電磁諧振耦合式無線輸電鼠標(biāo)的研究與開發(fā)

1、電磁諧振耦合式無線輸電鼠標(biāo)的研究與開發(fā)合肥市第六中學(xué) 劉博文摘要：目前廣泛使用的無線鼠標(biāo)都要靠電池供電，一方面電池的生產(chǎn)和回收都會(huì)帶來環(huán)境污染的問題；另一方面會(huì)導(dǎo)致鼠標(biāo)重量增加，使用起來不夠輕便。無線輸電是一種利用無線電技術(shù)傳輸電能的新技術(shù)，無須任何物理上的連接，電能可以無接觸地傳輸給負(fù)載。本文在對(duì)無線輸電技術(shù)進(jìn)行總體介紹的基礎(chǔ)上，主要介紹了電磁耦合共振式無線輸電技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后基于電磁耦合共振原理設(shè)計(jì)與試制了一種小型的無線傳輸電力裝置，并將此裝置應(yīng)用到無線鼠標(biāo)中，分析了影響鼠標(biāo)正常工作的因素并提出一些解決方法。制作的原型無線鼠標(biāo)無需使用電池，減小了鼠標(biāo)的重量，提高了其操作舒適性

2、。最后對(duì)該無線鼠標(biāo)有待研究的問題及發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：無線輸電，電磁耦合共振，無線鼠標(biāo)1 引言自從第二次工業(yè)革命以來，人類社會(huì)便進(jìn)入了電氣化時(shí)代。大至遍布全球各地的電網(wǎng)、高壓線，小到各種家用電氣設(shè)備，電能的傳輸主要通過金屬導(dǎo)線的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接接觸傳輸。這種“有線”的傳輸方式帶來了不少問題。由于存在摩擦、老化等問題，電能傳輸過程中很容易產(chǎn)生火花，進(jìn)而影響到用電設(shè)備的壽命和用電安全。另外，傳統(tǒng)的有線電力傳輸方式不能滿足一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合的需要，如礦井和水中等。隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種電子設(shè)備得到了廣泛的使用，但是太多的電線和插座給人們的生活帶來不便。此外，植入體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備的長(zhǎng)期供電也存

3、在很大的不便，這些問題促使著無線電能傳輸方式的產(chǎn)生。無線電能傳輸(wireless power transfer，WPT)，又稱為無接觸式電能傳輸(contactless power transfer，CPT)，指的是電能從電源到負(fù)載的一種沒有經(jīng)過電氣直接接觸的能量傳輸方式。早在1893年的哥倫比亞世博會(huì)上，美國(guó)科學(xué)家Nikola Tesla 展示了他的無線磷光照明燈。Nikola Tesla 利用無線電能傳輸原理，在沒有任何導(dǎo)線連接的情況下點(diǎn)亮了燈泡。這是人類在無線電能傳輸初期階段的重要嘗試。1968年，美國(guó)航空工程師Peter Glaser 提出了建立空間太陽(yáng)能電站的概念，利用在外太空的衛(wèi)

4、星，收集太陽(yáng)能并傳輸?shù)降厍虮砻嫔蟻?。隨后，美國(guó)和日本等主要發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開展了空間太陽(yáng)能電站的研究。2007 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)的Marin Soljacic 教授等人在中等距離無線電能傳輸方面取得了新進(jìn)展。他們“隔空”點(diǎn)亮了1盞離電源2m開外的60W燈泡，效率達(dá)到了40%。隨后，世界各地的研究人員對(duì)無線電能傳輸開展了越來越多的研究。根據(jù)傳輸原理的不同，無線電能傳輸可以分為三類：（1）電磁感應(yīng)式無線輸電，主要是利用電磁感應(yīng)原理，通過采用松耦合變壓器或者可分離變壓器方式實(shí)現(xiàn)功率無線傳輸；（2）遠(yuǎn)場(chǎng)輻射無線輸電系

