非接触电能传输的实验电路设计

刘一纬　黄矗　胡文港

摘 要：传统的电能传输方式常采用诸如插头、开关等机械接触，在化工、采矿、水下等易燃易爆的特殊场合极易引发事故。另外，随着医学上人工器官以及体内诊疗装置的迅速发展，体内充电的要求变得更加迫切。而传统的能量传输方式需要用导线将体外与体内的装置直接连接，给病人带来了极大不便并易导致皮肤感染等痛苦。非接触式电能传输技术将祸合器的磁路分开.初、次级绕组分别绕在不同的铁心上.实现了电源和负载之间非机械连接的电磁能量传递.可望解决上述特殊场合所存在的问题。

关键词：电能传输；机械接触；非接触式

1 研究的目的及意义

电能是传统石化燃料的主要替代能源，并且在实际应用中电能也是最好的取代和应用的清洁能源之一。但是电池在目前的技术水平下有两个个问题无法解决：一是充电时间长；二是续航时间短。各行业寄希望于电池行业能够早日实现技术突破，解决掉这两个技术难题。然而，电池技术在短时间之内是很难有质的飞跃。方便、舒适、美观逐渐成为人们对新时代生活用品的要求。在人们长期因为用电器件的供电问题烦恼时，出现了非接触式电能传输并且发挥了它应有的价值、优势和功能。

非接触电能传输技术的基本目的就是实现不通过输电线，直接将电能通过电磁波的形式发送到需要用电的地方。而对于电能的传输也就是电能的利用上最关注的就是：

安全性：通过电磁波进行电能传输，产生的较大的电磁波不能对环境中其他的生物产生任何的影响。

小型性：原本是为了解决电能传输的方便性，但是也不能因为取代了输电线传电的方式而带来了较大的笨重的仪器设备。应该设计出方便携带，基本不影响美观、重量的输电模块。

稳定性：尽量是输入端输入的电能的波形与输出端输出的波形一致，尽量避免波形的失真。并且，如何使得每一点

高效性：对电能的利用率问题，这也是最值得关注的，利用空气中电磁波的电能传输，必将有大量的能量浪费。哪些因素会影响电能的传输效率，提供怎么样的环境可以使电能的传输效率提高。

2 系统设计主要任务

电路结构：

3 硬件电路设计

电源端设计：

图1中，L1、L2、L3大感量电感是作为推挽输出的模拟电流源。IRF840是NMOS管，电路中作为开关器件。C1和L4组成谐振频率为100KHz的RL振荡电路。

LC并联谐振电路的谐振振荡频率：

当电路通电时，两个MOS管所组成的半桥电路便开始工作。由于电路中的噪声，两个MOS管开关频率是不确定的。由于电路中的噪声频域范围很广，必然含有100KHz左右的噪声。而LC并联电路对100KHz的频率有选频作用，100KHz的分量就会被放大。从而100KHz的频率便占到了主导作用，MOS管的开关频率便稳定到100KHz。

本电路的选用的NMOS管是IRF840，最大导通饱和电流Is=8.5A，门控电压VGS=2.0-4.0，静态电阻RDS=0.7Ω，符合本电路的设计要求。一方面，MOS管作为电子开关；另一方面MOS也作为放大电路使用。

电路稳定后，通过仿真得到的结果：

峰值电压：Vp-p=±15.3V

电压有效值：Vrms=7.7V

频率约为97.5KHz

接受端电路设计：

经过LC震荡电路，电磁波由电感线圈发出。接收端电感线圈通过空气与原边电感线圈耦合，感应出电动势。感应出的电动势是交流的，而所使用的空气泵确是直流电动机。因此，通过桥式整流把交流电整流为直流。

在接收端电感并联补偿电容，二次回路将会产生LC振荡电流，无功功率增加，从而电感L5上的电流增大，加大传输效率。通过整流桥和47uF的大电容使电压波形稳定，稳压二级管进一步稳定电压，从而获得较为可靠的直流电压。R1是等效负载。

结论：本设计完成了从仿真软件Multisim上实现了100KHZ的振荡频率的谐振电路，并且模拟实现了从直流到交流，又经过功率放大电路产生较大功率的振荡电流，加大了传输效率，之后在接收端有通过LC振荡电路接收信号，最后将受到的交流电又转化为直流电，实现了电能的非接触传输。

4 结束语

非接触充电能够克服传统电能传输方式的很多缺点，具有很大的市场和研究价值。展望未来，随着技术和材料的不断进步，效率更高、更加安全可靠的非接触供电将出现在我们的生活中。这将弥补移动终端以及电动汽车电池续航能力差，充电不方便等缺点，进一步方便我们的生活。