新型非接触供电的磁悬浮灯饰的研制*

张志强，毛晓波

(郑州大学电气工程学院，郑州450001)

新型非接触供电的磁悬浮灯饰的研制*

张志强，毛晓波*

(郑州大学电气工程学院，郑州450001)

提出一种非接触供电与电磁悬浮技术相结合的实现方案。非接触供电利用电源测的线圈产生的交变磁场耦合到负载侧的线圈，进而将电能传递给负载，而电磁悬浮技术是利用电磁力来控制物体悬浮的空间位置。将两项技术相结合，研制了一种无线供电磁悬浮灯饰。灯头可在距顶座约2 cm～3 cm位置悬浮发光，实现预期效果。灯饰具有安全便利、美观别致、照明效果好等特点，具有良好的市场前景。

控制工程;无线能量传输;磁耦合;电磁悬浮系统;灯饰设计

非接触输电和电磁悬浮技术是近年来的新兴技术，两项技术分别基于静磁场和高频磁场，在空间中叠加相互之间的影响很小，因而将两者结合应用成为可能［1］。通过对这两种技术的研究，设计出一种新型灯饰，做到了电源与灯泡的空间隔离，降低触电危险，提高了灯饰整体的安全性与美观性。

1 系统总体结构与工作原理

利用电磁悬浮将灯饰脱离灯头，采用相匹配的无线共振变压器对灯饰供电，系统结构如图1所示，由电磁悬浮模块和非接触输电模块构成。

电磁悬浮模块由带着铁磁芯的电磁体和霍尔传感器构成。电磁体放在装置的顶部，通过在线管内部插入铁芯，使螺线管的磁性大大增强，将电磁铁起作用的有效范围向下扩展。在电磁体底部和白炽灯泡里面分别安装一小堆直径0.5 mm的磁体，实现电磁铁对悬浮物体的磁力作用。在电磁体的两端分别装有霍尔效应传感器，通过其差分信号来确定灯泡的位置。差分信号的不同引起电磁铁绕组的电流不同，因而产生的电磁力也会发生变化，通过不断的调节，使得电磁力与灯泡的重量相同，灯泡便可实现悬浮。

图1 系统总体结构图

非接触输电模块的发射端初级谐振线圈放置在电磁体底端，与电磁铁垂直。其接收端次级线圈放置在灯泡磁体附近，与小磁铁平行放置。通电的初级谐振线圈产生的交变磁场耦合到接收端的次级线圈，进而将电能传递给灯泡，实现对灯泡供电［2］。

2 非接触输电系统分析与设计

现有的非接触电能传输方式主要有感应式电能传输、谐振耦合电能传输和辐射式电能传输即微波电能传输［3］。感应式电能传输虽然理论已经相当成熟，但由于其仅能在毫米级或是毫瓦级的传输能量，应用上仍然较为有限。而微波输电由于电能传输过程中直流电转换为微波的效率、微波空间传播的效率以及接受天线射频转化直流电的效率都不高，整体不高的能量传输效率就成了发展中的硬伤。相比之下，基于共振的原理，电能发射端与接收端线圈发生电磁谐振耦合，构成空间上的短路，可以使能量从损耗最低的路径传输，传输效率得到可靠保证。在适当的线圈直径与谐振频率下，谐振耦合式输电的传输距离可以延伸至几米到几十米的范围内。这些特点让谐振耦合式输电越来越得到人们的重视［4］。

2.1 谐振耦合式输电原理

谐振耦合式输电系统是基于共振的原理，在发射和接收设备间产生共振能量传输通道，进而高效地传输电能。当发射端以某一频率发生振动时，接收端自身的谐振频率正好与这个频率相同，两者就可发生共振，此时接收端负载振动幅值达到最大，将发射端发射的能量大部分吸收，完成能量的传输。

将线圈作为高频发射源，根据接受端到线圈中心的距离，可将发射源周围区域分为两部分，如图2所示:从线圈中心到λ/(2π)的距离内称为近场区，而λ/(2π)到无穷远称为远场区。由于近场区的电磁场强度远比远场区强，且近场区内的电磁场强度随距离变化很快，故谐振耦合式输电的距离主要是在近场区。