5、統(tǒng)，是利用微波進(jìn)行無線能量傳輸技術(shù)，即直接利用電磁波能量可以通過天線發(fā)射和接收的原理；（3）電磁耦合共振式無線輸電系統(tǒng)是基于電磁共振耦合原理，利用非輻射磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電能高效的傳輸。相比較來說，一般微波方式目前傳輸距離最遠(yuǎn)，傳輸功率也最大，而且可以克服障礙物的影響，但是在能量傳輸過程中，發(fā)射器必須對(duì)準(zhǔn)接收器，能量傳輸受方向限制，微波在空氣中的損耗也大，效率低，對(duì)人體和其他生物都有嚴(yán)重傷害，所以該技術(shù)一般應(yīng)用于特殊場(chǎng)合。電磁感應(yīng)式傳輸功率的容量目前可達(dá)數(shù)百千瓦，小尺度障礙物也不會(huì)對(duì)其功率傳輸帶來大的影響，但是傳輸距離非常近，約為幾個(gè)厘米。電磁耦合共振式無線能量傳輸技術(shù)，不僅提高了能量的傳輸距離，而且提

6、高了能量的傳輸效率，因此該技術(shù)成為無線輸電技術(shù)重點(diǎn)研究方向。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于無線輸電的研究都處于探索理論階段，本文主要針對(duì)電子產(chǎn)品鼠標(biāo)，基于電磁耦合共振原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，由此可以應(yīng)用到其他電子產(chǎn)品中，這為以后該技術(shù)能夠應(yīng)用到小家電產(chǎn)品中提供一定理論和技術(shù)支持。2 電磁耦合共振式無線輸電原理2.1 電磁耦合共振輸電原理電磁耦合共振式無線輸電系統(tǒng)是基于電磁共振耦合原理，利用非輻射磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電能高效的傳輸。其原理是基于2個(gè)電磁波在滿足規(guī)定條件的情況下，在同一波導(dǎo)(腔體)的不同電磁波的模式之間或不同波導(dǎo)(或腔體)的同一電磁波模式之間可以發(fā)生耦合諧振的現(xiàn)象，通過理論分析計(jì)算或?qū)嶒?yàn)的方法選擇耦合模參數(shù)，利用強(qiáng)磁場(chǎng)

7、耦合共振方式使能量在收發(fā)2個(gè)諧振腔之間有效傳輸。典型的電磁共振耦合無線輸電系統(tǒng)如圖1所示，整個(gè)裝置包含兩個(gè)線圈，每一個(gè)線圈都是一個(gè)自振系統(tǒng)。其中一個(gè)是發(fā)射裝置，與能量源相連，它并不向外發(fā)射電磁波，而是利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，通過發(fā)射線圈向外發(fā)射電磁波，在周圍形成非輻射磁場(chǎng)；當(dāng)接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時(shí)，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，完成磁場(chǎng)到電能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。在能量傳輸?shù)倪^程中，電磁波的頻率越高其向空間輻射能量就越大，傳輸?shù)男室簿驮礁摺D1. 基于電磁耦合共振無線輸電系統(tǒng)圖2.2 電磁耦合共振輸電系統(tǒng)的定性分析針對(duì)電磁耦合共振的定性分析主要為電路理論分析

8、。利用上述系統(tǒng)電路圖，得出等效電路圖，如下圖2所示:圖2. 等效電路圖 從上述等效電路圖可以看出電源給發(fā)射線圈供電，當(dāng)頻率為系統(tǒng)諧振頻率，此時(shí)發(fā)射線圈發(fā)生諧振。即使在不高的供電電壓下，因?yàn)榘l(fā)生諧振，也能產(chǎn)生較大的電流，從而建立起較強(qiáng)的電磁場(chǎng)。發(fā)射線圈中電容的電場(chǎng)能因?yàn)橹C振與電感線圈中的磁場(chǎng)能不斷地進(jìn)行交換。而發(fā)射端電感線圈中磁場(chǎng)有一部分鉸鏈到接收端的電感線圈，交變的磁場(chǎng)即，在接收線圈中感應(yīng)出電流，因此能量傳遞到了接收端。在接收端，電容中的電場(chǎng)能和電感線圈中的磁場(chǎng)也因?yàn)橹C振在不斷地進(jìn)行能量交換，最終把能量傳遞給負(fù)載。再根據(jù)基爾霍夫定律，當(dāng)電源頻率等于系統(tǒng)自諧振頻率時(shí)，發(fā)生諧振，這時(shí)可是求出電流和

