anticipated effect.It is safe，convenient，beautiful，chic，and good lighting effects.It has good prospects formarket.

control engineering;wireless energy transfer;magnetic coupling;electromagnetic levitation;decorative lamp design

C:5100

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.036

TM 923.59

:A

:1005－9490(2017)01－0188－06

項目來源:河南省高等學校重點科研項目(17A413011);2014年度河南省高等教育教學改革研究項目(115);鄭州大學2014年度校級教學改革研究項目(2014XJGLX021);河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃項目(17IRTSTHN013)

2016-01-22修改日期:2016-02-26