隨著用電設(shè)備的增加，電線和插座也隨之大量制造和使用，造成大量物質(zhì)和能源的消耗，導(dǎo)致環(huán)境污染。傳統(tǒng)電能傳輸采用有線傳輸方式,但在很多場(chǎng)合并不適用，如深海作業(yè)機(jī)器人、心臟起搏器、磁懸浮列車等[1-3]。電能無線傳輸一直是人類的夢(mèng)想,國(guó)內(nèi)外科學(xué)家在此領(lǐng)域進(jìn)行了不斷的研究與探索。
    目前，無線電能傳輸主要有三種方式[4-5]：(1)微波電能傳輸方式。該方式利用無線電波收發(fā)原理，通過對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)實(shí)現(xiàn)傳輸電能，傳輸功率只能在幾毫瓦至一百毫瓦之間，應(yīng)用范圍不大；(2)電磁感應(yīng)無線電能傳輸方式。該方式利用變壓器原副邊耦合原理，通過交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)傳輸電能，傳輸功率大、效率高，但距離很近,僅在1 cm內(nèi)，目前已在軌道交通等方面應(yīng)用；(3)諧振耦合電能無線傳輸方式,它是前兩種的綜合方式。該方式利用電路中電感電容諧振原理傳輸電能，理論上電能的傳輸功率、傳輸距離不受限制。
　    本文提出了一種基于電磁耦合陣列" title="電磁耦合陣列" target="_blank">電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上完成了對(duì)該裝置的研制。實(shí)驗(yàn)表明，通過微處理器完成對(duì)環(huán)形電磁耦合陣列線圈與接收線圈耦合度的檢測(cè)，控制只對(duì)耦合度最高的線圈供電，使得用電設(shè)備無論處于何種方向，總有一個(gè)發(fā)送線圈與用電設(shè)備的接收線圈接近于全耦合，保證了電能傳輸?shù)母咝省?br/>1 諧振耦合模型
　    為了便于分析諧振耦合過程的發(fā)生，本文僅取一組發(fā)生諧振耦合的收發(fā)線圈LS與LD進(jìn)行等效電路分析。由于功率發(fā)送設(shè)備采用的均為高頻信號(hào)發(fā)射[6]，所以收發(fā)線圈的寄生電阻和電容是不可忽視的，其等效模型如圖1所示。其中D表示收發(fā)線圈之間的距離，M表示收發(fā)線圈之間的互感系數(shù)。

    本文提出的基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸技術(shù)，在設(shè)計(jì)中加入了由多個(gè)發(fā)送線圈組成的電磁耦合陣列，再經(jīng)控制系統(tǒng)搜索耦合程度最大的線圈,從而鎖定由該線圈獨(dú)立供電，使無線電能傳輸過程中的效率始終保持最高。
2 電磁耦合陣列定位
    基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。通過微處理器控制電磁耦合陣列中每個(gè)線圈單獨(dú)供電并檢測(cè)供電電流，由微處理器搜索到耦合程度最大的線圈從而鎖定由該線圈獨(dú)立供電。接收線圈通過電磁感應(yīng)接收能量,并通過橋式整流器給用電設(shè)備供電。電磁耦合陣列由多個(gè)發(fā)送線圈組成，其空間結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    微處理器完成數(shù)據(jù)采集與控制指令的發(fā)出，電磁耦合陣列與接收線圈之間形成電磁耦合，接收線圈通過橋式整流器將接收到的交流信號(hào)進(jìn)行整流。A/D轉(zhuǎn)換器將整流后的直流電壓送入微處理器進(jìn)行分析與處理，最后由微處理器送出控制指令。電磁耦合陣列電氣連接圖如圖4所示。

