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1、电磁谐振耦合式无线输电鼠标的研究与开发合肥市第六中学刘博文摘要：目前广泛使用的无线鼠标都要靠电池供电，一方面电池的生产和回收都会带来环境污染的问题；另一方面会导致鼠标重量增加，使用起来不够轻便。 无线输电是一种利用无线电技术传输电能的新技术，无须任何物理上的连接，电能可以无接触地传输给负载。本文在对 无线输电技术进行总体介绍的基础上，主要介绍了电磁耦合共振式无线输电技术的基本结构和工作原理，然后基于电磁耦合共振原理设计与试制了一种小型的无线传输电力装置，并将此装置应用到无线鼠标中，分析了影响鼠标正常工作的因素并提出一些解决方法。制作的原型无线鼠标无需使用电池，减小了鼠标的重量， 提高了其操作舒
2、适性。 最后对该无线鼠标有待研究的问题及发展应用趋势进行了展望。关键词：无线输电，电磁耦合共振，无线鼠标1引言自从第二次工业革命以来，人类社会便进入了电气化时代。大至遍布全球各地的电网、高压线，小到各种家用电气设备，电能的传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。这种“有线”的传输方式带来了不少问题。由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容 易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全。另外，传统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿井和水中等。随着人类社会经济的发展， 各种电子设备得到了广泛的使用，但是太多的电线和插座给人们的生活带来不便。此外，植入体内的医疗设备的长期
3、供电也存在很大的不便，这些问题促使着无线电能传输方式的产生。无线电能传输(wireless power transfer, WPT),又称为无接触式电能传输 (contactless power transfer,CPT),指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。早在1893年的哥伦比亚世博会上，美国科学家Nikola Tesla展示了他的无线磷光照明灯。Nikola Tesla利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡。这是人类在无线电能传输初期阶段的重要尝试。1968年，美国航空工程师 Peter Glaser提出了建立空间太阳能电站 的概念，利用在
4、外太空的卫星，收集太阳能并传输到地球表面上来。随后，美国和日本等主要发达国家相继开展了空间太阳能电站的研究。2007年，美国麻省理工学院(MassachusettsInstitute of Technology , MIT）的Marin Soljacic 教授等人在中等距离无线电能传输方面取得了 新进展。他们“隔空”点亮了 1盏离电源2m开外的60W灯泡，效率达到了 40%。随后，世界各 地的研究人员对无线电能传输开展了越来越多的研究。根据传输原理的不同，无线电能传输可以分为三类：（1）电磁感应式无线输电，主要是利用电磁感应原理，通过采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实现功率无线传输；（2）
5、远场辐射无线输电系统， 是利用微波进行无线能量传输技术，即直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理；（3）电磁耦合共振式无线输电系统是基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电能高效的传输。相比较来说，一般微波方式目前传输距离最远，传输功率也最大，而且可以克服障碍物的影响，但是在能量传输过程中，发射器必须对准接收器，能量传输受方向限制，微波在空气中的损耗也大，效率低，对人体和其他生物都有严重伤害，所以该技术一般应用于特殊场合。电磁感应式传输功率的容量目前可达数百千瓦，小尺度障碍物也不会对其功率传输带来大的影响，但是传输距离非常近，约为几个厘米。电磁耦合共振式无线能量传输技术，不仅提高了能
