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摘要 无线供电技术( w p t ) 是一种新型的电能传输技术，它摆脱了传 统供电方式，而采用无线的方式为用电设备提供电力。w p t 有两大 特点：一是让电器与电源完全分离，使电器在安全性、灵活性、密封 性、美观性等方面的表现更好；二是w p t 可以透过所有非金属物质 来传递电力，如水、空气、木材、塑料、玻璃甚至土壤等。因此可以 实现隔物供电，这是有线供电无法做到的。 本文首先介绍了无线供电的基本理论，重点介绍了磁耦合方案； 其次对非接触式电能传输系统的关键部件松耦合变压器的实现结构 进行了分析，并在常规变压器数学模型的基础上推导出松耦合变压器 的数学模型，导出其关键参数的计算方法；为了获得最大的电能传输 效率，我们对松耦合变压器的原、副边相对位置进行了a n s y s 数学 仿真，找出了变压器结构与电能传输效率的关系；与此同时还对锂电 池的性能和充电方法进行了论述。 文章最后给出了采用v o x l 2 p 5 模块的变压器松耦合供电方案，并 实现了对手机锂电池进行无线供电。 关键词：无线供电技术松耦合变压器a n s y s a b s t r a c t w i r el e s sp o w e rt e c h n o1 0 9 y( w p t )isan e wt y p eo fp o w e r t r a n s m i s s i o nt e c h n 0 1 0 9 y ，w h i c he m e r g e df r o mt h et r a d i t i o n a l f o r mo f p o w e rs u p p l y ， a n du s et h ew i r e l e s se q u i p m e n tt o p r o v i d ee l e c t r i c i t yf o rp o w e r w p th a st w om a i nc h a r a c t e r i s t i c s ： f i r s t ， 1 e te l e c t r i c a l p o w e rc o m p l e t e l y i s 0 1 a t e dw i t h a p p l i a n c e s ，s ot h a tt h ee l e c t r i c a la p p l i a n c e si nt h es e c u r i t y ， f l e x i b i li t y ， t i g h t n e s s ，a e s t h e t i c s ， s u c ha sb e t t e ra su s u a l ： s e c o n d t h ew p tc a nt r a n s f e ra l1n o n m e t a l1i cm a t e r i a lt o e l e c t r i c i t y ， s u c ha sw a t e r ， a i r ，w o o d ， p l a s t i c ， 9 1 a s s ，e v e n s o ila n ds oo n t h e r e f o r eo b j e c t sc a nb es e p a r a t e df r o mp o w e r ， b u tt h et r a n s m i s s i o nt e c h n 0 1 0 9 yc a nn o td oi ti m p o s s i b l e f i r s t ， t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ew i r e l e s sp o w e r s u p p l y sb a s i ct h e o r y ， f o c u s e so nm a g n e t i cc o u p l i n gp r o g r a m ： s e c o n d ，a n a l y z e dt h en o n c o n t a c tp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m w h i c hw a sak e yo fl o o s e l yc o u p l e dt r a n s f o r m e rt oa c h i e v et h e s t r u c t u r e ， a n dt h e nd e d u c t e dal o o s e l yc o u p l e dt r a n s f o r m e r m a t h e m a tic a lm o d e1b yt h ec o n v e n tio n a lt r a n s f o r m e ri nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c ho