    在整個(gè)系統(tǒng)中，能量的損耗主要包括線圈、開關(guān)損耗及電磁耦合過程中的磁泄漏?？梢酝ㄟ^軟件控制合適的載波頻率和合適的死區(qū)時(shí)間來減小開關(guān)損耗，耦合損耗是系統(tǒng)能耗的主要部分，因?yàn)榇艌?chǎng)傳輸介質(zhì)中包括磁導(dǎo)率很低的空氣磁路段，造成感應(yīng)效率較低[8]。本系統(tǒng)在電磁耦合陣列中輸入10 kHz~40 kHz的高頻信號(hào)傳輸磁場(chǎng)和發(fā)送能量。多個(gè)發(fā)送線圈采用水平的環(huán)形排列，使得任何用電設(shè)備在任何位置，朝任何方向，總有一個(gè)發(fā)送線圈與用電設(shè)備的接收線圈接近于全耦合。耦合陣列的每個(gè)線圈回路通過串聯(lián)一個(gè)1:50的變壓器對(duì)回路電流進(jìn)行采樣，經(jīng)整流及電容平緩后用CPLD檢測(cè)采樣耦合電壓來反映此線圈的發(fā)送功率，并輸出控制信號(hào)調(diào)整線圈關(guān)斷，從而使耦合效率達(dá)到最高。圖3所示的電磁耦合陣列可以為多個(gè)，不同的電磁耦合陣列按不同的高度設(shè)置，可增加用電設(shè)備獲取電能的靈活性，即用電設(shè)備在不同的高度和不同的方向，都能最大限度地獲取電能，提高了電能的利用效率。
3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 電能傳輸主回路
    主電路如圖5所示，驅(qū)動(dòng)電路將方波信號(hào)送入由發(fā)送線圈、MOS管Q4、電容C2及變壓器T1構(gòu)成初級(jí)線圈，初級(jí)線圈把能量耦合發(fā)送給次級(jí)線圈，通過匝數(shù)比為1：500的變壓器T1進(jìn)行電壓放大，后經(jīng)二極管D3，D4、D5及D6構(gòu)成橋式整流電路整流和C3平滑，所獲得的直流電壓送至供電設(shè)備。驅(qū)動(dòng)電路采用9V直流電源供電，當(dāng)方波信號(hào)為高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，Q1的VCE較小，以致三極管Q2、Q3均截止。因此MOS管Q4的柵極處于高阻狀態(tài)(MOS管Q4處于截止?fàn)顟B(tài))，即電子開關(guān)不導(dǎo)通，發(fā)送線圈不能往外發(fā)送電能。方波為低電平時(shí)，三極管Q1截止，Q1的C極處為高電平，此時(shí)，三極管Q2、Q3均導(dǎo)通。因此MOS管Q4的柵極處于高電平，則MOS管Q4處于導(dǎo)通狀態(tài)，即電子開關(guān)導(dǎo)通，發(fā)送線圈往外發(fā)送電能。

3.2 電磁耦合陣列定位控制回路
       控制電路選用如圖6所示的單片機(jī)與CPLD的控制方式。單片機(jī)完成控制與顯示功能，CPLD完成數(shù)據(jù)采集與分析。選用精度為8 bit、實(shí)時(shí)采樣頻率為5 MS/s的AD7822芯片,對(duì)呈環(huán)形矩陣排列的原邊各線圈電流值進(jìn)行采集。CPLD選用MAXII系列的EPM240芯片完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器分析,并將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)采用AT89S52完成對(duì)環(huán)形電磁耦合陣列線圈與接收線圈耦合度的分析,只對(duì)耦合度最高的線圈供電，使得用電設(shè)備無論處于何方向，總有一個(gè)發(fā)送線圈與用電設(shè)備的接收線圈接近于全耦合，并顯示傳輸效率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　    本系統(tǒng)通過頻率為32.89 kHz方波信號(hào)發(fā)送能量，在接收端加一個(gè)100 ?贅假負(fù)載完成了無線電能傳輸裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量，其結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸方案的可行性，當(dāng)接收端距離發(fā)射端4.5 cm時(shí)仍然能夠從發(fā)射端接收到20 mW的功率，電能傳輸效率很高。
    在設(shè)計(jì)過程中，CPLD能夠有效地鎖定發(fā)射陣列線圈，傳輸效率最大的線圈組合，可以發(fā)出最合適的載波頻率，進(jìn)行功率傳輸。當(dāng)發(fā)射線圈的電感量發(fā)生微小變化時(shí)，傳輸效率大大減小，而接收線圈的電感變化對(duì)傳輸效率影響并不明顯。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用電磁感應(yīng)陣列的方案，用電器無論在何方位都能以最大效率獲得發(fā)送端送來的電能，從而解決了耦合電能無線傳輸中，由于電磁場(chǎng)方向的不確定性導(dǎo)致耦合因子低下的問題。
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