6、量的传输距离， 而且提高了能量的传输效率，因此该技术成为无线输电技术重点研究方向。目前国内外对于无线输电的研究都处于探索理论阶段，本文主要针对电子产品鼠标，基于电磁耦合共振原理进行设计，由此可以应用到其他电子产品中，这为以后该技术能够应用到小家电产品中提供一定理论和技术支持。2电磁耦合共振式无线输电原理2.1 电磁耦合共振输电原理电磁耦合共振式无线输电系统是基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电能高效的传输。其原理是基于 2个电磁波在满足规定条件的情况下，在同一波导（腔体）的不同电磁波的模式之间或不同波导（或腔体）的同一电磁波模式之间可以发生耦合谐振的现象，通过理论分析计算或实验的方法选择
7、耦合模参数，利用强磁场耦合共振方式使能量在收发2个谐振腔之间有效传输。典型的电磁共振耦合无线输电系统如图1所示，整个装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置， 与能量源相连，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，在周围形成非辐射磁场；当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。在能量传输的过程中，电磁波的频率越 高其向空间辐射能量就越大，传输的效率也就越高。接受哪接收瑞图1.基于电磁耦合共振无线输电系统图2.2 电磁耦合共振输电系统的定性分析针对电磁
8、耦合共振的定性分析主要为电路理论分析。利用上述系统电路图，得出等效电路图，如下图2所示：发射线圈接收战阖10图2.等效电路图从上述等效电路图可以看出电源给发射线圈供电，当频率为系统谐振频率， 此时发射线圈发生谐振。即使在不高的供电电压下，因为发生谐振，也能产生较大的电流I1 ,从而建立起较强的电磁场。发射线圈中电容 C1的电场能因为谐振与电感线圈 L1中的磁场能不断地 进行交换。而发射端电感线圈中磁场有一部分钱链到接收端的电感线圈，交变的磁场即Ml2,在接收线圈中感应出电流 Il,因此能量传递到了接收端。在接收端，电容 C2中的电 场能和电感线圈 L2中的磁场也因为谐振在不断地进行能量交换，最
9、终把能量传递给负载 Zl。再根据基尔霍夫定律，当电源频率等于系统自谐振频率时，发生谐振，这时可是求出 电流Il和I 2。2.3 影响电磁耦合共振有效传输距离的因素分析在发射线圈与以常用的漆包线绕制的螺旋线圈为对象分析有效传输距离及其影响因素。接收线圈为螺旋线圈并且同轴放置时，耦合共振式无线电能传输距离与互感的关系为:花M= M12= M 21 电（51）0.5（2）2D32式中,ni ，n2为发射与接收线圈的匝数；ri, 2为发射与接收线圈的半径；D为线圈间距离。对于结构、参数相同的发射线圈可令 n产n2=n,4冗生nrri = r2=r，代入上式于是得到：M = ,线圈的电阻包括损耗电阻 R
10、。和辐射阻抗Rr 。2D3对于磁耦合共振式无线电能传输系统，其最佳谐振频率在150MHz此频段范围内RrRo,因此可以忽略辐射损耗。高频条件下线圈的损耗电阻:与为角频率；6为电导率；l为线圈漆包线的周长；a为线径。将上述两式代入耦合因数“=M=1可得有效传输距离，即 D = W1u006r ,可知，有效传输距离与线圈直径r,线径a,角频率& ,电导率6等因素有关。3基于电磁耦合共振原理的无线输电鼠标对比现行无线鼠标需要使用电池这一缺点，基于电磁耦合共振的原理，设计了一款新型的无线输电鼠标，通过不断实验，调整电路各部分元件，最终实现鼠标在一定距离内正常工作。在实验设计初期，购买与准备了实验所需材
