0 引言

    傳感網(wǎng)技術(shù)作為21世紀(jì)的一個重要新興科技領(lǐng)域,，在理論應(yīng)用和市場方面保持著高速發(fā)展。任何用于傳感網(wǎng)的傳感器都需要電源,。目前這些傳感器的電源都是直接或者間接來源于電池,。隨著傳感網(wǎng)中大量微納傳感器分散布置在寬廣的區(qū)域，傳統(tǒng)的利用電池來提供電源及更換電池的方法不再適用,。因此發(fā)展新型的傳感器供電系統(tǒng)是傳感網(wǎng)微納傳感器應(yīng)用的迫切要求,。

    從1893年Nikola Tesla利用無線電能傳輸原理點亮了熒光照明燈，到2013年AKASOL公司為龐巴迪公司推出了鋰離子電池?zé)o線感應(yīng)充電技術(shù),，無線電能傳輸技術(shù)取得了長足的發(fā)展^[1-4],。在理論研究方面，André Kurs等人用數(shù)學(xué)模型描述了該技術(shù)實現(xiàn)的方法并說明高Q值的線圈可以提高系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸距離^[5],。采用超導(dǎo)體材料構(gòu)建的振蕩系統(tǒng)和線圈以及低的工作頻率可以降低系統(tǒng)的損耗達(dá)到提高傳輸效率的目的^[6],。在實驗研究方面，Marin Soljacic的團(tuán)隊在2007年利用磁諧振耦合無線能量傳輸技術(shù)實現(xiàn)了點亮2 m外一個60 W的燈泡,，而在2009年該團(tuán)隊增加了中繼線圈,，搭建了三諧振系統(tǒng),，最終發(fā)現(xiàn)其比僅有發(fā)射和接收線圈的二諧振系統(tǒng)的傳輸效率要高^[7]。

    在目前實際的應(yīng)用中,，基于發(fā)射,、中繼、接收線圈構(gòu)成的磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)具有簡單的結(jié)構(gòu),，是最易于實際應(yīng)用的設(shè)計,，然而鮮有關(guān)于這些線圈結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化的報道?？紤]到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的微傳感器供電實際應(yīng)用中傳輸距離遠(yuǎn),、傳感器數(shù)量多以及微型化的要求，本文著重研究了在低頻,、小尺寸下增強(qiáng)線圈,、多個接收端、隔磁材料（隔磁片）對磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸距離和效率的影響與優(yōu)化,。分別對有發(fā)射和接收線圈,、單個增強(qiáng)線圈、諧振線圈附加隔磁片,、多接收端4種情況分別進(jìn)行研究,，并與理論模擬的效率進(jìn)行對比。

1 實驗

    磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器,、直流電源,、驅(qū)動電路(功率放大電路)、發(fā)射和接收線圈,、整流濾波電路,、負(fù)載組成(圖1)。為保證實現(xiàn)諧振傳輸,，本實驗所搭建的低功率,、小尺寸結(jié)構(gòu)磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)中兩個線圈的參數(shù)保持一致。

    實驗中線圈采用匝數(shù)N均為20匝,、直徑均為6.5 cm,、0.01 mm×40的李茲線，電容為1.5 nF,。MOS管采用IR公司的IRF540N,，該MOS管耐壓值為100 V，最大漏極電流達(dá)到33 A,，導(dǎo)通和關(guān)斷時間均為35 ns,。MOS管驅(qū)動芯片為IR公司生產(chǎn)的MOS管驅(qū)動芯片,具有體積小、集成度高、響應(yīng)快,、驅(qū)動能力強(qiáng)等優(yōu)點且成本低,、易于調(diào)試^[8]。信號發(fā)生器采用RIGOL公司的DG1022,，直流電源型號為DP1116 A,。實驗系統(tǒng)的工作頻率(諧振頻率)為536 kHz，供給諧振線圈的直流電源電壓為10 V,。

    系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率是使接收線圈上的負(fù)載兩端的電壓達(dá)到最大(本實驗采用1 kΩ電阻代替負(fù)載),。固定發(fā)射線圈，和接收線圈保持同軸,、平行放置,。每移動一次接收線圈調(diào)節(jié)信號頻率以保持負(fù)載上的電壓值最大，并記錄發(fā)射功率,。在分別做完原始系統(tǒng)和帶有一個增強(qiáng),、附加隔磁片、多接收端系統(tǒng)實驗之后計算系統(tǒng)傳輸效率,，對比實驗結(jié)果后得出結(jié)論,。

2 結(jié)果與討論

    本文的研究是基于一個增強(qiáng)線圈的三諧振系統(tǒng)，三個線圈的尺寸相同,，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,。

    與Marin Soljacic的團(tuán)隊在實驗中采用線圈自身的寄生電容構(gòu)成諧振系統(tǒng)相比^[5]，本文中采用外接電容與線圈為并聯(lián)結(jié)構(gòu),。優(yōu)點是系統(tǒng)諧振頻率更容易調(diào)節(jié)并避免使用過程中的其他因素導(dǎo)致線圈自身的寄生電容發(fā)生改變,，進(jìn)而使得諧振頻率發(fā)生改變導(dǎo)致系統(tǒng)無法實現(xiàn)共振傳輸^[9]。本系統(tǒng)中增強(qiáng)線圈放置在發(fā)射線圈和接收線圈之間用來提高系統(tǒng)的傳輸距離和效率,。為保證系統(tǒng)正常工作,，發(fā)射、增強(qiáng),、接收線圈的諧振頻率相同以達(dá)到共振,。增強(qiáng)線圈僅由線圈和電容組成，且其參數(shù)和發(fā)射,、接收線圈完全一致以保證增強(qiáng)線圈和發(fā)射、接收線圈實現(xiàn)共振傳輸,。由于增強(qiáng)線圈僅由諧振線圈和諧振電容組成,，因此具有很高的品質(zhì)因數(shù)^[7]。系統(tǒng)工作時,，發(fā)射線圈和增強(qiáng)線圈發(fā)生耦合共振,，再通過增強(qiáng)線圈與接收線圈之間的耦合諧振傳輸給接收線圈。最后,，接收線圈將能量供給負(fù)載使用,。

