北京科技大學(xué)

李子源,楊 禎,李春燕,劉 鑫,馬浚洋

指導(dǎo)老師：鄧立治

1 作品簡(jiǎn)介

近年來(lái)，磁耦合諧振式無(wú)線電能充電已成為國(guó)內(nèi)外電能研究的熱點(diǎn)，并且大部分課題組都在從事著大功率遠(yuǎn)距離的無(wú)線充電研究，我們基于生活層面對(duì)小功率中遠(yuǎn)距離的無(wú)線電能傳輸（如手機(jī)等）進(jìn)行了研究，利用物理數(shù)據(jù)處理方法以及相關(guān)電磁學(xué)等知識(shí)，設(shè)計(jì)并制作了一套可用于現(xiàn)代普通生活層面的無(wú)線充電設(shè)備。我們對(duì)難以把控的品質(zhì)因數(shù)、諧振頻率在線圈匝數(shù)的擬合及其他相關(guān)重要參數(shù)進(jìn)行分析，在制作方便的前提下找到了相同諧振頻率的方式，并細(xì)致探究了四線圈結(jié)構(gòu)中線圈匝數(shù)的關(guān)系及高頻屈服效應(yīng)對(duì)效率的影響。

本文提供了一種可簡(jiǎn)單制作無(wú)線充電設(shè)備的方法，分析了品質(zhì)因數(shù)等相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律，制作了教學(xué)模具，并將科技成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化供廣大青少年學(xué)習(xí)。磁耦合諧振式無(wú)線電能充電模型如圖1所示。

圖1 磁耦合諧振式無(wú)線電能充電模型

2 工作原理

2.1 總體方案

2.1.1 基本模型

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)包含了4個(gè)組成部分，即能量源，發(fā)射端，接受端以及負(fù)載。磁耦合諧振基本模型如圖2所示。

圖2 磁耦合諧振基本模型

最初的實(shí)驗(yàn)采用兩線圈模型，但兩線圈模型極不穩(wěn)定，因此根據(jù)文獻(xiàn)中提到的不同線圈之間的穩(wěn)定性條件，采用四線圈結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。四線圈包括激勵(lì)線圈，發(fā)射線圈，接受線圈和負(fù)載線圈。激勵(lì)線圈和發(fā)射線圈，接受線圈和負(fù)載線圈之間由于互感進(jìn)行能量交換，從而將能量傳輸?shù)桨l(fā)射端。發(fā)射端線圈由于自身的自感以及和電容耦合故而形成一個(gè)諧振體，在高頻情況下諧振體包含的能量在電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，產(chǎn)生以線圈為中心，以空氣為傳輸媒質(zhì)的時(shí)變磁場(chǎng)，由于接受端所構(gòu)成的諧振體具有與發(fā)射線圈形成的諧振體相同的固有頻率，因此會(huì)產(chǎn)生共振吸收，能量便從發(fā)射端流動(dòng)到了接受端。而負(fù)載線圈在外接負(fù)載的條件下與接受線圈進(jìn)行較強(qiáng)的互感作用，使能量最終流動(dòng)至負(fù)載。

2.1.2 線圈的互感

式中：N1，N2分別為線圈1，線圈2的匝數(shù)；r1，r2分別為線圈1，線圈2的半徑；d分別為線圈1，線圈2中心的中心距離。

如果兩個(gè)互感線圈不共軸，那么可采用空間積分形式計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)記載，可利用變化之后的第一類及第二類橢圓積分計(jì)算?；ジ凶饔迷砣鐖D3所示。

2.1.3 系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)

根據(jù)強(qiáng)耦合模型，兩個(gè)系統(tǒng)之間的品質(zhì)因數(shù)越高，則其傳輸?shù)男蕰?huì)高，但是品質(zhì)因數(shù)也會(huì)影響其頻率的波形分布，可能會(huì)使其頻率分裂的雙峰靠近變成單峰，難以調(diào)控該諧振點(diǎn)。耦合模型品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算關(guān)系如下：

