一种低功耗设备的无线感应供电技术
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第２７卷第６期增刊 ２００６年６月
仪器仪表学报
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｖ０１．２７ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２００６
一种低功耗设备的无线感应供电技术
张代兵韩大鹏 （国防科技大学机电工程与自动化学院 长沙４１００７３）
摘 要 介绍了一种无缆线联接、依靠电磁场耦合感应的新型供电技术。并对其工作原理和关键技术进行了分析、设计并制 作了简易原理装置。实验数据表明，该无线感应供电方式在一定距离范围内具有良好的能量传输特性，并适用于低功 耗设备。 关键词低功耗无线感应供电
无线感应供电系统的另一关键技术是发射、接收 线圈的形状、安装位置和参数的设计。发射线圈一般 安装在固定的基座或台面内，因此可以设计为矩形、圆 形多匝铜质线圈，覆盖轻质非磁性橡胶或塑料薄层材 料。接收线圈由于安装在设备内部，其形状主要根据 设备内部空间确定，但应注意尽量保证接收线圈在运 动过程中能够最大程度地与发射线圈磁路耦合。
［１］刘志宇．感应充电技术的发展与应用［Ｊ］．电力电子技 术，２００４，３８（３）：９２—９４．
［２］夏增林，陈启军．简易无线供电系统设计［Ｊ］．微计算机 信息，２００５，２１（２５）．
．一 ——一ＩＨ．ｈ＿一
高频调制
接收
啦擎啦难 线圈
接收 线圈
２无线感应供电原理
无线感应供电系统主要由发射端和接收端两部分 组成，系统构成如图１所示。系统工作时，首先将发射 端电源提供的交／直流电通过谐振变换器或高频调制 模块转换为高频交流信号，然后驱动发射线圈，使发射 线圈在周围一定距离的空间范围内产生磁场强度很小 但高频变化的电磁场。接收线圈位于这个电磁场中， 发射线圈磁通量的高频变化在接受线圈中产生一定幅 值的高频感应电动势。通过加在接收线圈两端上的桥
４ 实验结果
根据无线感应供电原理设计并制作完成的原理实 验装置中两个线圈如图２所示，其中发射线圈直径 Ｒ：一１６０ｍｍ，匝数Ｎ：一６，铜丝直径ｄ，一０．５ｍｍ，接收 线圈直径Ｒ：一２５ｍｍ，匝数Ｎ。一３０，铜丝直径ｄ２— ０．２５ｍｍ。试验时高频调制电路输入电源电压５Ｖ，调制 频率为４００ｋＨｚ，未连接发射线圈时电路的空载输出曲 线、发射线圈端电压变化曲线、接收线圈端电压变化曲 线如图３所示。将发射线圈平面固定在实验台面上， 保持接收线圈平面与台面平行，改变接收线圈的高度 和中心距离，测量感应电动势的变化曲线如图４所示。
式整流或电容滤波电路，就可以为负载提供直流供电
１引
言
输出。本系统的一个发射端可以驱动多个接收端，工 作时相对位置关系允许动态变化，只要保持在一定距
近年来，各种低功耗设备器材，如：手机、医疗仪 离范围内，就可以实现稳定的能量传输。
器、检测仪表等越来越多，采用有线连接供电或对电池 充电时存在接插危险、阻碍运动等缺点。随着无线射 频标签（ＲＦＩＤ）、电动汽车大功率无线感应供电技术的 出现，使无线感应供电技术应用于低功耗设备成为可 能ｎ。２］。市场上已出现无线感应供电技术的机器鱼、鼠 标和手机充电装置，取得了良好的应用效果。
第６期增刊
一种低功耗设备的无线感应供电技术
２５４ｌ
合电感系数很小，发射电流的调制频率越低线圈上的 热损耗越大，反之调如何提高发射端的调 制频率。虽然谐振软开关技术具有效率高、功率因数 高等优点，但其成本高、电路复杂，因此在低功率应用 背景下多选用ＰＷＭ硬开关逆变技术。根据应用场合 的不同，采用的调制频率范围一般在１０ｋＨｚ～５００ｋＨｚ 之间。
５结
论
本文介绍了一种适用于移动低功耗设备的新型供 电技术，它具有无线连接、安全、可动态持续供电等优 点，具有较好的市场应用前景。
参考文献
图２实验装置发射、接收线圈 从分析测量数据可以看出：（１）接收线圈感应电动 势随高度的增加而减小。（２）接收线圈感应电动势在 以线圈为底的圆柱面内侧最大，在圆柱面上较小，外侧
图１无线感应供电系统构成
