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 作品簡介

近年來，磁耦合諧振式無線電能充電已成為國內(nèi)外電能研究的熱點，并且大部分課題組都在從事著大功率遠(yuǎn)距離的無線充電研究，我們基于生活層面對小功率中遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸（如手機等）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，設(shè)計并制作了一套可用于現(xiàn)代普通生活層面的無線充電設(shè)備。我們對難以把控的品質(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)對效率的影響。

本文提供了一種可簡單制作無線充電設(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)。磁耦合諧振式無線電能充電模型如圖1所示。

圖1 磁耦合諧振式無線電能充電模型

2 工作原理

2.1 總體方案

2.1.1 基本模型

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)包含了4個組成部分，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

最初的實驗采用兩線圈模型，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)來增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。四線圈包括激勵線圈，發(fā)射線圈，接受線圈和負(fù)載線圈。激勵線圈和發(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諧振體，在高頻情況下諧振體包含的能量在電場與磁場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)的時變磁場，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，因此會產(chǎn)生共振吸收，能量便從發(fā)射端流動到了接受端。而負(fù)載線圈在外接負(fù)載的條件下與接受線圈進(jìn)行較強的互感作用，使能量最終流動至負(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。

如果兩個互感線圈不共軸，那么可采用空間積分形式計算。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)強耦合模型，兩個系統(tǒng)之間的品質(zhì)因數(shù)越高，則其傳輸?shù)男蕰?，但是品質(zhì)因數(shù)也會影響其頻率的波形分布，可能會使其頻率分裂的雙峰靠近變成單峰，難以調(diào)控該諧振點。耦合模型品質(zhì)因數(shù)的計算關(guān)系如下：

而在高頻情況下，線圈不僅會有歐姆電容R0，也會有很強的輻射阻抗Rr。

圖3 互感作用原理

2.1.4 強耦合關(guān)系

由強耦合理論可知，兩個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，傳輸效率也會大幅提高。利用Matlab等數(shù)學(xué)工具可以得到一個最佳的頻率范圍，即頻率至少為MHz數(shù)量級才能很好地實現(xiàn)強耦合關(guān)系。

2.2 詳細(xì)設(shè)計

2.2.1 功能概述

根據(jù)相關(guān)實驗要求，我們設(shè)計了變壓器耦合式三級放大功率放大模塊。適用范圍為0～50 MHz。變壓器耦合式三級放大功率放大模塊示意圖如圖4所示。

圖4 變壓器耦合式三級放大功率放大模塊示意圖

2.2.2 硬件實現(xiàn)

如圖5所示，我們設(shè)計了在實驗室條件下相對高效的項圈模型。

完成主題傳輸裝置設(shè)計后，開始設(shè)計品質(zhì)適合、不失真的功率放大器及信號發(fā)生器。我們通過設(shè)計基礎(chǔ)的放大電路，測試其高頻效果，但在實驗室中制作的放大電路失真度較大，根據(jù)項目組的討論，最后決定與廠家合作，設(shè)計并制作了適合短波段的變壓器耦合三級放大電路。在小功率基礎(chǔ)上解決了放大電路的制作問題。并利用單片機技術(shù)，與廠家合作制作了簡單且穩(wěn)定的信號發(fā)生系統(tǒng)，可以設(shè)置Hz，kHz，MHz三個數(shù)量級，以及由電腦自動控制的信號發(fā)射器，并且可自主調(diào)節(jié)和顯示。

圖5 實驗室項圈模型示意圖

2.2.3 軟件實現(xiàn)

為了尋找適合的線圈情況，我們通過數(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，我們對諧振頻率情況下的雙峰特性進(jìn)行了測試。11.5 MHz頻率下的諧振頻率測試圖如圖7所示。

圖7 11.5 MHz的諧振頻率測試圖

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，在表中拐改點處，強耦合關(guān)系明顯，傳輸效率高。但由于頻率太大又會造成諸多麻煩，比如功率放大器無法有效放大等。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，基本無能量傳遞。所以我們預(yù)測在功率設(shè)備接入后，設(shè)備會在50～70 cm之間達(dá)到一個拐點，即在前面部分都可以觀測到明顯的實驗現(xiàn)象，但之后則不會有實驗現(xiàn)象。實驗證明，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很快衰減。

3 創(chuàng)新點

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

4 市場前景

我國中小學(xué)購置教學(xué)儀器的花費約為：596.93億元（教育機構(gòu)除外）。根據(jù)教育部數(shù)據(jù)顯示：2002年，全國共有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145 069.5萬元。全行業(yè)共完成工業(yè)總產(chǎn)值（當(dāng)年價）575 073.6萬元，其中教學(xué)儀器設(shè)備總產(chǎn)值465 213.6萬元。利潤總額完成28 969.3萬元，稅金總額完成44 556.8萬元。但市場上幾乎沒有創(chuàng)新型教學(xué)模具設(shè)計公司，如果我們能占到每年購買資金的0.2%，則每年的盈利額為1億元，市場前景廣闊。

目前大多數(shù)中小學(xué)以及相當(dāng)一部分素質(zhì)教育機構(gòu)的素質(zhì)教育大都處于書面狀態(tài)，對于科技前沿的把握往往也是通過填鴨式的教育模式實現(xiàn)，學(xué)生無法親自體驗。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)生的動手能力，更能夠提前帶領(lǐng)學(xué)生接觸科技帶來的魅力。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前針對科技前沿教學(xué)模具的開發(fā)公司幾乎為零，大部分公司都在從事一些實驗室基本設(shè)備的研究與開發(fā)，比如電源、電阻、示波器、試管、燒杯等。而我們彌補了目前對于前沿領(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)生的動手能力及對科學(xué)的熱愛必不可少。對于素質(zhì)教育公司而言，他們可以利用文中設(shè)計的教育模具，讓學(xué)生更加直觀地感知科技，認(rèn)識未來。初期，公司的競爭力比較小，但也是公司的機遇。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)率測試儀器、電磁炮、電磁耦合式天平等。

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