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| 基于谐振耦合式无线能量驱动电机系统设计(zxj) |
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摘要：谐振耦合式无线能量传输是一种新的非接触式能量传输技术，能实现无线能量驱动电机。该文从电路耦合模型出发，分析系统传输功率与系统参数之间关系，从而对线圈进行了优化设计，使其达到****传输效果。最后设计了一台实验样机，该样机利用两个相同频率的谐振铜线圈产生强耦合，使电能以无线传输的形式实现了在一定距离范闱内驱动直流小电机。实验结果验证了该设计方法有效性。
关键词：电磁谐振耦合；无线能量传输；直流小电机；线圈0引 言2007年，美国麻省理工学院的科学家利用谐振耦合原理，使用两个相距2 m的铜线圈，成功地通过无线电力传输点亮了一个功率为60 w的电灯泡，为无线输电的进一步发展打下了基础。
无线能量传输技术大致可分为三类：(1)采用电磁感应方式，其优点是传输效率高，但传输距离限制在1 cm范围内，且亟待解决位置偏差导致的效率下降、异物进入时发热及电磁波和高频波泄漏等问题；(2)以微波或激光形式，其优点是传输距离较远，但传输效率极低，且不能跨越障碍物；(3)通过电磁谐振耦合原理，解决了前两类传输方式在传输效率和传输距离上不可兼得的矛盾，其特点是传输效率极高，能实现中程距离能量传输，可跨越非磁性障碍物且安全可靠无辐射。
传统的电机驱动通过导线的直接相联传递电能，但这种接触式的供电方式带来许多弊端，如容易产生火花、磨损、设备使用寿命短，在化工、采矿等领域中用电不安全等问题。且近年来也开始将无线能量传输理论应用于心脏起搏器、人工脏器等医疗器械上。然而，现阶段谐振耦合式无线能量传输技术仍处于起步发展阶段，国内相关理论和实验研究更是欠缺”。。
针对上述问题，设计一种小型的基于谐振藕合式无线能量驱动直流电机系统，建立系统耦合模型，分析模型得出系统的优化设计参数，为样机设计提供指导。1谐振耦合式无线能量传输模型1．1谐振耦合工作原理谐振耦合无线能量传输的基本原理与电磁感应式基本相同，都是利用电磁感应定律，不同之处在于谐振耦合无线能量传输系统的两个线圈在高频下发生自谐振，产生以线圈为中心的以卒气为媒介的时变磁场，两谐振线圈之间不断的能量交换，实现无线能量传输。
谐振耦合无线能量传输的原理图如图1所示，发射端包含空心线圈并与电容并联，以及为线圈供能的开关功率变换器，相隔一段距离的接收端包含另一空心线圈并与电容并联，以及整流、滤波、稳压电路和消耗能量的负载。
由于空心线罔在高频条件下的寄生电阻、寄生电容不町忽略，所以空心线圈可视为电感与电容相连构成谐振体(并联电容起辅助谐振作用)。当发射端通过正弦电流，发射线圈感应交变电流在其周围产生时变磁场，同时向电容充电。接收线圈感生成相同频率的电流，『司时向其电容充电。当两空心线圈在高频条件下自身产生谐振时，两空心线圈通过磁场建立耦合关系，保证能量不断的从发射端传递到接收端，接着通过整流、滤波、稳压环节向直流电机供能。
1．2谐振耦合模型为简化分析，本节直接以谐振耦合线圈本身作为研究对象。等效谐振耦合模型如图2所月示。
图中U为发射线圈感应的电压源，角频率为ω，c1、c2为线圈在高频下的寄生电容，R1、R2为线圈寄牛电阻，L1、L2为线圈自身电感，z1为负载回路发射到L2上的阻抗，／w为两线圈间互感，D为两线圈之间距离。
分析式(7)可知，在同样的互感值下，增大线圈的半径r可增加传输距离D。互感M与距离D的三次方成反比，随着距离的增大，传输效率将迅速减小。