    首先研究增強(qiáng)線圈對系統(tǒng)傳輸效率的影響,。結(jié)果如圖3所示，在其他參數(shù)不變的情況下,，分別測試有,、無增強(qiáng)線圈兩種情況下對傳輸效率影響。

    當(dāng)加入一個增強(qiáng)線圈,，同時固定接收線圈和發(fā)射線圈的位置,，移動增強(qiáng)線圈的位置并調(diào)節(jié)頻率可改變輸出效率。從圖3中可以看出,，隨著傳輸距離的增大,，系統(tǒng)的傳輸效率不斷下降。這是由于隨著距離的增加線圈之間的互感系數(shù)減小,，使得傳輸效率下降,。然而從圖3可以看出,在有增強(qiáng)線圈的情況下, 即使在較遠(yuǎn)距離處，其傳輸效率要明顯大于沒有增強(qiáng)線圈的情況,。在4～7 cm的傳輸距離內(nèi),，傳輸效率可增加20%。其原因在于當(dāng)距離較遠(yuǎn)時接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感系數(shù)急劇下降導(dǎo)致效率降低,；而當(dāng)有增強(qiáng)線圈時其放大了來自發(fā)射線圈的能量,，其等同于減小了發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離，提高了效率^[7],。

    然后研究了兩個接收端對傳輸效率的影響,。由于發(fā)射線圈所建立磁場的方向并不是指向單一的方向，為改善效率,，考慮在前后各放置一個接收線圈,，接收線圈1和接收線圈2，兩個接收線圈使用相同的負(fù)載,，如圖4所示,。

    為了確保磁耦合共振，發(fā)射線圈和兩個接收線圈的電感,、尺寸,、材料等參數(shù)保持不變。實驗時保持發(fā)射線圈固定,，同時移動兩個接收線圈以保持接收線圈1和接收線圈2與發(fā)射線圈的距離相等,。

    如圖5所示，隨著兩個接收線圈與發(fā)射線圈距離越來越遠(yuǎn),，兩種系統(tǒng)傳輸效率均逐漸下降,。但兩個接收端系統(tǒng)的傳輸效率要比一個接收端的效率高。因此增加了一個接收端實際提高了發(fā)射線圈能量的利用率。

    最后研究了隔磁片對傳輸效率的影響,。隔磁片是一種具有較高導(dǎo)磁性能的磁性片,，能高度聚集磁通Φ值，防止磁能量在空氣或其他物體上傳導(dǎo)發(fā)生能量損失^[10],，起到隔磁,、磁屏蔽、增加電感,，從而提高充電效率,，降低充電器發(fā)熱量的作用。實驗中采用硬質(zhì)錳鋅鐵氧體隔磁片,，分別將隔磁片貼附在發(fā)射線圈和接收線圈的背面,，實驗結(jié)果如圖6所示。

    從圖中可以看出,，當(dāng)接收線圈貼附隔磁片時傳輸效率最高,，其與原系統(tǒng)相比效率提升效果明顯。而給發(fā)射線圈貼附隔磁片傳輸效率最低,。因此在實際使用時應(yīng)將隔磁片貼附在接收線圈一面,，至于貼附在發(fā)射線圈一面?zhèn)鬏斝式档停蛏写芯俊?/p>

3 討論

    本實驗中搭建系統(tǒng)的等效電路模型如圖7所示,。

    其中,，V_S為等效交流源，C₁,、C₂為諧振電容,，L₁、L₂為線圈電感,，R₁,、R₂為線圈內(nèi)阻，R_S為電源內(nèi)阻,，M為兩線圈的互感,，R_L為等效負(fù)載電阻，i₁,、i₂為回路電流,。由圖中電流方向列寫KVL方程有：

    而對于多接收端的情況，兩個接收端時系統(tǒng)的傳輸效率要高于一個接收端,。這主要是因為兩個接收端同時工作時,，在一定傳輸距離情況下，接收端所鉸鏈的總磁通比單個接收端工作時要大,，更有效地利用了發(fā)射端所激發(fā)的磁場，所以多接收端同時工作時其總傳輸效率要比單個接收端工作時大^[12]。

    接收線圈附加隔磁材料增大了系統(tǒng)的傳輸效率可由式(8)來解釋,。當(dāng)線圈不加隔磁材料時,，μ_n=1；當(dāng)線圈加隔磁材料時,，μ_n>1使得互感M增大提高耦合系數(shù)k進(jìn)而調(diào)高了系統(tǒng)的傳輸效率,。

4 結(jié)論和展望

    增強(qiáng)線圈、多接收端,、隔磁材料對磁耦合諧振傳輸影響的研究表明,，優(yōu)化的設(shè)計能提高傳輸?shù)木嚯x和效率。這對于以后設(shè)計磁耦合諧振傳輸與設(shè)計應(yīng)用具有一定的使用價值,。

    此外,，本文目前僅僅研究了磁耦合諧振無線能量傳輸中小功率、低頻的情況,。進(jìn)一步微納傳感器無線供電方面研究可望在高頻,、中等功率情況下提高傳輸距離、傳輸效率以及電能的收集等問題上取得突破,。

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