9、。2.3 影響電磁耦合共振有效傳輸距離的因素分析 以常用的漆包線繞制的螺旋線圈為對(duì)象分析有效傳輸距離及其影響因素。在發(fā)射線圈與接收線圈為螺旋線圈并且同軸放置時(shí)，耦合共振式無線電能傳輸距離與互感的關(guān)系為：M=，式中， 為發(fā)射與接收線圈的匝數(shù)；， 為發(fā)射與接收線圈的半徑；D 為線圈間距離。對(duì)于結(jié)構(gòu)、參數(shù)相同的發(fā)射線圈可令=n2=n，=r2=r，代入上式于是得到:，線圈的電阻包括損耗電阻和輻射阻抗。對(duì)于磁耦合共振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其最佳諧振頻率在150MHz，此頻段范圍內(nèi)<<，因此可以忽略輻射損耗。高頻條件下線圈的損耗電阻：其中，為角頻率；為電導(dǎo)率；l 為線圈漆包線的周長(zhǎng)；a 為線徑。

10、將上述兩式代入耦合因數(shù)可得有效傳輸距離，即，可知，有效傳輸距離與線圈直徑r，線徑a，角頻率，電導(dǎo)率等因素有關(guān)。3 基于電磁耦合共振原理的無線輸電鼠標(biāo)對(duì)比現(xiàn)行無線鼠標(biāo)需要使用電池這一缺點(diǎn)，基于電磁耦合共振的原理，設(shè)計(jì)了一款新型的無線輸電鼠標(biāo)，通過不斷實(shí)驗(yàn)，調(diào)整電路各部分元件，最終實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)在一定距離內(nèi)正常工作。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)初期，購(gòu)買與準(zhǔn)備了實(shí)驗(yàn)所需材料，包括：剝線鉗、剪刀、鑷子、電子元件（包括三極管B772、三極管8050、導(dǎo)線及電阻、電容、電感若干）、信號(hào)發(fā)生芯片MAX038、運(yùn)算放大芯片，以及示波器、萬(wàn)用表等儀器與設(shè)備。設(shè)計(jì)的電路主要包括交流逆變部分、發(fā)射端和接收端耦合共振部分、整流濾波穩(wěn)壓部分

11、，以下分別進(jìn)行介紹。3.1 交流逆變部分通過信號(hào)發(fā)生芯片研制交流逆變裝置，產(chǎn)生交變信號(hào)。實(shí)驗(yàn)以MAX038為主要元器件輔以外圍電路產(chǎn)生交變電壓，再利用高速運(yùn)算放大芯片產(chǎn)生一定功率的交變電壓，見圖3與圖4。實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)際電路圖和產(chǎn)生的波形圖分別如下圖5和圖6： 圖3. 交流逆變 圖4. 信號(hào)放大 圖5. 實(shí)際電路圖 圖6. 產(chǎn)生波形圖經(jīng)實(shí)驗(yàn)，此交流逆變裝置能產(chǎn)生頻率為1MHz10MHz的正弦交流電信號(hào)，且波形穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)過程中交變信號(hào)非常接近正弦，理論上磁耦合共振的效果會(huì)很好，頻率在一定范圍可調(diào)，便于磁耦合共振的精確調(diào)節(jié)。試驗(yàn)時(shí)采用的交流信號(hào)周期為15us。3.2 發(fā)射端和接收端耦合共振部分交流