nt h eb a s i so fd e r i v a t i o n ，b yt h ew a y i t sp a r a m e t e r sa r ew o r k e do u t ：i no r d e rt og e tt h em o s to u t o fp o w e rt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，w ee m u l a t et h el o o s ec o u p l i n g t r a n s f o r m e rw i t hb o t hs i d e so ft h er e l a t i v ep o s i t i o nb yt h e a n s y s ，a n dt h e nf i n do u tt h er e l a t i o n s h i db e t w e e nt h es t r u c t u r e o ft h et r a n s f o r m e ra n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o n ： a tt h es a m et i m ea l s ol i i o nb a t t e r ya n dt h ec h a r g i n gm e t h o d s a r ed is c u s s e d i nt h ee n d ， t h i sa r t i c l ec o n c l u d e sap o w e rs u p p l yp r o g r a m w h i c hi st h eu s eo ft h em o d u l ev o x l 2 p 51 0 0 s e l yc o u p l e dt r a n s f o m e r ， a n dt h er e a l i z a t i o no ft h el i t h i u mb a t t e r i e sf o r w i r e l e s sp o w e r s u p p l y k e yw o r d s ： w i r e l e s sp o w e rt e c h n 0 1 0 9 y l o o s ec o u p li n gt r a n s f o r m e r a n s y s i i 基于松耦合变压器的无线供电充电器技术研究 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：豸触必岬年r 月尹 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 作者签名：甜在 导师签名： 以上相应方框内打“ ”) 日期洲年f 月罗日 f， 醐：尸月日 基于松耦合变压器的无线供电充电器技术研究 基于松耦合变压器的无线供电 充电器技术研究 第一章绪论 1 1 选题的意义和背景 1 1 1 无线供电技术概述 电能传输和信号传递是电力电子技术所涉及的两个主要方面，两 者往往共存于同一个电力电子应用系统当中，电能用来给系统运行提 供动力或能量，而信号用来检测系统操作状态或传递控制指令。无信 号，系统运行状态将难以知晓或难以控制；但无电能，系统将完全不 能够运行n 1 。自从1 8 4 0 年科学家揭示电磁感应现象以来，就已经采 用导线直接接触的方式解决了电能和信号的传输问题。如今，信号传 输以移动手机和无线i n t e r n e t 为例，以空气为媒介已经实现了长距 离的非接触传递，极大地方便人们的生存生活；而电能的传输仍然主 要有导线直接接触进行传输，电工电子设备的供电通过插头和插座来 进行，其发展远远滞后于信号传输的发展。长期以来，利用磁耦合原 理实现电能传输只是在传统变压器和感应电机当中得到了运用，基于 此原理以空气为磁介质实现高等级电能传输最开始认为是不可能的， 更不用提通过空气实现远距离的电能传送了。近年来，很多新的方法 应用，无线供电又受到了热捧。在给移动设备进行供电采用无线供电 技术( 晰r e l e s sp o w e rt e c h n o l o g y ) ，简称w p t ，越来越成为人们关心 的课题。w p t 通过无线的方式为用电设备提供电力，它有两大特点： 一是让电器与电源完全分离，使电器在安全性、灵活性、神秘性、密 封性、美观性方面的表现更好；二是w p t 可以透过所有非金属物质 来传递电力，如水、空气、木材、塑料、玻璃甚至土壤等，因此可以 实现隔物供电。这是有线供电无法做到的。 1 1 2 国内外发展及现状 早在1 0 0 年前，特斯拉用工作电压1 0 0 m v 、频率1 5 0 k h z 的电磁波 中职教师在职硕士学位论文 发生器产生非定向电磁辐射成功地点亮了两盏白炽灯。这就是最初的 无线输电实验室演示，从那时起无线输电的概念问世了。到了2 0 世 纪2 0 年代中期，日本的h y a 西和s u d a 论述了无线输电概念的可行 性；3 0 年代初期美国的研究者也开始了不用导线点亮电灯的输电方 案的探讨乜1 。