摘要：非接觸式弱電實驗供電平臺是一種新型非接觸式電能供應系統(tǒng)，通過電磁感應耦合，實現(xiàn)非接觸式能量傳輸，為負載提供電能。整個系統(tǒng)主要由電能轉換、耦合變壓器和能量調節(jié)三部分組成。電能轉換主要完成能量逆變；耦合變壓器將逆變后的能量耦合到用戶端；能量調節(jié)主要為提高耦合到用戶端能量的傳輸能力。該平臺克服了傳統(tǒng)導線多點接觸式電能傳輸方式的不可靠和不可遷移等缺點，為移動電氣設備、易燃易爆環(huán)境和水下設備的能量供給提供便捷、安全的解決方案。
關鍵詞：電磁感應；非接觸式供電系統(tǒng)；無線供電；弱電實驗箱
0 引言
感應耦合電能傳輸(Inductively coupled Powertransfer，ICPT或Inductively Power Transfer，IPT)技術是近年來備受國際學術界關注的一項新型能量傳輸技術。這一技術能夠有效地克服有線供電方式存在的設備移動靈活性差，環(huán)境不美觀，容易產生接觸火花等缺陷，特別適用于易燃易爆環(huán)境和水下設備的安全供電，可廣泛應用于工礦企業(yè)吊裝設備和運輸設備、高層建筑升降式電梯、城市電氣化交通、室內電子設備、生物醫(yī)療等領域中電氣或電子設備的靈活供電。
用無線方式輸送電力，這種想法從19世紀上半葉電磁感應現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后就已經有了。近年來國內外許多研究機構和公司，如美國麻省理工學院、Powercast(電客)公司等相繼研發(fā)出了短距離和微距的無線供電技術和產品。2008年2月15日，一種無需插頭與電源線且不直接接觸電源就能充電的新型混合動力汽車已在日本投入試運行，該汽車利用電磁感應原理及電能變換等技術以無線方式實現(xiàn)充電，只需停在設置在路面的電源線圈的正上方就能給車內的鋰離子電池快速充電，如果僅使用電力運行，充電一次可行駛約15km。
在理解非接觸供電基本原理的基礎上，本文通過電磁感應耦合，實現(xiàn)非接觸式能量傳輸，為負載提供電能，以解決傳統(tǒng)導線多點接觸式傳輸電能的不可靠和不可遷移等一系列問題，并將其應用到非接觸式弱電實驗箱供電平臺。
1 基本原理
圖1表示了一個典型ICPT系統(tǒng)的基本結構，它主要由兩個分離的電氣部分組成。一部分由能量變換裝置組成，其作用是通過線圈回路提供高頻交流電流(通常為10～100 kHz交流電)；另一部分由能量拾取線圈和調節(jié)裝置組成，通過兩部分之間的電磁感應耦合，實現(xiàn)無接觸的能量傳輸。ICPT典型結構在硬件實現(xiàn)上一般由4部分實現(xiàn)：功率變換裝置、高頻載流線圈或電纜、接收線圈和能量調節(jié)裝置。前兩部分構成一側作為能量發(fā)射系統(tǒng)，后兩部分構成另一側作為能量接收系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)在物理上相互獨立，工作時存在磁場耦合，一個原邊能量發(fā)射源可為多個用電設備同時供電。
本文以典型ICPT系統(tǒng)為基礎，加以硬件設計并實驗，其中高頻載流線圈與接收線圈采用相近的線圈，以實現(xiàn)接收端能量的最大化。該系統(tǒng)整體結構如圖2所示。
該系統(tǒng)主要由能量轉換模塊、松耦合變壓器模塊和能量調節(jié)模塊組成。電能通過能量轉換模塊產生高頻交流電流，再經過松耦合變壓器和能量調節(jié)模塊，向用戶設備提供電能。下面詳細介紹3個模塊：
