0 引言

    傳感網技術作為21世紀的一個重要新興科技領域，在理論應用和市場方面保持著高速發(fā)展。任何用于傳感網的傳感器都需要電源。目前這些傳感器的電源都是直接或者間接來源于電池。隨著傳感網中大量微納傳感器分散布置在寬廣的區(qū)域，傳統(tǒng)的利用電池來提供電源及更換電池的方法不再適用。因此發(fā)展新型的傳感器供電系統(tǒng)是傳感網微納傳感器應用的迫切要求。

    從1893年Nikola Tesla利用無線電能傳輸原理點亮了熒光照明燈，到2013年AKASOL公司為龐巴迪公司推出了鋰離子電池無線感應充電技術，無線電能傳輸技術取得了長足的發(fā)展^[1-4]。在理論研究方面，André Kurs等人用數學模型描述了該技術實現(xiàn)的方法并說明高Q值的線圈可以提高系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸距離^[5]。采用超導體材料構建的振蕩系統(tǒng)和線圈以及低的工作頻率可以降低系統(tǒng)的損耗達到提高傳輸效率的目的^[6]。在實驗研究方面，Marin Soljacic的團隊在2007年利用磁諧振耦合無線能量傳輸技術實現(xiàn)了點亮2 m外一個60 W的燈泡，而在2009年該團隊增加了中繼線圈，搭建了三諧振系統(tǒng)，最終發(fā)現(xiàn)其比僅有發(fā)射和接收線圈的二諧振系統(tǒng)的傳輸效率要高^[7]。

    在目前實際的應用中，基于發(fā)射、中繼、接收線圈構成的磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)具有簡單的結構，是最易于實際應用的設計，然而鮮有關于這些線圈結構的最優(yōu)化的報道?？紤]到無線傳感網絡中的微傳感器供電實際應用中傳輸距離遠、傳感器數量多以及微型化的要求，本文著重研究了在低頻、小尺寸下增強線圈、多個接收端、隔磁材料（隔磁片）對磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸距離和效率的影響與優(yōu)化。分別對有發(fā)射和接收線圈、單個增強線圈、諧振線圈附加隔磁片、多接收端4種情況分別進行研究，并與理論模擬的效率進行對比。

1 實驗

    磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、直流電源、驅動電路(功率放大電路)、發(fā)射和接收線圈、整流濾波電路、負載組成(圖1)。為保證實現(xiàn)諧振傳輸，本實驗所搭建的低功率、小尺寸結構磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)中兩個線圈的參數保持一致。

    實驗中線圈采用匝數N均為20匝、直徑均為6.5 cm、0.01 mm×40的李茲線，電容為1.5 nF。MOS管采用IR公司的IRF540N，該MOS管耐壓值為100 V，最大漏極電流達到33 A，導通和關斷時間均為35 ns。MOS管驅動芯片為IR公司生產的MOS管驅動芯片,具有體積小、集成度高、響應快、驅動能力強等優(yōu)點且成本低、易于調試^[8]。信號發(fā)生器采用RIGOL公司的DG1022，直流電源型號為DP1116 A。實驗系統(tǒng)的工作頻率(諧振頻率)為536 kHz，供給諧振線圈的直流電源電壓為10 V。

    系統(tǒng)調節(jié)信號發(fā)生器的頻率是使接收線圈上的負載兩端的電壓達到最大(本實驗采用1 kΩ電阻代替負載)。固定發(fā)射線圈，和接收線圈保持同軸、平行放置。每移動一次接收線圈調節(jié)信號頻率以保持負載上的電壓值最大，并記錄發(fā)射功率。在分別做完原始系統(tǒng)和帶有一個增強、附加隔磁片、多接收端系統(tǒng)實驗之后計算系統(tǒng)傳輸效率，對比實驗結果后得出結論。

2 結果與討論

    本文的研究是基于一個增強線圈的三諧振系統(tǒng)，三個線圈的尺寸相同，具體結構示意圖如圖2所示。

    與Marin Soljacic的團隊在實驗中采用線圈自身的寄生電容構成諧振系統(tǒng)相比^[5]，本文中采用外接電容與線圈為并聯(lián)結構。優(yōu)點是系統(tǒng)諧振頻率更容易調節(jié)并避免使用過程中的其他因素導致線圈自身的寄生電容發(fā)生改變，進而使得諧振頻率發(fā)生改變導致系統(tǒng)無法實現(xiàn)共振傳輸^[9]。本系統(tǒng)中增強線圈放置在發(fā)射線圈和接收線圈之間用來提高系統(tǒng)的傳輸距離和效率。為保證系統(tǒng)正常工作，發(fā)射、增強、接收線圈的諧振頻率相同以達到共振。增強線圈僅由線圈和電容組成，且其參數和發(fā)射、接收線圈完全一致以保證增強線圈和發(fā)射、接收線圈實現(xiàn)共振傳輸。由于增強線圈僅由諧振線圈和諧振電容組成，因此具有很高的品質因數^[7]。系統(tǒng)工作時，發(fā)射線圈和增強線圈發(fā)生耦合共振，再通過增強線圈與接收線圈之間的耦合諧振傳輸給接收線圈。最后，接收線圈將能量供給負載使用。