随着大功率、高效率真空电子管微波源的研制成功，2 0 世纪6 0 年代初期r a y t h e o n 公司的w cb r o w n 做了大量的无线输电研 究工作，从而奠定了无线输电的实验基础，使这一概念变成了现实； 在他的实验中设计了结构简单、高效率的半波电耦极子半导体二极管 整流天线，把它放在用来反射电磁波的导电平板之上，纯电阻作为负 载，用低噪声、高效率的放大管和磁空管作为微波源，将频率2 4 5 g h z 的微波能量转换为直流电。b r o 、m 在2 0 世纪6 0 至7 0 年代之间做了 一系列实验，实验方法不断改进( 从喇叭天线、反射面天线到相控阵天 线，从一般的二极管到势垒二极管等) ，射频能量转换为直流电的效率 也不断提高。1 9 7 7 所做的实验中使用g a a s p t 肖特基势垒二极管，用 铝条构造半波电偶极子和传输线，输入微波的功率为8 w ，获得了 9 0 6 的微波一直流电整流效率。后来他改用印刷薄膜，在频率 2 4 5 g h z 时效率为8 5 。经过多年的精心研究，他演示的直流一直流的 转换效率达到5 4 口1 。自从b r o w n 实验获得成功以后，人们开始对无 线输电技术产生了兴趣。斯坦福大学的d u n n 和他的同事也进行了理 论研究，并证明了在半径1 m 的圆波导中以低损耗的t e 0 0 1 模式传输 g w 量级的高功率微波潜在的可行性。他们设想用圆波导传输的微波 能量来驱动城市交通工具( 如封闭的有轨电车或地铁) 。据估计，如果 传输频率1 0 g h z 的t e 0 0 1 波模，每传输1 0 0 0 l ( i i l 的损耗约5 。但是由 于大截面圆波导加工的困难和实际传输过程中波导模式的转换使得 损耗增加，所以没有得到工程上的实施。 美国在宇航局的支持下，1 9 7 5 年开始了无线输电地面实验的五 年计划，由喷气发动机实验室和l e w i s 科研中心承担，将3 0 k w 的微 波无线输送1 6 k m ，微波一直流的转换效率为8 3 。从8 0 年代末起， 一些无线输电试验放在空间一地面、空间一空间之间进行，现在空间站 上的无线输电试验正在进行着。1 9 9 1 年华盛顿a r c o 电力技术公司 使用频率3 5 g h z 的毫米波，整流天线的转换效率为7 2 。毫米波段的 基于松耦合变压器的无线供电充电器技术研究 优点是天线的孔径较小，缺点是毫米波源的效率比厘米波低，器件的 价格也较贵，还有波束传播的雨衰问题。由于无线通信频率的扩展， 为了避免对2 4 5 g h z 频段通信潜在的干扰，美国宇航局倾向把5 8 g h z 的频率用于无线输电。这两个频率点的大气穿透性都很好，相应元器 件的转换效率都很高，价格也便宜。1 9 9 8 年5 8 g h z 印刷电偶极子整 流天线阵转换效率达到了8 2 h 1 。 前苏联在无线输电方面也进行了大量的研究。2 0 世纪5 0 年代末 期，在著名科学家、诺贝尔奖金获得者n k a n l i u a 的直接领导下， 无线输电理论和实验研究拉开了序幕。在他超越时代的研究中，专门 设计了命名为p l a n a t r o n 的微波器件，用来产生和转换微波功率。在 他看来，未来微波电子学的主要研究方向就是微波电力工程，设计大 功率、高效率的微波发生器和微波一直流电转换器是无线输电最紧迫 的问题晦】。在莫斯科大学，以b 几c a b b h h 、b a b a h k e 为首的研究组在 无线输电与卫星太阳能电站方面进行了大量的理论与实验研究( 包括 系统、子系统的设计和相关的微波器件的研制等) 。与微波公司合作， 他们研制出了一系列无线输电器件，其中包括无线输电的关键器件一 快回旋电子束波微波整流器。从1 9 9 6 年开始已将有关回旋波整 流器的技术提供给日本京都大学的m a t s u m o t o 、s l l i n o h a r a 等人，计划 在“自由号”国际空间站的日本模块上进行试验。 2 0 0 7 年6 月，麻省理工学院( m i t ) 以m 撕ns o l i j a c i c 为首的研究 团队首次演示了灯泡的无线供电技术，他们从6 英尺的距离成功地点 亮了一个6 0 w 灯泡。这个实验立即引起了人们的极大关注并进行了广 泛的报道。演示装置包括直径为3 英尺的匹配铜线圈，以及与电源相 连的工作频率在兆赫范围的传输线圈。接收线圈在非辐射性磁场内部 发生谐振，并以相同的频率振荡，然后有效地利用磁感应来点亮灯泡。 他们还发现，既使两个谐振线圈间有障碍物存在时，也能让灯泡继续 发光。 国内无线供电研究起步相对较晚，近年来也得到了一定数量的应 用，尤其是变压器松耦合方案得到了不少的应用，在矿井牵引车的供 电以及在其它安全性要求较高的场合等。明天科技公司还推出了一系 列的无线供电集成模块，电子世界2 0 0 7 第5 期刊出了无线电力 中职教师在职硕士学位论文 传输i c 及其应用，无线电2 0 0 7 第6 期刊出了微距无线供电发 射模块v o x 0 6 m p 0 1 ，掀起了一股无线供电热潮。 