(1)圖2中能量轉換模塊的組成結構如圖3所示，由整流、逆變、耦合等環(huán)節(jié)構成，主要作用是通過線圈回路提供高頻交流電流。能量轉換模塊提供的高質量回路電流對于整個ICPT系統(tǒng)起著至關重要的作用，是保證電能傳輸效果的前提。
(2)圖2中耦合變壓器模塊的主要作用就是將能量轉換后的高頻電源耦合到用戶端。松耦合部分(可分離式變壓器)是能量傳輸?shù)年P鍵，結構如圖4所示。設M為耦合裝置互感，Lp和Ls為初級、次級激勵電感，初級磁場發(fā)射的高頻載流線圈工作角頻率為ω，電流有效值為ip，則松耦合系統(tǒng)次級電路接受線圈的開路電壓為voc：
因此，增大系統(tǒng)能量傳輸能力的方法有：增大工作頻率f(ω)、增加初級電流ip、增大互感M或減小次級自感Ls、增大品質因數(shù)Qs。由于品質因數(shù)不宜過大，因而有效增大系統(tǒng)傳輸能力的方法是增大工作角頻率ω和初級電流ip。
(3)圖2中的能量調節(jié)模塊主要是提高系統(tǒng)能量的傳輸能力，實際電路設計時采用多個電容串并聯(lián)的方法來實現(xiàn)能量的調節(jié)。
2 硬件電路實現(xiàn)
圖4中的耦合變壓器一般選擇磁罐繞線，磁力線集中，效率更高。但是很難找到合適的磁罐，所以在本文選擇了空心繞線。
圖2中的發(fā)射端硬件電路原理圖如圖5所示。12V直流電壓從P1進入，經過7805穩(wěn)壓芯片輸出5V直流電壓，提供4與非門芯片74HC00工作電壓。由74HC00，1nF電容和10 kΩ滑動電阻器(用于來調節(jié)工作頻率)實現(xiàn)一個多諧振蕩器。這樣組成的振蕩器輸出高頻信號的幅度不夠大。為了提高電能傳輸效率和距離，使用高頻功率放大電路將高頻信號放大。高頻功放用高頻功率場效應管IRF540N實現(xiàn)(正常工作時需要加散熱片)。發(fā)射端有一個線圈與接收端耦合，發(fā)射和接收線圈的形狀及參數(shù)直接影響電能傳輸效率和距離。本文發(fā)射線圈使用一個大的空心線圈，直徑為1．5 mm的漆包線繞制，匝數(shù)為10匝(根據(jù)實際情況可以調整)。接收線圈按發(fā)射線圈制作的方法繞制。另外接收線圈的放置位置對能量傳輸有較大影響，需要在制作調試過程中反復試驗確定。4個0．1μF的CBB電容先串聯(lián)后并聯(lián)，用來實現(xiàn)初級補償。
圖6所示即為接收端的電路原理圖。電壓經耦合變壓器到達接收端，經過次級補償，再經電橋整流后，最后采用7805穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓到5 V輸出到負載。高頻整流不能用普通的整流二極管，不但效率低而且二極管可能因發(fā)熱而燒壞。因此需要使用快恢復二極管來整流，本文使用1N4148來實現(xiàn)整流。
3 實物效果測試
非接觸式供電平臺可透過金屬以外的介質傳播實現(xiàn)供電。圖7(a)為硬件實物圖，實物由發(fā)射端和接收端兩部分組成。圖7(b)是實物測試時可達到的最長作用距離，經實測約10 cm。測試條件：在保證無線發(fā)射端2 W額定功耗以及接收端負載100 Ω的前提下，無線接收端輸出測試數(shù)據(jù)如表1所示。
4 結語
本文設計的非接觸式供電平臺由電能轉換、耦合變壓器和能量調節(jié)三部分組成。使用74HC00、高頻功率場效應管IRF540N和0．1μF的CBB電容等器件實現(xiàn)了該電路。實物測試結果表明，最大作用距離為10 cm左右，能夠實現(xiàn)非接觸式能量傳輸。本文設計的非接觸式供電平臺可為移動電氣設備、易燃易爆環(huán)境和水下設備的能量供給提供安全、綠色、便捷的解決思路。
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