分析式(6)可知，提高系统输入电压u、频率f、互感／w能有效提高系统输出功率：但输入电压过高又对器件的要求特别高，日．导致系统损耗过大。由于谐振耦合无线能量传输系统的****频率段为0．5～25 MHz，显然频率也不能无限的增大，且频率越高对器件的要求越高，而市面上的器件满足不了犬频率的要求。互感M又受限于传输距离D，所以选择合适的输入电压、频率、互感对整个系统的能量传输至关重要。
2样机设计2．1高频逆变电路设计无线能量传输系统的高频逆变电路要求输入直流电输出高频交流电，要求逆变电路具有效率高、损耗小、安全性好、稳定性高、控制简单等特点。
基于此，本设计采用自激振荡式谐振逆变电路，无须外加控制信号而能够实现完全自激振荡，因此控制电路非常简单，且极大的提离了系统效率。白激振荡式谐振逆变电路如图3所示。
图3中L为发射端线圈，R为线圈寄生电阻，并联电容c。起辅助谐振作用。MOsFET驱动电路简单、开关速度快、工作频率高、热稳定性好，功率开关管Q1、Q2选用场效应管IRFz44N。此电路产生的工作频率为l.5 MHz。
2．2谐振线圈设计谐振线圈需根据传输功率、传输效率、负载等作相应设计。依几何形状，谐振线圈可分为可分离变压器式、螺旋管式、平板式等多种类型。可分离变压器式传输功率高，磁场耦合性好，但传输距离短；螺线管式磁场较均匀，磁路传输功率和效率较高；平板式厚度薄，但方向性差。本设计采用线圈为螺线管式，其优势在于：每单位体积绕线产生的磁场最强。
发射端线圈和接收端线圈采用两参数完全相同的线圈。选定谐振线圈参数如表l所示。
在高频条件F，空心线圈的寄生电阻R主要包括损耗电阻R和辐射损耗电阻Rc，而对于谐振耦合系统一般可忽略辐射损耗电阻由式(1)、式(2)可计算得与电感并联电容c，=c2=37.5 nF，根据理论值，实际实验装置中发射端外接电容采用8个4．7 nF并联电容，接收端外接电容采用33 n-、，目的是为使接收端达到系统谐振频率。实验设计参数理论值如表2所示。
2．3接收端电路设计接收端电路主要是通过谐振耦合方式接收发射端的能量，再经整流和滤波得到直流电压，然后由电压调整环节得到稳定输出电压给负载。一般的整流电路是对50 Hz的工频信号进行整流，但此系统的T作频率较高，可选择快恢复肖特基二极管IN5158搭整流桥，如图4所示。
滤波电路采用Rc—π型滤波电路，它利用R和c对输入同路整流后电压的交直流分量的不同分压作用来实现滤波作用这里的滤波电容采用瓷片电容，瓷片电容的等效电感小，工作频率高，适用f高频滤波电路。电压调节电路采用稳压芯片，输出电压可通过外接电5且分压器调整。
3实验结果图5为无线能量驱动电机系统实验装置，利用本样机实现了小电机的驱动。在实验中，输入电压为18 V，负载电机采用6 V的直流小电机。图6为发射端线圈两端电压波形；图7为两线圈距离为20cm时接收端线圈两端波形；图8为两线圈距离为10cm时直流小电机两端波形。
从图6、图7可看出，实际的谐振频率低于理论设计值，这是由于忽略了线圈高频辐射损耗、分布电容和分布电感参数误差、实验器件损耗以及手工绕制铜线圈带来误差等。随着传输距离的增大，接收端线圈电压下降明显，这是由于两线圈之间传输损耗及线圈、器件本身损耗，且与式(7)相符。
在本实验中，当传输距离为10 cm以内时直流小电机运行正常，而继续增大传输距离后，电机转速明显下降。
4结语本文对无线能量传输系统的电路模型进行分析，从而实现系统关键参数电感、电容的匹配，并设计制作了一台电磁谐振耦合无线能量驱动小型直流电机的样机，进行了具体参数设计，通过实验结果验证了该设计的可行性和正确性。 |
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