    首先研究增強線圈對系統(tǒng)傳輸效率的影響。結果如圖3所示，在其他參數不變的情況下，分別測試有、無增強線圈兩種情況下對傳輸效率影響。

    當加入一個增強線圈，同時固定接收線圈和發(fā)射線圈的位置，移動增強線圈的位置并調節(jié)頻率可改變輸出效率。從圖3中可以看出，隨著傳輸距離的增大，系統(tǒng)的傳輸效率不斷下降。這是由于隨著距離的增加線圈之間的互感系數減小，使得傳輸效率下降。然而從圖3可以看出,在有增強線圈的情況下, 即使在較遠距離處，其傳輸效率要明顯大于沒有增強線圈的情況。在4～7 cm的傳輸距離內，傳輸效率可增加20%。其原因在于當距離較遠時接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感系數急劇下降導致效率降低；而當有增強線圈時其放大了來自發(fā)射線圈的能量，其等同于減小了發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離，提高了效率^[7]。

    然后研究了兩個接收端對傳輸效率的影響。由于發(fā)射線圈所建立磁場的方向并不是指向單一的方向，為改善效率，考慮在前后各放置一個接收線圈，接收線圈1和接收線圈2，兩個接收線圈使用相同的負載，如圖4所示。

    為了確保磁耦合共振，發(fā)射線圈和兩個接收線圈的電感、尺寸、材料等參數保持不變。實驗時保持發(fā)射線圈固定，同時移動兩個接收線圈以保持接收線圈1和接收線圈2與發(fā)射線圈的距離相等。

    如圖5所示，隨著兩個接收線圈與發(fā)射線圈距離越來越遠，兩種系統(tǒng)傳輸效率均逐漸下降。但兩個接收端系統(tǒng)的傳輸效率要比一個接收端的效率高。因此增加了一個接收端實際提高了發(fā)射線圈能量的利用率。

    最后研究了隔磁片對傳輸效率的影響。隔磁片是一種具有較高導磁性能的磁性片，能高度聚集磁通Φ值，防止磁能量在空氣或其他物體上傳導發(fā)生能量損失^[10]，起到隔磁、磁屏蔽、增加電感，從而提高充電效率，降低充電器發(fā)熱量的作用。實驗中采用硬質錳鋅鐵氧體隔磁片，分別將隔磁片貼附在發(fā)射線圈和接收線圈的背面，實驗結果如圖6所示。

    從圖中可以看出，當接收線圈貼附隔磁片時傳輸效率最高，其與原系統(tǒng)相比效率提升效果明顯。而給發(fā)射線圈貼附隔磁片傳輸效率最低。因此在實際使用時應將隔磁片貼附在接收線圈一面，至于貼附在發(fā)射線圈一面?zhèn)鬏斝式档?，原因尚待研究?/p>

3 討論

    本實驗中搭建系統(tǒng)的等效電路模型如圖7所示。

    其中，V_S為等效交流源，C₁、C₂為諧振電容，L₁、L₂為線圈電感，R₁、R₂為線圈內阻，R_S為電源內阻，M為兩線圈的互感，R_L為等效負載電阻，i₁、i₂為回路電流。由圖中電流方向列寫KVL方程有：

    而對于多接收端的情況，兩個接收端時系統(tǒng)的傳輸效率要高于一個接收端。這主要是因為兩個接收端同時工作時，在一定傳輸距離情況下，接收端所鉸鏈的總磁通比單個接收端工作時要大，更有效地利用了發(fā)射端所激發(fā)的磁場，所以多接收端同時工作時其總傳輸效率要比單個接收端工作時大^[12]。

    接收線圈附加隔磁材料增大了系統(tǒng)的傳輸效率可由式(8)來解釋。當線圈不加隔磁材料時，μ_n=1；當線圈加隔磁材料時，μ_n>1使得互感M增大提高耦合系數k進而調高了系統(tǒng)的傳輸效率。

4 結論和展望

    增強線圈、多接收端、隔磁材料對磁耦合諧振傳輸影響的研究表明，優(yōu)化的設計能提高傳輸的距離和效率。這對于以后設計磁耦合諧振傳輸與設計應用具有一定的使用價值。

    此外，本文目前僅僅研究了磁耦合諧振無線能量傳輸中小功率、低頻的情況。進一步微納傳感器無線供電方面研究可望在高頻、中等功率情況下提高傳輸距離、傳輸效率以及電能的收集等問題上取得突破。

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