1 1 3 无线供电技术前景 在各个领域的应用，无线供电有着传统供电无法比拟的优势。很 多低功耗的设备将摆脱电缆的束缚，也不再使用电池；采用无线供电 技术很多设备的安全性能、可靠性将有较大的提升；电能将能跨越一 些特殊的环境，进行远距离传输；无线局域网也能输送电能，处在网 络覆盖中的便携设备的电源使用时间将大大延长，甚至可以连续使 用；太阳能电站将应用无线输电技术将电能从空间源源不断的送往地 面；应用无线供电技术的很多空间飞行器飞行时间将大大延长。 1 2 本文主要研究内容及目的 本文较详细的论述了几种无线供电的方案，以及无线供电的基本 理论。特别对松耦合变压器的原理及其设计进行了分析，并对松耦合 变压器进行了a n s y s 数学仿真，得出了相关的结论。对锂电池的化 学原理、性能特点和充电方法进行了分析，给出了变压器松耦合无线 充电器设计方案，设计中采用明天科技无线供电模块v o x l 2 m p 0 5 和t i 充电管理i cb q 2 4 0 0 2 ，便携式设备摆脱充电器电缆的束缚，使 用更加灵活。 4 基于松耦合变压器的无线供电充电器技术研究 第二章无线供电基本理论 2 1 电磁波方案 电磁波，俗称无线电波，是人们非常熟悉的一个概念。无线波的 传播是一个复杂的问题，它与无线电传播环境有密切的关系。对无线 电波传播的特性进行研究，用它进行电能的的传送，前人也做了很多 的实验。 2 1 1 无线电波传播机制 无线波的传播与传播经历的路径、发射机频率、收发天线高度等 诸多因素有关，它是一个相当复杂的问题。对传播机制深入了解，并 掌握传播特性是研究传播规律的基础。 无线电波传播机制十分复杂，富于变化。首先，在接收机和发送 机相隔一定距离时，信号强度会发生衰减，在距离发射机不同位置具 有不同的衰减规律。除此之外，信号是经过绕射、散射、反射、折射 等方式进行传播的。 绕射是当接收机和发射机之问的无线路径被具有尖利边缘的碍 障物阻挡时发生的。来自障碍物的二次波在整个空间，其至在障碍物 体的后而都存在。当视线条件不满足时( n l o s ) ，绕射机制也允许无 线电信号的接收。高频绕射，同反射一样，与物体的几何形状以及在 绕射点的入射波的相位、幅度、极化都有关系，绕射现象可以用惠更 斯原理来解释，该原理认为在一个波前的所有点能认为是能产生二次 小波的点源，这些小波在传播方向集合起来产生新的波前。绕射是由 二次小波传到阴影区域而产生的。绕射场的大小是所有围绕障碍物的 二次小波的电场分量的矢量之和。 散射是在传播路径上存在障碍物，且物体尺寸与波长可比拟时发 生的。除了无线电波在更多方向上进行散射外，这种现象的特征类似 于绕射。散射是很难预测的。它是由信道内粗糙表面，小物体，或其 它不规则体引起的。 反射是当无线电波碰到尺寸比入射波长大得多的障碍物时发生 中职教师在职硕士学位论文 的。在接收点，反射波既能减少又能增强信号强度，这主要取决于它 们的相位。当许多反射波存在，接收信号很不稳定，该现象可称为多 径衰落。 折射在宏蜂窝无线电系统设计中十分重要。由于大气的折射系数 不是一个常数，无线电波不是沿直线传播，而是沿着曲线传播，因此 发射机实际覆盖面积更大一些，然而由于大气系数的波动，接收信号 的强度一样是波动的。在室内情况下，大气的折射的影响可忽略不计。 当发射机与接收机之间没有可直达射线时，接收信号是上述信号 的组合。因此，接收信号电平随时间特别是收发之间位置变化而变化 的。即使只有几分之一波长之差，也可能会引起信号改变3 0 d b 左右。 物体对信号的影响与它到接收机、发射机之间的距离有密切关系：当 地面或建筑物等位于f r e s n e l 区域( 一个以发射机和接收机为椭圆焦 点形成的旋转椭圆体) 外，物体对接收点的总电场产生额外的反射和 散射贡献，只会引起接收信号产生较小的畸变，而当物体处于f r e s n e l 区域特别是第一f r e s n e l 区域时，会对接收信号产生一个明显的扰动。 因此，在室内无线设备安装时，应使第一f r e s n e l 区域内的障碍物尽 可能少，以保障信号有效传输。 2 1 2 无线电波传播特性 电波传播特性是与信号传播所经历的路径密切相关的。当接收机 处于不同位置，具有不同的传播特性。在移动通信环境下，电波传播 特性有以下特点阳1 ： 1 自由空间传播损耗信号经过信道时，不可避免地存在损耗，它 与收发距离有关。 2 阴影效应。当移动台在移动过程中，周围地形地物会对电波传 播路径进行阻挡，形成电磁场的阴影，引起接收点场强中值起伏变化， 这种现象称为阴影效应，表现为慢衰落。 3 多径效应。由于移动体周围的局部散射体引起的多路径传播， 使到达接收机输入端的信号相互叠加，其合成的信号幅度表现为快速 起伏变化，即快衰落，或称短期衰落。 快衰落的统计特性：( 1 ) 远离发射机的情况移动台远离发射机情 况下，快衰落信号包络统计，是指在无直射波的n 个路径传播时接 基丁松耦台变压器的无线供电充电器技术研冤 收信号的包络统计特性。每条路径的信号幅度为高斯分布，相位在 0 2 内为均匀分布，则合成信号的包络分布为瑞利( r a y l e i g h ) 分布。 ( 2 ) 靠近发射机的情况移动台靠近发射机的情况下，快衰落信号包 络的统计特性，是指含有一个直射波的n 个路径传播接收信号的包 络统计特性。若每条路径的信号幅度为高斯分布，相位在o 一2 内 为均匀分布，则合成信号的包络分布为莱斯f 砥c i a n ) 分布。( 3 ) 多卜 勒效应。由于移动体的运动速度和方向会使接收的信号产生多卜勒频 移。在多径条件下，便形成多h 勒频谱扩展，对信号形成随机调频的 多h 勒效应。在静止环境下，如果不考虑多径效应以及多h 勒效应， 电波传播特性则简单一些。( 4 ) 应用情况。电磁波奠定，1 。播、电视 和现代通信技术的基础。 213 电磁渡无线供电应用实例 美国一家公司p o w e 疋a s t 开发了一项技术，可为各种电子产品先 电或供l u ，包括耗电量丰 j 对较低的电子产- 帚，诸如下机、m p 3 随身听、 温度传感器、助听器，甚全汽中零音【f 什和医疗仪器。挚个系统基术l 。 包含了两个部件，称为p o w e r c a s t e r 的发射器模块和称为 p o w e r h a r v e s t e r 的接收器模块，前者可插入在插座上，后者则嵌入在 电子产品上( 见图2 一1 ) 。 、型接收器 刚z l 电磁波无线供l n 廊埘实例 发送器发射安全的低频电磁波，接收器接收发射频率的电磁波， 据称约有7 0 的电磁信号能量转换为直流电能。该项技术之所以会得 到多家厂商的青睐，原凶在于它独特的电磁波接收装置，能够根据不 中职教师在职硕士学位论文 同的负载、电场强度来作调整，以维持稳定的直流电压。 2 2 微波供电方案 2 2 1 微波无线电能传输特性 微波无线电能传输主要包括了能量的转换和传输两部分，整个能 量传输过程中涉及的都是大功率信号，与一般的无线通信收发系统相 比，具有自己的独特性。本节主要介绍了微波无线电能传输( 聊t ) 的 特性及理论基础。 作为一种点对点的能量传输方式，微波聊t 具有以下特点： ( 1 ) 能量源和耗能点之间的能量传输系统是无质量的； ( 2 ) 以光速传输能量； ( 3 ) 能量传输方向可迅速变换； ( 4 ) 在真空中传递能量无损耗； ( 5 ) 波长较长时在大气中能量传递损耗很小； ( 6 ) 能量传输不受地球引力差的影响； ( 7 ) 工作在微波波段，换能器可以很轻。 这些特性绝大部分都是非常明显的，但是最后一个特性在空间应 用中特别重要。在太空中，唯一的主要能源是太阳能。所有其它的能 源，如燃料电池，电池组，核能，甚至可以吸收太阳能的天线阵列都 必须克服重力才能传输到太空中。但是微波供能方式将主要的功率源 置于地面，在太空中只留有占系统质量很小部分的微波接收和整流设 备，从而避免了这个缺点日1 。 2 2 2 微波无线电能传输空间传输理论 一个微波能量传输系统的几个基本组成部分( 如图2 2 所示) 阳1 。 空间 传输 7 0 _ 一9 7 0 一_ 9 7 5 9 确8 5 9 2 图2 2 微波传输系统组成方框图 尽管各个部分各自的相关试验中分别都能达到最大的效率，却不能在 董王丝塑全銮堡墨盟垂垡堡皇銮皇矍垫查堕窒 一个完整的系统中同时实现各自的最大值。因此，目前已被实验证实 的最大总效率为5 4 ，如果能将各个部分的传输效率更好地匹配，总 传输效率将有可能达到7 6 。 直流一直流转换效率理论最大值7 6 直流一直流转换效率实验值一5 4 点对点传输效率与传输参数t 密切相关睛1 ，两者关系如图2 3 所示：t 定义为： t = ( 么伪厂) 加( 2 一1 ) 当o 龟 ， 神 o oo 5f o l ，5 2 o2 53 ，o r = ( 以丽) 加 图2 3 效率与传输参数关系 a t 一一发射天线孔径 a r 一一接受天线孔径 r 一传输微波的波长 d 一发射和接受天线的间距 当假定发射天线孔径与接收天线孔径大小相等时，可得到一个关 于天线孔径的简化表达式： 么f = 么厂= 栩d ，9 一 这个表达式说明天线孔径区域随波长的大小而变化，而不是它 的直径。在接收区域大小有限同时又需要接收一个特别强烈的微波能 量的情况下，可以应用以下的关系式： 中职教师在职硕士学位论文 p d = a t p i 好萨 其中： p d 一一接受端微波照射功率密度 p r 一一一发射总功率 a t 发射天线孔径 r 一一波长 d 一间距 天线孔径上能量密度分布如图2 4 所示： 如l o t o 。 象毒 o a l 空 o r j n蕊s 。：厂瓴叁o 、l气 除心 一1ii 孓 1f 龄 穆 i 纛0 0 _ 一 捻 。 、叠 ，z 0 z 一 一蔫2 _ 、 事2 - )心 ，7 a妣 4 o t 婚一舅 图2 4 能量密度分布图 其中，r 是发射或接收天线半径，p 是辐射点至天线中心的距离。 由图2 4 可见电磁场扩展到接收器的边缘以外。 2 2 3 频率的选择 如果没有任何限制地为能量传输选择最佳频率，需要考虑如下的 一些方面： ( 1 ) 天线孔径大小； ( 2 ) 频率对系统整体效率的影响； ( 3 ) 与部件效率直接相关的散热问题； ( 4 ) 恶劣气象条件下的可靠性问题； ( 5 ) 现有可用元件的先进性； 基f 松耦台变压器的无线供电充电器技术研究 ( 6 ) 所选频率对其他电磁波谱的影响。 