３关键技术分析
由于发射线圈与接收线圈之间的气隙远大于普通 电磁铁，且两者之间的磁耦合关系属于松耦合，因此也 称为松耦合感应电能传输技术。通常用于磁性元件分 析的变压器模型不再适用，必须采用耦合电感模型分 析该系统中的电磁关系，同时考虑漏感和磁化电感对 系统工作的影响。
这种松耦合特性导致发射、接收两线圈之间的耦
图３电路、线圈电压波形变化曲线
４·５ ４
３·５
之３
慧：．ｓ
脚
藿２
１·５
１
Ｏ５
Ｏ
２
４
６
８
１０
极半径／ｃｍ
图４接收线圈电压随相对位置变化曲线
随距离增大而急剧减小，因此线圈外侧不能作为稳定 可靠的感应供电空间。（３）接收线圈在高度、水平距离 都小于线圈半径的圆柱形空间内可以均匀、稳定地产 生感应电动势和感应电流，此空间是我们需要的工作 空间。
Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ
Ｚｈａｎｇ Ｄａｉｂｉｎｇ Ｈａｎ Ｄａｐｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｔｍ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｎｅｗ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔｓ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｂｒｉｅｆ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄａｔａ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｍｐｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｓｍａｌｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｓｏｍｅ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ
仪器仪表学报
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｖ０１．２７ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２００６
一种低功耗设备的无线感应供电技术
张代兵韩大鹏 （国防科技大学机电工程与自动化学院 长沙４１００７３）
摘 要 介绍了一种无缆线联接、依靠电磁场耦合感应的新型供电技术。并对其工作原理和关键技术进行了分析、设计并制 作了简易原理装置。实验数据表明，该无线感应供电方式在一定距离范围内具有良好的能量传输特性，并适用于低功 耗设备。 关键词低功耗无线感应供电
无线感应供电系统的另一关键技术是发射、接收 线圈的形状、安装位置和参数的设计。发射线圈一般 安装在固定的基座或台面内，因此可以设计为矩形、圆 形多匝铜质线圈，覆盖轻质非磁性橡胶或塑料薄层材 料。接收线圈由于安装在设备内部，其形状主要根据 设备内部空间确定，但应注意尽量保证接收线圈在运 动过程中能够最大程度地与发射线圈磁路耦合。
［１］刘志宇．感应充电技术的发展与应用［Ｊ］．电力电子技 术，２００４，３８（３）：９２—９４．
［２］夏增林，陈启军．简易无线供电系统设计［Ｊ］．微计算机 信息，２００５，２１（２５）．
．一 ——一ＩＨ．ｈ＿一
高频调制
接收
啦擎啦难 线圈
接收 线圈
２无线感应供电原理
无线感应供电系统主要由发射端和接收端两部分 组成，系统构成如图１所示。系统工作时，首先将发射 端电源提供的交／直流电通过谐振变换器或高频调制 模块转换为高频交流信号，然后驱动发射线圈，使发射 线圈在周围一定距离的空间范围内产生磁场强度很小 但高频变化的电磁场。接收线圈位于这个电磁场中， 发射线圈磁通量的高频变化在接受线圈中产生一定幅 值的高频感应电动势。通过加在接收线圈两端上的桥
４ 实验结果