12、逆變裝置輸出的交流電由無線輸電裝置的發(fā)射端部分能將其部分能量轉(zhuǎn)換成非輻射式磁場(chǎng)，高效地向無線電力輸送裝置的接收端傳輸能量。其發(fā)射端由感應(yīng)線圈與并聯(lián)電阻（保證一定的電壓）、串聯(lián)電阻（限流）、串聯(lián)電容組成；其接收端由接收感應(yīng)線圈、電容及電阻串聯(lián)而成，其中電感的電感值與電容的電容值需滿足磁耦合共振公式。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用采用小直徑繞制了多圈的線圈，電感為73uH，根據(jù)帶入線圈電感值L及交流信號(hào)周期T，計(jì)算得電容值C=81nF。接收端接收到的能量從電容兩端以電壓的形式引出，實(shí)驗(yàn)發(fā)射端和接收端線圈共振前后電壓傳輸效果如圖7和圖8所示。其中黃色為發(fā)射端電壓信號(hào)，藍(lán)色為接收端電壓信號(hào)。 圖7. 初始時(shí)電壓傳輸效果

13、圖8. 調(diào)節(jié)共振時(shí)電壓傳輸效果3.3 整流濾波穩(wěn)壓部分實(shí)驗(yàn)時(shí)利用整流橋?qū)o線輸電裝置的接收端接收到的交流電轉(zhuǎn)換為直流電力，經(jīng)并聯(lián)電容濾波后，利用穩(wěn)壓二極管將電壓鉗制在2V，經(jīng)串聯(lián)電阻分壓后提供給無線鼠標(biāo)1.5V的電壓，如圖9所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，無線鼠標(biāo)獲得該裝置提供的電力后能正常工作，如圖10、圖11所示。圖9. 整流濾波電路 圖10. 實(shí)驗(yàn)連接電路 圖11. 鼠標(biāo)狀況3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為了更快更好地找出電磁諧振式無線輸電過程中各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)無線輸電效果的影響規(guī)律，選用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)條件和研究經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)選擇電源電壓、線圈直徑、線圈距離三個(gè)個(gè)主要影響因素作為試驗(yàn)因素，每個(gè)試驗(yàn)因

14、素設(shè)定3個(gè)因素水平。根據(jù)因素及水平的數(shù)量，試驗(yàn)方案采用簡(jiǎn)化的L9（34）標(biāo)準(zhǔn)正交表18，19，共設(shè)計(jì)9次試驗(yàn)，正交表表頭設(shè)計(jì)如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表1. 因素水平表水平因素電源電壓（V）線圈直徑（mm）線圈距離（mm）15105028.53010031250150表2. 試驗(yàn)結(jié)果記錄表試驗(yàn)序號(hào)試驗(yàn)因素鼠標(biāo)端電壓（V）鼠標(biāo)能否正常工作電源電壓（V）線圈直徑（mm）線圈距離（mm）15101000.3否28.510500.9否312101500.7否4530500.8否58.5301501.2能612301001.7能75501500.9否88.5501002.7否91250505否3.

15、5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1. 電源電壓、線圈直徑和增大，對(duì)鼠標(biāo)端電壓都有增大的趨勢(shì)。2. 線圈距離增大，對(duì)鼠標(biāo)端電壓有減小的趨勢(shì)。3. 根據(jù)試驗(yàn)5，8.5V電源電壓和30mm的線圈直徑下，無線鼠標(biāo)能在線圈距離150mm的情況下工作，已基本滿足筆記本電腦的鼠標(biāo)使用要求。4. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)8和9，此時(shí)鼠標(biāo)雖不能正常工作，但是由于鼠標(biāo)端電壓過高導(dǎo)致的，由于線圈距離增大，對(duì)鼠標(biāo)端電壓有減小的趨勢(shì)，意味著線圈距離可以繼續(xù)增大，無線鼠標(biāo)在這兩組試驗(yàn)的電源電壓和線圈直徑條件下能工作的無線輸電距離比試驗(yàn)的線圈距離更遠(yuǎn)。4 工作展望當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究成功的無線輸電鼠標(biāo)由于發(fā)射端和接收端線圈距離比較短，還不能大量應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，在研究設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)射端部分和接收端部分能量損耗比較大，