除了天线孔径及对其他频谱的影响两因素外，以上其他所有因素 均以选择较低频率为宜。对于一些类似于太阳能卫星方面的应h j ，需 要考虑到大气层对微波传输的影响。1 。因此也以采用低频居多。但事 实上，可供选择的微波频率相当有限，目前所用的频率均属于i s m ( 工 业，科技，农用) 频段，分别为2 4 2 5 g h z 、5 8 5 9 g h z 、2 4 卜2 5 g h z 。 224 微波供电应用实例 微波供电一般应用在空间，像太阳能电站等，很多前人提出了很 多的使刖方案。在1 9 8 0 年代，加拿大的通信研究巾心制造了一个小 型飞机如图25 ，这种飞机能够接收从地球而来的能量源。 删25 徽微供电盼小型e 机 利用这能量，这架小飞机能够以2 1 公里海拔的高度，在2 公里的 范围内飞行。最重要的足，这架飞机能够一次飞行数个月的时间。长 时间飞行的秘密就在于地面上有一个大型微波发射器，机身上也有一 个圆型的硅整流二极管天线，能够将接收到的微波转换成直流电。 23 非辐射性谐振磁耦合方案 非辐射性谐振磁耦合案被麻省理工学院( m i t l 以m a r i ns 0 1 a c i c 为首的研究团队采用，他们演示了灯泡的无线供电技术，从6 英尺的 距离成功地点亮r 一个6 0 w 灯泡。这个实验立即引起了人们的极大关 注并进行了广泛的报道。演示装置包括直径为3 英尺的匹配铜线圈， 以及与电源相连的工作频率在兆赫范围的传输线圈。接收线圈在非辐 射性磁场内部发，谐振，并以相同的频率振荡，然后有效地利_ i = | 磁感 中职教师在职硕十学位论文 应来点亮灯泡。他们还发现，既使两个谐振线圈问有障碍物存在时， 也能让灯泡继续发光。这项称为埘c 时的无线供电技术，关键在于 非辐射性磁耦合的使用，两个相j j 频率的谐振物体产生很强的相互耦 合。普通的磁耦合被用于短距离范围，它要求被供电或充电的设备非 常靠近感应线圈，因为磁场能量会随距离的增加而迅速衰减，因而在 传统的磁感应中，距离只能通过增强磁场强度来增加。与此不同， w i t r i c i t y 使用匹配的谐振天线，可使磁耦合在儿英尺的距离内发生， 而不需要增强磁场强度。电磁波无线功率传输虽然有较长的传输距 离，但传输的功率只= f 丁几微瓦到几毫瓦。该团队在成功地点亮灯泡后， 川时蹬汁一个装置来演示以无线方式对笔已奉电脑进行供电( 如图 26 和2 7 ) 。电能通过导线1 输送至1 0 m i z 谐振线圈天线2 ，“能量 尾巴”3 到达6 5 英尺步 的接收线刚接收线圈4 以相同频率谐振， 接收的电能经耦合匹配，整流后供笔记本电脑使用。用来传输的电能 5 驻留在谐振场中，小像辐射电磁波将很多电能浪费在辐射空间中。 圈26 笔记本供电不意图 豳2 7w l t n c l t y 无线供电装置示意i f j m i t 研究人员认为，他们发现的是一种全新的无线供电方法 辐射电磁能谐振隧道效应。例如在微波波段，一个号角波导产生 啦 吣菇 参波 一 茎王坠塑全銮垦矍箜歪垡垡皇壅皇矍垫查堑塑 衰减( e v a n e s c e m ) 电磁波，倘若接收波导支持相应效率的电磁波模式， 即衰减场传播波模式，能量就从一个媒体以隧道方式传输至另一个媒 体。换句话说，衰减波耦合是隧道效应在电磁场中的具体体现。在本 质上，这个过程与量子隧道效应相同，只是电磁波替代了量子力学中 的波函数。这个方法也称为共振感应耦合，以区别于普通电磁感应耦 合，它使用单层线圈，两端放置一个平板电容器，共同组成谐振回路， 减少能量的浪费。 当然，有研究人员认为m i t 的实验可用电磁波近距离( 在波长的 范围内) 辐射原理来解释，此前已有类似的技术，比如无源i 心i d 标 签。谐振耦合虽能增加传输距离，但因增加了一个电容器，从而也增 加了体积。此外，谐振回路有一个重要参数品质因子，高品质因子表 明谐振时能量损耗少，另一方面，高品质因子意味着谐振带宽窄，会 带来系统设计的难度。除了上述因素，这个方案还要考虑： ( 1 ) 安全性：人们佩带的金属质项圈、项链等也是一个环形线圈， 在某些场合若形成谐振回路会影响系统工作，也存在一些不安全因 素。 ( 2 ) 串扰：串扰是同一个场所内各种电磁波间不希望有的耦合。 这个问题是现实存在的，应予以关注和解决。 ( 3 ) 效率：线圈之间的耦合有极强的方向性。平行时耦合强，垂 直时几乎没有耦合，被供电设备的放置会对效率有很大影响。 2 4 磁耦合方案 2 4 1 变压器磁耦合基本理论 非接触式电源技术主要利用了电磁感应耦合原理。最早的有关感 应电能传输技术是日本国家研究院与y a s k a w a 电气公司于2 0 世纪八 十年代联合提出来的，到了九十年代初期，新西兰奥克兰大学电子与 电气工程系电力电子学研究中心以p r o b o y s 为中心的课题小组开始 对其展开研究，并将其正式定名为感应耦合电能传输技术( i n d u c t i v e c o u p l e dp o w e r t r a n s f e r ，简称i c p t ) n 引。