丁云廣， 閔昌萬

(空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100076)

目前， 在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域， 主要的能量供給方式為電池或有線供電. 在密閉狹小的空間內(nèi)， 由于安裝有眾多的電子設(shè)備， 采用電池供電方式會造成能量的二次補(bǔ)給困難、 采用有線方式會帶來走線困難的問題.對于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)這種超低功耗的負(fù)載， 使用有線供電的方式對于飛行器結(jié)構(gòu)減重也有不利影響.

2007年7月麻省理工學(xué)院以Marin Soljacic教授為首的研究小組在《Science》上發(fā)表論文[1], 他們發(fā)現(xiàn)了一種全新的無線供電模式——非輻射電磁能諧振隧道效應(yīng)， 稱作“WiTricity(Wireless electricity transfer)”技術(shù)， 也稱為磁共振感應(yīng)耦合技術(shù). 此后， Intel公司、 斯坦福大學(xué)、 Powermat公司、 SONY公司、 日本東京大學(xué)、 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)都對該技術(shù)進(jìn)行了深入開發(fā)[2-8].

基于磁耦合模型的無線電能傳輸技術(shù)被提出用于解決物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的供電問題， 目前對于磁耦合模型的無線電能傳輸技術(shù)的研究工作很多學(xué)者都有開展， 在實(shí)際應(yīng)用中大多為大線圈正對的傳輸方式， 傳輸?shù)哪芰枯^大， 本文所要解決的是在狹小空間內(nèi)使用小線圈傳輸能量， 用于滿足超低功耗負(fù)載的應(yīng)用.

1　磁耦合無線電能傳輸模型

無線電能傳輸系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)了電能無線傳遞的同時(shí)， 其傳輸效率受到多個(gè)因素的制約， 整體的工作效率是繞組結(jié)構(gòu)、 耦合效果、 工作頻率和驅(qū)動(dòng)模式等共同作用的結(jié)果， 而傳輸距離的增減也會直接影響傳輸效率[9]. 對于本文設(shè)計(jì)的磁耦合諧振式無線電能傳輸模型的關(guān)鍵在于電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)， 其模型如圖 1 所示.

圖 1　電磁耦合系統(tǒng)模型Fig.1　Electromagnetic coupling system model

圖 2　負(fù)載終端等效電路Fig.2　Terminal load equivalent circuit

考慮負(fù)載繞組對振蕩器品質(zhì)因素的影響時(shí)， 可將振蕩器a2及負(fù)載視為一個(gè)由兩者組合而成的新振蕩器[10]， 等效電路如圖 2 所示.

此時(shí)忽略負(fù)載電阻RD， 并保證電路工作在同一角頻率ω， 則負(fù)載所獲得的有功功率

(1)

圖 3　發(fā)射繞組與接收繞組示意圖Fig.3　A schematic diagram of the transmitting and receiving windings

針對同軸放置的繞組， 如圖 3 分析無線電能傳輸系統(tǒng)的軸向距離特性， 在發(fā)射繞組與接收繞組為同軸螺旋線圈時(shí)， 在準(zhǔn)靜態(tài)條件r=D下， 諧振耦合式無線電能傳輸距離與互感的關(guān)系為[11]

M=M12=M21=πμ0(n1n2)0.5(r1r2)2/2D3,

(2)

式中：n1,n2為發(fā)射與接收線圈繞組的匝數(shù)；r1,r2為發(fā)射與接收線圈繞組的半徑；D為線圈間的距離. 對于結(jié)構(gòu)、 參數(shù)相同的發(fā)射繞組：n1=n2=n，r1=r2=r, 則得到

M=πμ0nr4/2D3.

(3)

高頻條件下繞組的損耗電阻

(4)

式中：ω為角頻率；σ為電導(dǎo)率；a為線徑.

(5)

由式(5)可知： 有效傳輸距離D與繞組半徑r、 線徑a、 角頻率ω、 電導(dǎo)率σ等因素有關(guān).

至此， 基于等效電路的磁耦合基本理論模型建立完成.

2　磁耦合無線電能傳輸仿真分析

對于磁耦合無線電能傳輸?shù)姆抡娣治鍪窃O(shè)計(jì)良好的無線電能傳輸模塊的必要環(huán)節(jié). 本文仿真分析的物理基礎(chǔ)為： 發(fā)射繞組電源激勵(lì)為28 V； 負(fù)載用電需求電壓為5 V, 電流為100 mA； 使用MAXWELL仿真， 分別得到了實(shí)際環(huán)境容許使用的頻率范圍條件下， 不同頻率、 不同幅值下的無線電能傳輸能力的結(jié)果.

建立如圖 4 所示的仿真正對線圈模型： 兩個(gè)外徑6 cm， 內(nèi)徑1 cm的正對線圈間距為10 cm.

圖 4　建立仿真正對線圈模型Fig.4　Establishment of a simulation model of positive pair of coils

圖 5　諧振電路Fig.5　Resonant circuit

振蕩頻率為500 kHz， 幅值1 A時(shí)的仿真結(jié)果如圖 6 所示； 振蕩頻率為500 kHz， 幅值為10 A時(shí)仿真結(jié)果如圖 7 所示； 振蕩頻率為1 000 kHz， 幅值為1 A時(shí)的仿真結(jié)果如圖 8 所示.

圖 6　500 kHz, 1 A的場強(qiáng)分布與輸入輸出電流Fig.6　Field intensity distribution and input and output current of 500 kHz and 1 A

圖 7　500 kHz, 10 A的場強(qiáng)分布與輸入輸出電流Fig.7　Field intensity distribution and input and output current of 500 kHz and 10 A

圖 8　1 000 kHz, 1 A的場強(qiáng)分布與輸入輸出電流Fig.8　Field intensity distribution and input and output current of 1000 kHz and 1 A

由仿真結(jié)果可知， 在500 kHz, 1 A幅值與1 000 kHz, 1 A幅值時(shí)都可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求， 考慮對其余單機(jī)的影響， 選擇500 kHz更加貼合設(shè)計(jì)需求， 由仿真結(jié)果可知： 諧振頻率在一定范圍內(nèi)的提高有助于提高傳輸效率， 超過一定頻率后傳輸效率下降.

3　結(jié)束語

國內(nèi)很多學(xué)者對無線電能傳輸技術(shù)的電磁輻射、 電磁兼容以及產(chǎn)品推廣中的標(biāo)準(zhǔn)也都進(jìn)行了研究[12-15]， 本文介紹了磁耦合無線電能傳輸?shù)母拍睢?原理模型.對磁耦合模型使用maxwell進(jìn)行了建模以及聯(lián)合仿真分析， 結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用需求， 設(shè)計(jì)者可以更加形象地了解磁耦合無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用.未來， 磁耦合無線電能傳輸?shù)哪K化、 小型化和協(xié)同化是應(yīng)用的主流.

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