而在高頻情況下，線圈不僅會(huì)有歐姆電容R0，也會(huì)有很強(qiáng)的輻射阻抗Rr。

圖3 互感作用原理

2.1.4 強(qiáng)耦合關(guān)系

由強(qiáng)耦合理論可知，兩個(gè)耦合諧振的線圈之間的傳遞效率是由兩者的耦合程度決定的。這里，我們給出了強(qiáng)耦合與耗散系數(shù)的比值關(guān)系式：

式中：μ0=4π×10－7H/m，為真空磁導(dǎo)率，σ=4π×10－7S/m，為銅導(dǎo)線的電導(dǎo)率。

強(qiáng)耦合系數(shù)為κ，兩者的耗散系數(shù)為τ，如果兩者之比大于1，則兩者的耦合關(guān)系十分明顯，傳輸效率也會(huì)大幅提高。利用Matlab等數(shù)學(xué)工具可以得到一個(gè)最佳的頻率范圍，即頻率至少為MHz數(shù)量級(jí)才能很好地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合關(guān)系。

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1 功能概述

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了變壓器耦合式三級(jí)放大功率放大模塊。適用范圍為0～50 MHz。變壓器耦合式三級(jí)放大功率放大模塊示意圖如圖4所示。

圖4 變壓器耦合式三級(jí)放大功率放大模塊示意圖

2.2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

如圖5所示，我們?cè)O(shè)計(jì)了在實(shí)驗(yàn)室條件下相對(duì)高效的項(xiàng)圈模型。

完成主題傳輸裝置設(shè)計(jì)后，開(kāi)始設(shè)計(jì)品質(zhì)適合、不失真的功率放大器及信號(hào)發(fā)生器。我們通過(guò)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的放大電路，測(cè)試其高頻效果，但在實(shí)驗(yàn)室中制作的放大電路失真度較大，根據(jù)項(xiàng)目組的討論，最后決定與廠家合作，設(shè)計(jì)并制作了適合短波段的變壓器耦合三級(jí)放大電路。在小功率基礎(chǔ)上解決了放大電路的制作問(wèn)題。并利用單片機(jī)技術(shù)，與廠家合作制作了簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)，可以設(shè)置Hz，kHz，MHz三個(gè)數(shù)量級(jí)，以及由電腦自動(dòng)控制的信號(hào)發(fā)射器，并且可自主調(diào)節(jié)和顯示。

圖5 實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)圈模型示意圖

2.2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

為了尋找適合的線圈情況，我們通過(guò)數(shù)學(xué)物理方法擬合方式，利用Matlab得到了如圖6所示的品質(zhì)因數(shù)、諧振頻率、線圈半徑關(guān)系。

圖6 品質(zhì)因數(shù)、諧振頻率、線圈半徑關(guān)系

為了得到具有更廣泛范圍的帶寬，我們對(duì)諧振頻率情況下的雙峰特性進(jìn)行了測(cè)試。11.5 MHz頻率下的諧振頻率測(cè)試圖如圖7所示。

圖7 11.5 MHz的諧振頻率測(cè)試圖

第一幅為在固定頻率11.5 MHz下耦合與耗散間比值隨距離改變的關(guān)系，第二幅則是在頻率不定的狀態(tài)下，距離、頻率與耦合，耗散之比的關(guān)系圖。由三維圖形可知，在距離短以及頻率高的地方，比值集聚增大，在表中拐改點(diǎn)處，強(qiáng)耦合關(guān)系明顯，傳輸效率高。但由于頻率太大又會(huì)造成諸多麻煩，比如功率放大器無(wú)法有效放大等。由固定頻率下的圖像可知，大約在1 m處，耦合系數(shù)與耗散系數(shù)相等，基本無(wú)能量傳遞。所以我們預(yù)測(cè)在功率設(shè)備接入后，設(shè)備會(huì)在50～70 cm之間達(dá)到一個(gè)拐點(diǎn)，即在前面部分都可以觀測(cè)到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但之后則不會(huì)有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，負(fù)載在70 cm處可以有明顯的功率傳輸，但是之后幾厘米則會(huì)很快衰減。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本裝置利用強(qiáng)耦合物理理論模型實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電能的中距離高效傳輸，改變了過(guò)去利用弱場(chǎng)耦合所實(shí)驗(yàn)的無(wú)線電能傳輸?shù)托蕟?wèn)題。在可見(jiàn)光波段附近進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，避免了短波輻射對(duì)人造成的損傷。為了在小功率范圍前提下保證較高的無(wú)線電能傳輸，我們利用了四線圈結(jié)構(gòu)模型，提高了無(wú)線電能的轉(zhuǎn)換以及傳輸效率，進(jìn)行了無(wú)線手機(jī)充電等相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，并在頻率分裂的基礎(chǔ)上實(shí)驗(yàn)性探究了頻率分裂所產(chǎn)生的帶寬對(duì)于無(wú)線充電自動(dòng)化的調(diào)節(jié)機(jī)理，得到了相關(guān)的成果。

