简易无线供电系统设计（不太全供参考）.doc

简易无线供电系统设计（不太全供参考）摘要:无线供电是一种方便安全的新技术,无需任何物理上的连接,电能可以近距离无接触地传输给负载.本文根据电磁感应原理,设计了一种简易的无线供电原型,并对其进行了一个初步的分析和探讨.该系统相当于一个分离式疏松耦合变压器,选用Ferrite芯增加其耦合效率、减少漏磁.关键词:电磁耦合,无线供电,铁氧体Design of A Simple Wireless Powering SystemDepartment of Control Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P.R.ChinaAbstract: Wireless powering system is a new technique, which is convenient and safe. Power energy can be transferred to the load without any physical connections. Based on electromagnetic coupling, this paper presents a simple wireless powering prototype, as well as its primary analysis and discussion. It works like a loosely coupled transformer whose primary side and secondary side are detachable. Ferrite pot core is used to improve the coupling efficiency and reduce the magnetic leakage.Key words: Electromagnetic Coupling, Inductive Powering, Detachable Transformer, Ferrite引言通常,对手机、笔记本等移动设备的电池充电时需要一个充电器,一端连在市电电源上,另外一端连在移动设备上,频繁的插拔不但使用不便,而且容易损坏,同时也不安全.在工作环境恶劣的场合,比如水中,应该尽可能避免电气接触.有时,需要对封闭容器内的传感器等电路供电,一般采用电池.然而,电池的使用寿命毕竟有限,当电量耗尽时,将封闭容器打开更换电池是非常麻烦的事情,有时也是不允许的.鉴于这些情况,本文设计了一种近距离无线供电方案,无需任何物理上的连接,通过电磁场感应原理,将电能以无线的方式传输给负载.这种近距离无线供电技术有着广泛的应用前景.比如无线充电器,只需将手机、PDA等移动设备放上去,无需插拔连线就可以充电,给人们的生活带来了很大的方便.目前,国际上对无线供电技术的研究起步不久.本文设计了一种简易的无线供电原型,并对其中一些问题进行了初步的探讨和分析.基本原理根据电磁感应原理,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场.变压器就是基于这一原理工作的,它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载.一般的变压器的原边和副边由闭合铁心(或其他磁性材料)连接在一起,原线圈和副线圈之间紧密耦合,不可分离.如图1(a)或图1(b)所示.图1 一般的变压器(不可分离紧密耦合)本文提出的无线供电原理与变压器类似.但与一般变压器不同的是,它的原边和副边是分离的,没有任何物理上的连接接触,如图2所示.相对于紧密耦合的变压器来说,这种疏松耦合的结构具有相对较大的漏磁.原边和副边之间的空隙(Gap)越大,漏磁越大.为提高系统的传输效率,减少电磁辐射对人体的影响,在本系统中,Gap DC转换器,输出指定的电压值给负载供电.由于原线圈和副线圈的电感、耦合系数等因素的互相关联,上述电路的完整分析比较复杂,下面只进行一下简单的分析.在忽略线圈的分布式电容、电阻和磁芯损耗电阻等的影响下,图3的简易等效电路图如图4所示.图4 简易等效电路图设原线圈电感L1,副线圈电感为L2,它们之间的互感为M,则耦合系数k为,原边线圈电感L1被分成两部分,一部分是其漏磁电感L1,leak,另一部分是磁化电感L1,m,它们的值如图4中所示.根据阻抗变换规则,副边的电容C2和负载阻抗ZL等效到原边后的阻抗如图4中所示.为了降低损耗,增加系统的效率,原边补偿电容C1应与原线圈的漏磁电感L1,leak构成串联谐振电路.原线圈的磁化电感L1,m与副边补偿电容C2的等效电容构成并联谐振.根据谐振时,将两组谐振电路的电容值和电感值带入公式(2)中,分别有,公式(3)和(4)为估算电容C1和C2提供了依据,还需要与试验的方法相结合,测试出合适的值.磁性材料为了使励磁电流产生尽可能大的磁通,增加原线圈与副线圈之间的耦合系数,同时为了减少漏磁辐射对人体的危害,图2中的原边磁心(Primary Core) 和副边磁心(Secondary Core)选用了Ferrite Pot Core,其形状和基本材料属性如图5所示.磁性材料可分为硬磁材料和软磁材料.其中软磁材料磁导率大,矫顽力小,磁滞损耗低,磁滞回线成细长条形状,这种材料容易磁化,也容易退磁,适用于交变磁场.同时还要通过磁路计算,选用的磁性材料饱和磁感应强度要大于实际的磁感应强度需求.还要注意磁性材料损耗与频率的关系特性.图5 Ferrite Pot Core的形状和材料对于图5中所示的形状,缺口G处是为了线圈线引线的方便,为防止漏磁,缺口应该足够小.内圈(F)和外圈(A-E)足够大有利于增加原线圈与副线圈中心轴线不吻合时的耦合效率.结束语本文设计了一种简易的无线供电原型,并对电路模型、耦合结构和磁性材料等问题进行了初步的分析和探讨.由于其方便、安全等特点,无线供电技术有着广泛的应用前景.参考文献:1 Sakamoto, H.; Harada, K.; A novel converter for non-contact charging with electromagnetic coupling ,Magnetics, IEEE Transactions on , Volume: 29 , Issue: 6 , Nov 1993 Pages:3228 - 32302 SMD Coil Formers and Cores, technical note, Philips Magne