即变压器松耦合无线供电。 在这之后，p r o b o y s 及他所领导的课题小组对感应耦合电能传输技术 进行了一系列的深入研究，系统地探索了谐振技术在i c p t 技术中的 中职教师在职硕士学位论文 应用，电流传输频率与系统的稳定性之间的关系，多负载控制问题、 电路品质因数对于整个系统的影响、电流谐振环问题、1 0 l ( h z 的i c p t 系统实现问题等，在理论上与实践上取得了的重大突破，并获得了多 项专利技术，为此，p r o b o y s 获得了新西兰皇家学会勋章以表彰他在 此领域的突出成就。与此同时，非接触式的电能传输技术迅速成为电 气自动化领域中的研究热点，日本、德国、法国及美国等国家的科学 家相继在该领域里展开了科学研究，并且取得了一系列的成果。如日 本的工厂行车、电动机车，德国b w m 公司的装配机器人、美国及英 国的无线充电器等产品都是非接触式感应耦合电能传输的一些典型 应用。 2 4 。2 磁耦合供电工作原理 非接触式感应耦合电能传输技术利用了现代的电磁理论如电磁感 应理论与变压器理论，结合了当今最新的电力电子技术与微机实时控 制技术，实现了电能的非接触式传输。其原理框图如图2 8 所示： 松耦合 变压器 原副 边逮 图2 8 非横触式电源的电能传输框图 利用交流工频电源作为非接触式电源的能量供应源，可采用两相 或者三相的工频电源，具体情况根据实际的电源容量要求进行合理的 选择，工频电源在经过整流环节之后向逆变电路提供平稳的直流电 流，该直流电流经过逆变电路的高频逆变之后向松耦合变压器的原边 提供高频交变电流，松耦合变压器作为非接触式电源的关键部位，其 原边线圈中通过的高频电流向外界辐射电磁能量并在副边线圈中产 生电磁感应，在副边线圈中得到的感应电动势在通过交一直或交一直 一交等变换后向用电设备提供u 、i 参数适合的电源，从而完成非接 触式电源的整个能量传输过程。 非接触式电源技术与传统的电源能量供应模式相比较最为突出 的优点是能够实现电能的非接触式传递，而这一点的实现是通过高频 电流向空间辐射电磁波的形式来实现的，这就要求在松耦合变压器中 基于松耦合变压器的无线供电充电器技术研冤 其原边线圈与副边线圈之间相隔有一段较长的空气磁路，这也是松耦 合变压器与传统的变压器之间的区别。根据磁路的欧姆定律及安培环 路定律，考虑到空气的磁阻远大于铁芯的磁阻，因此磁路的磁动势降 主要分布在空气磁路部分，随着空气段磁路磁阻的增加，需要在松耦 合变压器的原边产生较大的激磁电流，而激磁电流的增大一方面会增 加整个变压器的体积，另一方面会降低整个变压器的能量传送效率。 为了提高整个电源系统的电能传输效率，缩小器件的体积，提高能量 密度，这就要求在松耦合变压器的原边中通过高频电流，利用高频化 来提高整个电源系统的能量密度，在电路中加入整流及高频逆变环 节，提高松耦合变压器的原边中的电流频率，从而减小激磁电流，达 到缩小电源体积提高电能传输效率的目的。 2 4 3 感应电能传输技术的基本结构 本文所介绍的非接触式电源主要由原边整流电路部分、高频逆变 电路部分、松耦合变压器部分、副边能量接收线圈的整流及稳压部分、 用电设备的供电控制部分等五部分所组成。工频交流电流经过整流及 滤波电路之后向高频逆变器提供平稳的直流电源，直流电源在经过高 频逆变之后向松耦合变压器的原边输送高频交变电流，逆变器输出的 交变电流在松耦合变压器的原边( 能量发射线圈) 中流过时会产生高 频的电磁辐射，利用合理设计的松耦合变压器的副边( 能量接收线圈) 产生感应电动势，该感应电动势在经过整流滤波等电流电压参数调节 之后向负载传送稳定的电能，考虑到多个能量接收线圈的存在，必须 在用电设备端加上负载供电控制单元以保证整个电源系统运行的稳 定性与可靠性n 妇n 2 m 3 h 1 。整个非接触式电源的基本结构如图2 9 所 示。 图2 9 非接触式电源系统基本结构图 中职教师在职硕士学位论文 ( 1 ) 整流电路部分 根据实际需要可以选用3 8 0 v 的三相工频交流电源作为供电电源， 则经过整流滤波等环节后得到5 0 0 v 左右的直流电流；也可以选用 2 2 0 v 单相工频交流电作为供电电源，则得到3 0 0 v 左右的直流电源( 如 图2 1 0 所示) 。 一： jk = _ 一 2 2 0 v ji】 【 图2 1 0 单相桥式整流电路 考虑到非接触式电源的实际特点与本文的要求，这里只考虑2 2 0 v 的 单相工频电源作为系统的供电电源，在经过降压整流滤波后得到适合 的直流电源，供给高频逆变器进行高频逆变。 ( 2 ) 高频逆变电路及松耦合变压器 整流电路所得到的直流电须经过高频逆变电路逆变之后才能向 松耦合变压器的原边供电，而考虑到整个电源系统的实际情况，即松 耦合变压器的原边与副边之间的耦合系数远低于普通的变压器，因此 必须设法减少电能传送时的电路损耗。而开关i g b t 管在进行高频开 关切换时由于施尾电流等的影响，如果直接采用硬开关的话会造成较 大的功率损耗，因而我们选取了基于谐振变换技术的软开关逆变电 路。