图2 发射源近场与远场的划分

一个完整的谐振耦合式输电系统主要包括高频功率源，两个谐振空心线圈以及谐振电容，同时还需要发射端线圈、接受端线圈和负载，如图3所示。高频功率源HP为具有一定功率的高频电压源或电流源，作为非接触输电的发射源;隔空传递能量的收发线圈分别是LS、LD(其中S代表发射端，D代表接收端);CS、CD分别为LS、LD的谐振电容;空心线圈L1将能量感应到与它相邻的发射线圈LS上;R1为电源内阻;L2、RL组成负载回路。为减少负载回路电抗对系统谐振频率的影响，L2做成单匝线圈，则负载回路的感抗很小，也不存在杂散电容，容抗可以忽略，负载端等效到线圈LD的阻抗即为纯电阻。线圈L2将感应能量供给负载RL，从而完成系统能量的传输［5］。

图3 谐振耦合式输电系统原理图

图4 谐振耦合式输电系统简化模型

图3的简化等效模型如图4和式(1)～式(3)所示。高频电源看作理想电源，忽略电源内阻和小电感L1等效到发射回路的等效阻抗，忽略负载侧小电感L2等效到接收回路的等效感抗，负载等效到接收回路为RW。US表示前级感应电压源;M为发射线圈和接收线圈之间的互感量［6］。

在电路中只有电阻才会消耗能量，而电感、电容不会消耗能量，它们只是不断地储存和释放能量。当电路的输入电压或输入电流为恒定时，电路中的电抗较大时会使电路中的无功功率较大，从而减小系统的输出功率和效率。谐振可以使电路中的电抗为0。只有当发射回路和接收回路同时达到谐振时该输电系统的效率达到最大［7］。当收发线圈距离靠近时，它们之间互感系数增加，发射回路和接收回路之间的影响增大，则接收端阻抗等效到发射端也会增大。当发射回路的电抗XS=0或接近0时，该发射回路即达到谐振状态;同样，当接收回路的电抗XD=0或接近0时，该接收回路即达到谐振状态［8］。

可推导得出，输入功率Pin和输出功率Pout分别为:

于是得传输效率η为:

可见，系统的传输效率受到谐振角频率ω、线圈的互感M、负载RW以及线圈内阻的影响。随着谐振频率f、线圈的互感M的增加，效率η提高;随着负载RW的增加，效率η会先增加后减小。系统的效率与发射端谐振无关，当接收端达到谐振，即

系统的效率达到最大。结果说明在谐振耦合式输电系统中，只有接收线圈发生谐振(而与发射端的谐振无关)时，等效到发射端回路的等效阻抗达到最低，线圈中流过的电流就最大，此时系统的效率达到最大值。

对电路进行仿真分析后，我们可以得出频率、距离和负载对谐振耦合输电系统的影响特点:接收回路谐振时，效率达到最大值。随着频率的增加，输出功率会先增加后减小;随着系统频率的升高系统的效率都会不断的上升。随着距离的增加，输出功率会先增加后减小;效率会随着距离的增加而减小。

2.2 非接触输电系统硬件构成

谐振耦合式输电系统的各个部分需要满足一定要求，才能得到较高的效率。由于系统是在高频(1 MHz左右)下工作，高频功率源需要输出一定的功率且具有较高的效率。另外电容和电感线圈在高频下均有高频效应，需要考虑［9］。图5为谐振耦合式输电系统构架，220 V交流电经过AC/DC整流器转换成直流，再经过高频DC/AC变换器转换成高频交流电;发射端谐振回路再将此高频交流电通过谐振耦合发射给谐振回路，将能量传递给负载，完成整个电能传输。

图5 谐振耦合式输电系统框架

发射端电路如图6所示。在集成芯片XKT-408A的控制下，芯片T5336输出一个可控的低电压，进而通过直流电压与T5336的输出电压的电压差来控制L1和C3的LC振荡电路，发射出稳定的高频电磁波。其中发射线圈线径0.5 mm，线圈外径38 mm，电感量30μH。

接收端电路如图7所示。当接收线圈靠近发射线圈时，在接收线圈中产生感应电流。这里采用大电流定制芯片T3168将接收端得到的交变信号转为5 V的直流信号，其电流大小达到500 mA，并有较强的后级驱动能力，可以有效地为灯饰供电，并实现各种其他功能。

图6 非接触输电系统发射端电路图

图7 非接触输电系统接收端电路图

3 电磁悬浮系统分析与设计

3.1 电磁悬浮系统工作原理

电磁悬浮系统所需要解决的问题主要是不稳定系统的反馈稳定化。测量一个有磁力的悬浮物体位置的方法一般有两种［10］:

(1)从悬浮物体的一边射一束光线，在另一边通过检测投射的光线来确定悬浮物体的位置。这种方法在很多情况下需要采用调制解调器去降低信号中的噪声。

(2)通过霍尔效应传感器检测附近的永磁体的位置。在任何指定的位置，基于物体当时的动态和电磁体当时的牵引力，霍尔传感器能够感应到永磁体叠加电磁强度的位置的全部磁场，在电磁体的上下两端放置霍尔效应传感器，利用它们的差分反馈信号去感测悬浮物体的位置。

考虑到电磁干扰等环境因素影响，采用方案(2)，利用两个霍尔传感器的差分反馈信号来感应磁悬浮体的位置，对于任何永磁体的信号干扰，无论是稳定的还是高频的PWM噪音都会产生一定程度的补偿，在反馈信号中仅剩下位置信息的分量，信噪比大大提高［11］。其控制过程如图8所示。在人工设定悬浮体到指定位置之后，霍尔传感器检测到悬浮体中电磁铁对周围磁场产生的影响，产生相应的电信号。这个电信号经过差分放大电路处理之后，改变电磁铁线圈中的电流大小，从而改变电磁铁的磁力，悬浮体受力发生改变，悬浮体的位置发生偏移。霍尔传感器不断对悬浮体的位置信息进行反馈，构成闭环传输。在经过短时间的调整后，悬浮体受力达到平衡，悬浮于设定位置处。在环境中存在少量扰动时，系统通过闭环反馈仍能使其恢复稳定。

图8 电磁悬浮控制系统工作流程图

3.2 电磁悬浮系统硬件构成

根据上文中分析，设计电磁悬浮系统电路图如图9所示。采用的霍尔元件为锑化铟霍尔HW101A，其灵敏度和稳定性均可满足实验要求，电磁铁线圈采用600圈线径0.3 mm的电磁线圈，经分析调试，可达到使小型电磁铁悬浮的效果，悬浮物体的质量可达到300 g。

图9 电磁悬浮系统电路图

4 实验与结果分析

将非接触电能传输与电磁悬浮相结合，研制的悬浮式灯饰如图10所示。实验时采用功率4 W的LED灯泡，亮度相当于50W白炽灯，而发热和功率消耗则低得多。经过实验与调试，灯泡可以离顶座2 cm～3 cm处的位置悬浮发光，断电后灯泡并不会掉落，而是由于灯泡顶部的磁铁的作用而吸附至顶座，很好地实现了预期功能。

图10 悬浮式灯饰实物图

5 结论

本文将非接触输电和电磁悬浮两种技术巧妙地结合，成功研制出一种新型悬浮灯饰，说明设计的可行性，并且成品兼具了这两种技术的优点。新型非接触供电的磁悬浮灯饰必将在家具市场中有着广泛的应用前景。

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［2］张东清，罗友，秦会斌.一种小功率LED筒灯的设计［J］.电子器件，2013，36(2):173-176.

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张志强(1990-)，男，汉族，河南商丘市人，郑州大学电气工程学院研究生，研究方向为智能仪器与仪表，1522517502 @qq.com;

毛晓波(1965-)，男，汉族，河南开封人，教授，博士，硕士生导师，通信作者。研究方向为嵌入式系统与智能仪器仪表，机器视觉，mail-mxb@zzu.edu.cn。

Development of New M agnetic Levitation Lighting w ith Non-Contact Powering*

ZHANG Zhiqiang，MAO Xiaobo*

(School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)

A design combined non-contact power and electromagnetic levitation technology is presented.Non-contact power transmission is that coil in the vicinity of the power supply brings an alternatingmagnetic field generated by the coil coupled to the load side，and thus the power is delivered to the load.And the electrical levitation technique is the use of high frequency electromagnetic eddy current generated on the metal surface to achieve the object suspended.And electromagnetic levitation technique is the use of electromagnetic forces to control the spatial position of the suspended object.We develop wireless powermagnetic levitation lightingwith the combination of the two technologies.Suspended lamp can shine away from the top seat about2 cm～3 cm.It has achieved the anticipated effect.It is safe，convenient，beautiful，chic，and good lighting effects.It has good prospects formarket.

control engineering;wireless energy transfer;magnetic coupling;electromagnetic levitation;decorative lamp design

C:5100

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.036

TM 923.59

:A

:1005－9490(2017)01－0188－06

项目来源:河南省高等学校重点科研项目(17A413011);2014年度河南省高等教育教学改革研究项目(115);郑州大学2014年度校级教学改革研究项目(2014XJGLX021);河南省高校科技创新团队支持计划项目(17IRTSTHN013)

2016-01-22修改日期:2016-02-26