磁耦合谐振式无线电能传输节能装置

任兴宝 郭鲁

沈阳工学院

磁耦合谐振式无线电能传输节能装置

任兴宝 郭鲁

沈阳工学院

本文利用磁耦合谐振理论进行无线电能传输，同时采用超声波测距的方式进行节能保护。掌握了电能传输的最佳距离，从而提高整个无线电能传输系统的效率，同时对无线电能传输有效的节能。

磁耦合谐振电路 无线电能传输装置 超声波测距

在无线电能传输过程中，为了达到电能传输的最佳状态，可以通过修改发射部分和接收部分之间的距离来实现。通过显示装置调整好发射部分与接收部分间的最佳距离，可以达到提高无线电能传输的效率。

1 磁耦合谐振式电能传输工作原理分析及计算

基于磁场耦合谐振的无线电能传输装置由高频驱动电路、发射回路和接收回路构成，其中发射回路包括驱动线圈和发射谐振线圈，接收回路包括接收谐振线圈及负载线圈电路。发射线圈和接收线圈均为两个固有谐振频率相同的LC电路，当驱动信号频率与线圈固有谐振频率相同时，发射、接收线圈发生谐振，在磁场的作用下两线圈之间产生很强的耦合，实现电能的无线传输，如下图1所示就是本设计的简化模型。

图1 磁耦合谐振式无线电能传输系统简化示意图

磁谐振耦合无线电能传输系统主要由高频驱动信号、驱动线圈、发射线圈、接收线圈、谐振电容和负载回路等构成。为简化系统分析，仅对发生谐振耦合的发射和接收两线圈进行等效分析。谐振耦合式电能无线传输系统等效电路模型如图2所示，其中U为理想高频信号源，频率为分别为发射线圈、接收线圈在高频下的电感量，分别是发射、接收线圈在高频下的寄生电阻，分别为发射、接收线圈的匹配电容(线圈自身分布电容可以忽略不计)，RL为负载电阻，M为两线圈之间的互感系数，D为两线圈之间的距离。

图2 磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路

负载电流有效值IL、输出功率P0：

其中，P1为发射线圈上损耗的功率，P2为接收线圈上损耗的功率。

对于确定的磁耦合谐振式无线电能传输系统(谐振频率ω0以及RS、RD、RL已定)，当系统的频率ω变化时，传输效率η也发生变化。当系统的驱动信号频率与线圈的谐振频率相同即ω=ω0时，传输效率η最大；当系统的驱动信号频率偏离线圈的谐振频率时，传输效率逐渐下降。

2 磁耦合谐振式无线电能传输的节能保护的设计

本程序利用超声波测距模块，运用51单片机进行编程控制以显示发射端与接收端的实时距离，以起到实时监控无线传输电能动态的功能，当电压、电流过大时，通过单片机控制，发射端电源断电以起到保护电路的作用，当电压、电流过小时，发射端电源也进行断电工作，以实现节约环保的目的。

3 预测结果的比较和分析

分别对有节能保护装置和无节能保护装置的磁耦合谐振式无线电能传输装置进行数据分析如下表1所示。

表1 测试结果（数据）

综合上述两种方法的分析，可以看出装有节能保护装置的磁耦合谐振式无线电能传输装置的时间短、效率高的完成任务，能够很好地满足实际生产要求，可以给予磁耦合谐振式无线电能传输装置提供有效的指导。

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郭鲁