11、料，包括：剥线钳、剪刀、镣子、电子元件（包括三极管B772、三极管8050、导线及电阻、电容、电感若干）、信号发生芯片MAX038、 运算放大芯片，以及示波器、万用表等仪器与设备。设计的电路主要包括交流逆变部分、发射端和接收端耦合共振部分、整流滤波稳压部分， 以下分别进行介绍。3.1 交流逆变部分通过信号发生芯片研制交流逆变装置，产生交变信号。实验以MAX038为主要元器件辅以外围电路产生交变电压， 再利用高速运算放大芯片产生一定功率的交变电压，见图3与图4。实验过程中的实际电路图和产生的波形图分别如下图5和图6:图3.交流逆变LET阳 LMInAA刃 T.W UKL口= 注5k图5.实际电路
12、图图4.信号放大图6.产生波形图经实验，此交流逆变装置能产生频率为 1MHz70MHz的正弦交流电信号，且波形稳定。 实验过程中交变信号非常接近正弦，理论上磁耦合共振的效果会很好，频率在一定范围可调， 便于磁耦合共振的精确调节。试验时采用的交流信号周期为15us。3.2 发射端和接收端耦合共振部分交流逆变装置输出的交流电由无线输电装置的发射端部分能将其部分能量转换成非辐射式磁场，高效地向无线电力输送装置的接收端传输能量。其发射端由感应线圈与并联电阻（保证一定的电压）、串联电阻（限流）、串联电容组成；其接收端由接收感应线圈、电容及 电阻串联而成，其中电感的电感值与电容的电容值需满足磁耦合共振公式
13、。实验时采用采用小直径绕制了多圈的线圈，电感为73uH,根据T =一1 2栽LC带入线圈电感值 L及交流信号周期 T,计算得电容值 C=81nF。接收端接收到的能量从电容两端以电压的形式引出，实验发射端和接收端线圈共振前后 电压传输效果如图7和图8所示。其中黄色为发射端电压信号，蓝色为接收端电压信号。图7.初始时电压传输效果图8.调节共振时电压传输效果3.3 整流滤波稳压部分实验时利用整流桥将无线输电装置的接收端接收到的交流电转换为直流电力，经并联电容滤波后，利用稳压二极管将电压钳制在 2V,经串联电阻分压后提供给无线鼠标 1.5V的电 压，如图9所示。经实验，无线鼠标获得该装置提供的电力后能
14、正常工作，如图10、图11所示。图9.整流滤波电路图10.实验连接电路图11.鼠标状况3.4 实验数据为了更快更好地找出电磁谐振式无线输电过程中各个试验因素对无线输电效果的影响规律，选用正交试验方法进行试验设计。根据现有的试验条件和研究经验，试验选择电源电压、线圈直径、线圈距离三个个主要影响因素作为试验因素，每个试验因素设定 3个因素水平。根据因素及水平的数量，试验方案采用简化的L9 (34)标准正交表18，19,共设计9次试验，正交表表头设计如表1所示。试验结果如表 2所示。表1.因素水平表水平因素电源电压(V)线圈直径(mm)线圈距离(mm)15105028.53010031250150表
15、2.试验结果记录表试验序号试验因素鼠标端电压(V)鼠标能否正常工作电源电压(V)线圈直径(mm)线圈距离(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3.5实验结果分析1 .电源电压、线圈直径和增大，对鼠标端电压都有增大的趋势。2 .线圈距离增大，对鼠标端电压有减小的趋势。3 .根据试验5, 8.5V电源电压和30mm的线圈直径下，无线鼠标能在线圈距离150mm的情况下工作，已基本满足笔记本电脑的鼠标使用要求。4 .根据实验8和
16、9,此时鼠标虽不能正常工作， 但是由于鼠标端电压过高导致的， 由于 线圈距离增大，对鼠标端电压有减小的趋势， 意味着线圈距离可以继续增大， 无线鼠标在这 两组试验的电源电压和线圈直径条件下能工作的无线输电距离比试验的线圈距离更远。4工作展望当前实验研究成功的无线输电鼠标由于发射端和接收端线圈距离比较短，还不能大量应用到实际产品中，在研究设计过程中， 发现发射端部分和接收端部分能量损耗比较大，利用率不高，在之后的研究过程中需要通过实验研究发射端功率和线圈直径，形状来提高发射端和接收端的距离，并且能够保证能量转换过程中的能量利用率。通过后续不断实验来提高发射端线圈和接收端线圈之间的距离，解决能量利用问题，最终能够实现此款无线输电鼠标的产品化，并且能够将此款技术应用到其它电子产品，使人们未来有望摆脱手机、相机、笔记本电脑等移动设备电源线的束缚，享受由机场、车站、洒店 多种场所提供的无线输电，还可用于一些其它特殊场合。总之，从长远来看，无线输电技术有广泛的应用前景。