根据无线感应供电原理设计并制作完成的原理实 验装置中两个线圈如图２所示，其中发射线圈直径 Ｒ：一１６０ｍｍ，匝数Ｎ：一６，铜丝直径ｄ，一０．５ｍｍ，接收 线圈直径Ｒ：一２５ｍｍ，匝数Ｎ。一３０，铜丝直径ｄ２— ０．２５ｍｍ。试验时高频调制电路输入电源电压５Ｖ，调制 频率为４００ｋＨｚ，未连接发射线圈时电路的空载输出曲 线、发射线圈端电压变化曲线、接收线圈端电压变化曲 线如图３所示。将发射线圈平面固定在实验台面上， 保持接收线圈平面与台面平行，改变接收线圈的高度 和中心距离，测量感应电动势的变化曲线如图４所示。
式整流或电容滤波电路，就可以为负载提供直流供电
１引
言
输出。本系统的一个发射端可以驱动多个接收端，工 作时相对位置关系允许动态变化，只要保持在一定距
近年来，各种低功耗设备器材，如：手机、医疗仪 离范围内，就可以实现稳定的能量传输。
器、检测仪表等越来越多，采用有线连接供电或对电池 充电时存在接插危险、阻碍运动等缺点。随着无线射 频标签（ＲＦＩＤ）、电动汽车大功率无线感应供电技术的 出现，使无线感应供电技术应用于低功耗设备成为可 能ｎ。２］。市场上已出现无线感应供电技术的机器鱼、鼠 标和手机充电装置，取得了良好的应用效果。
第６期增刊
一种低功耗设备的无线感应供电技术
２５４ｌ
合电感系数很小，发射电流的调制频率越低线圈上的 热损耗越大，反之调如何提高发射端的调 制频率。虽然谐振软开关技术具有效率高、功率因数 高等优点，但其成本高、电路复杂，因此在低功率应用 背景下多选用ＰＷＭ硬开关逆变技术。根据应用场合 的不同，采用的调制频率范围一般在１０ｋＨｚ～５００ｋＨｚ 之间。
５结
论
本文介绍了一种适用于移动低功耗设备的新型供 电技术，它具有无线连接、安全、可动态持续供电等优 点，具有较好的市场应用前景。
参考文献
图２实验装置发射、接收线圈 从分析测量数据可以看出：（１）接收线圈感应电动 势随高度的增加而减小。（２）接收线圈感应电动势在 以线圈为底的圆柱面内侧最大，在圆柱面上较小，外侧
图１无线感应供电系统构成
３关键技术分析
由于发射线圈与接收线圈之间的气隙远大于普通 电磁铁，且两者之间的磁耦合关系属于松耦合，因此也 称为松耦合感应电能传输技术。通常用于磁性元件分 析的变压器模型不再适用，必须采用耦合电感模型分 析该系统中的电磁关系，同时考虑漏感和磁化电感对 系统工作的影响。
这种松耦合特性导致发射、接收两线圈之间的耦
图３电路、线圈电压波形变化曲线
４·５ ４
３·５
之３
慧：．ｓ
脚
藿２
１·５
１
Ｏ５
Ｏ
２
４
６
８
１０
极半径／ｃｍ
图４接收线圈电压随相对位置变化曲线
随距离增大而急剧减小，因此线圈外侧不能作为稳定 可靠的感应供电空间。（３）接收线圈在高度、水平距离 都小于线圈半径的圆柱形空间内可以均匀、稳定地产 生感应电动势和感应电流，此空间是我们需要的工作 空间。
Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ
Ｚｈａｎｇ Ｄａｉｂｉｎｇ Ｈａｎ Ｄａｐｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｔｍ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｎｅｗ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔｓ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｂｒｉｅｆ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄａｔａ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｍｐｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｓｍａｌｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｓｏｍｅ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