4 市場(chǎng)前景

我國(guó)中小學(xué)購(gòu)置教學(xué)儀器的花費(fèi)約為：596.93億元（教育機(jī)構(gòu)除外）。根據(jù)教育部數(shù)據(jù)顯示：2002年，全國(guó)共有435家工廠承擔(dān)教學(xué)儀器設(shè)備生產(chǎn)任務(wù)。全部職工年平均人數(shù)為33 575人，其中工程技術(shù)人員6 040人，固定資產(chǎn)為145 069.5萬(wàn)元。全行業(yè)共完成工業(yè)總產(chǎn)值（當(dāng)年價(jià)）575 073.6萬(wàn)元，其中教學(xué)儀器設(shè)備總產(chǎn)值465 213.6萬(wàn)元。利潤(rùn)總額完成28 969.3萬(wàn)元，稅金總額完成44 556.8萬(wàn)元。但市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有創(chuàng)新型教學(xué)模具設(shè)計(jì)公司，如果我們能占到每年購(gòu)買資金的0.2%，則每年的盈利額為1億元，市場(chǎng)前景廣闊。

目前大多數(shù)中小學(xué)以及相當(dāng)一部分素質(zhì)教育機(jī)構(gòu)的素質(zhì)教育大都處于書(shū)面狀態(tài)，對(duì)于科技前沿的把握往往也是通過(guò)填鴨式的教育模式實(shí)現(xiàn)，學(xué)生無(wú)法親自體驗(yàn)。我們根據(jù)相關(guān)基本科技前沿理論，自主研發(fā)了適合廣大青少年的自我組裝教學(xué)模具。不僅可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，更能夠提前帶領(lǐng)學(xué)生接觸科技帶來(lái)的魅力。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前針對(duì)科技前沿教學(xué)模具的開(kāi)發(fā)公司幾乎為零，大部分公司都在從事一些實(shí)驗(yàn)室基本設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)，比如電源、電阻、示波器、試管、燒杯等。而我們彌補(bǔ)了目前對(duì)于前沿領(lǐng)域科學(xué)素質(zhì)普及的缺陷。在中小學(xué)推進(jìn)素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)必不可少。對(duì)于素質(zhì)教育公司而言，他們可以利用文中設(shè)計(jì)的教育模具，讓學(xué)生更加直觀地感知科技，認(rèn)識(shí)未來(lái)。初期，公司的競(jìng)爭(zhēng)力比較小，但也是公司的機(jī)遇。我們將在目前的產(chǎn)品基礎(chǔ)上推出一系列產(chǎn)品，比如化生電導(dǎo)率測(cè)試儀器、電磁炮、電磁耦合式天平等。

無(wú)線電能傳輸技術(shù)不僅在軍事、航空航天、油田礦井、水下作業(yè)、工業(yè)機(jī)器人、電動(dòng)汽車、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療器械、家用電器、RFID等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，而且對(duì)電磁理論的發(fā)展亦具有重要科研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義。目前處于市場(chǎng)初期，我公司主要從教育行業(yè)入手，累積資本后再在無(wú)線電能傳輸技術(shù)其他領(lǐng)域開(kāi)展相關(guān)研究。