电路原理图如图2 1 1 所示。 图2 1 1 逆变电路 1 6 墨：王坠塑鱼銮垦墅堕垂堡堡皇銮皇量垫查堕壅 如上图示，高频逆变电路可采用全桥或半桥的方式，此处采用了由 4 个i g b t 管组成的全桥谐振逆变电路，结合具体的移相控制方法， 从而实现电路的软开关，减小电能传送损耗。 松耦合变压器是实现非接触式电能传递的关键机构，其磁路中存 在有部分空气磁路，与普通的变压器比较松耦合变压器的漏感较大。 为了实现用电设备的移动性要求，松耦合变压器的物理实现必须有利 于负载的灵活移动，而选用e i 型铁芯的松耦合变压器能有效地实现 原、副边线圈的相对移动性要求。 ( 3 ) 松耦合变压器的物理实现 对于在非接触式电源系统中所采用的松耦合变压器( l o o s e l y c o u p l e dt r a n s f o m e r ) ，根据系统的实际要求，考虑到移动电气设备的 移动性要求，松耦合变压器必须有利于负载的灵活移动，因此在本系 统中将松耦合变压器的原边通过导轨线圈的形式来实现，也即原边线 圈为一单匝的线圈，而副边线圈的匝数可根据系统的实际要求来进行 调节n 钉n6 l 。松耦合变压器的原理结构图如图2 1 2 所示： 卑轨 ie 彤铁芯 图2 1 2 松耦合变压器 虚线的左边为松耦合变压器原理框图，右边为松耦合变压器具体 剖面图，其中导轨线圈通过支架固定，而拾取线圈及e 形铁芯装配在 用电设备上，从而通过松耦合变压器原副边的灵活相对移动，实现非 接触式电能供应。 中职教师在职硕士学位论文 ( 4 ) 负载侧电能参数调节及负载控制 对于非接触式电源的负载侧的控制方法及整个负载部分的参数 调节，根据不同的负载设备的实际需要大致可分为不同的电路拓扑， 其原理如图2 1 3 所示： p c 卜拾取 整流 上 u ，i ：线圈环节 t 调节 图2 1 3 负载侧电能参数的调节 拾取线圈中所获得的感应电动势在经过整流变换成直流电，整流电路 根据实际需要可采用半波整流或者全波整流，在经过一些稳压及滤波 措施之后，考虑到松耦合变压器的耦合系数，通常整流过后的电流电 压达不到用电设备负载侧电能参数的调节备的电压要求，因此需要加 入一个由升压电路组成的开关模式控制器来对负载处于不同的工作 状态时进行相应的u 、i 控制n 引，以便使用电设备处在合适的工作状 态下。 本章小结： 本章主要介绍了电磁波无线供电、微波无线供电和磁耦合无线供 三种方案的有关理论及其特点，其中重点介绍了变压器磁耦合的基本 理论，磁耦合无线供电的工作原理和感应电能传输技术的基本结构。 基于松耦合变压器的无线供电充电器技术研究 第三章松耦合变压器的原理及其设计分析 3 1 松耦合变压器概述 松耦合变压器作为非接触式电能传输系统的一个关键设备，在原 理上与常规变压器有相似之处，然而由于松耦合变压器的空气磁路长 度远远超过了常规变压器的长度，因而其拥有自身的许多的特点，如 能为用电设备提供非接触式的电能供应等，具有很好的应用前景。其 数学模型与常规变压器的数学模型区别不大，主要是松耦合变压器本 身的参数与常规变压器相比有较大的不同。如松耦合变压器的磁路中 有较大距离的空气磁路，磁动势中相当一部分消耗在空气磁路部分， 因此需要很大的激磁电流，从而导致其漏感较大，耦合系数不高；而 常规变压器的磁路中气隙很小，其磁动势降主要分布在铁芯磁路部 分，而铁芯所具有的高磁导率决定了常规变压器的磁阻较小，因而需 要较小的激磁电流。 3 2 松耦合变压器的分类与结构 根据非接触式电源的不同应用领域，松耦合变压器又可以分成原 副边相对滑动式n 引、原副边相对静止式等几种不同的结构类型。本文 主要讨论原副边相当静止的。 某些场合，如对于人体内植式医疗电子设备的供电，对于一些 电池的非接触式充电等，需要采用一种相对静止的非接触式供电方 式，对于原副边线圈相对静止的松耦合变压器目前具有两种不同的结 构类型，一种是采用无铁芯的形式，此时原、副边线圈采用扁平型结 构；另一种采用有铁芯的结构，利用两个e 型铁芯对接或利用两个c 气隙 囟 一主磁通 一漏磁通 图3 1 罐形铁芯松耦合变压器 1 9 中职教师在职硕士学位论文 型铁芯都可以进行非接触式的电能传输。图3 1 所示为一采用两个半 罐形铁芯所组成的松耦合变压器示意图，该松耦合变压器采用近似于 对称的两个半罐形铁芯来进行电磁能量的传输，图中的粗实线表示主 磁通的方向，而虚线表示漏磁通的方向，由图3 1 可见，主磁通主要 从铁芯中通过，也有一部分漏磁通没有经过主磁路而直接经过空气形 成了回路。这种罐形的铁芯能有效地减小漏磁通，提高原、副边线圈 的耦合系数。 3 3 松耦合变压器数学模型 由前述可知，松耦合变压器是在常规变压器的基础上设计而成 的。因而对于松耦合变压器的数学模型可以在常规变压器模型的基础 上进行分析。 如图3 2 所示为普通双绕组变压器和松耦合变压器的示意图，其 叠。b 图3 2 普通变压器和单匝原边松耦合变压器 中a 所示为变压器的通用模型，即变压器的原、副边线圈匝数可为 一变比。而图b 所示情况为当变压器的原边匝数为一匝时的情况，这 也是松耦合变压器在非接触式电源系统中运用得最多的一种情况。