电磁谐振式无线供电技术的性能研究

Ｇ。ｎｇｙｉ　ｙｕ　Ｊ　ｓｈｕ　三至主　童　电磁谐振式无线供电技术的性能研究　吴辉１邓亚峰：张绪鹏　陈光辉　（１．河南省信Ｉ￣ｌＩ，Ｊｋ学校，河南信阳４６５１５０：２．北京工商大学材料与机械工程学院，北京１０００３７；３．北京市特种设备检测中心，北京１０００２９￣　４．中国北方车辆研究所，北京１０００７２）　摘要：电磁谐振式无线供电技术是国内外学术界和Ｉ￣ｌｌ＇界开始探索的一个新领域。现对电磁谐振式无线供电技术的传输效率和品质因数　进行了理论分析，并选取不同的线圈作为系统的初次级线圈进行实验。实验结果表明，当初级线圈的半径小于次级线圈的半径时，系统的传输性　能较好。如果以ＰＣＢ线圈作为接收线圈，则初级线圈的半径相对越小越好。　关键词：电磁谐振；无线供电；传输性能：品质因数　０　引言　统的传输效率比较高。但是当传输距离增大到一定值的时候，系统　麦克斯韦电磁场理论认为：变化的电场会激起变化的磁场，而　的互感会因为传输距离的增大而急剧减小，传输效率也随之快速　变化的磁场又可以产生变化的电场，电现象与磁现象紧密地联系　地下降，之后传输效率就一直临近０。所以，传输距离是电磁谐振　在一起；这种交替产生的具有电场与磁场作用的物质空间就称为　式无线供电系统的主要影响因素。另一方面，从图２中可以看出，　电磁场。近区场内，磁场强度随距离的变化比较快，在此空间内的　负载电阻对电磁谐振式无线供电系统的传输效率的影响比较小。　ＲＩ　Ｒ２　不均匀度较大　。在近区场，电磁场能量在辐射源周围空间及辐　射源内部之间周期性地来回流动，不向外发射。利用近区场的这一　特性，通过巧妙地制作发射源，使发射源近距离内（ｍ级范围）充满　了不向外辐射的交变磁场，而电场被大大地抑制了（电场被束缚在　电容内），同时也没有产生向外辐射的电磁波。近区交变磁场即为　∞　舯　∞　∞　∞　Ｏ●　无线能量传输的媒介。　电磁谐振式无线供电技术是国内外学术界和工业界开始探索　Ｃ　的一个新领域，其集电磁场、电力电子、高频电子、电磁感应、耦合理　图１串联谐振耦合电路　论等多学科交叉的基础研究与应用研究，属于世界上电能输送领域　的前沿课题。该技术具有以下特点：（１）非辐射性；（２）空间进行能量　交换的媒介是交变磁场，对环境影响较小（电场侧会发生危险）；　（３）无严格的方向性；（４）良好的穿透性，不受非金属障碍物的影响。　Ｐ　迄今为止，无线供电技术的研究大部分还是集中于电磁感应　褂　式和电磁辐射式　”］，并且这２方面的研究也有了一些进展［４－５　３。　较　螺　无线供电技术有３个重要的性能指标：大气隙、高效率和大功率。　啦　电磁感应式无线供电的传输效率能达到８０％，但是其传输距离又　很有限；电磁辐射式无线供电的能量传输距离最大可以达到　１０ｍ，但是其传输功率又很小。与以上２种无线供电技术相比，电　磁谐振式无线供电技术的理论传输距离能达到５　ｉｎ，传输效率能　达到４０％以上，是一种应用范围更宽的新型技术［删。现阶段对电　磁谐振式无线供电技术的研究还处于起步阶段，相关的理论和实　传输距离ｄ／ｍ　Ｏ　０　负载电阻Ｒ，／Ｎ　验研究还很少，尤其是对传输效率影响的分析研究还很不够。本文　将从基本的电磁谐振电路出发，对电磁谐振式无线供电技术的性　图２传输效率与负载和传输距离的关系　能进行研究。　１．２品质因数　品质因数Ｑ（Ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ的缩写）是谐振电路的一项非常重　１　电磁谐振式无线供电技术的性能指标　要的指标，它揭示了谐振电路的各种重要关系，Ｑ值的大小直接影　１．１　传输效率　响谐振电路的通频带和选择性等重要指标。高的品质因数Ｑ值一　当初、次级绕组采用如图１所示的串联谐振耦合电路时，此时　般能达到５００￣２　０００，众所周知，品质因数越高，能量的损耗越小，　串联谐振无线供电系统的模型可以用式（１）表示：　越有利于提高能量传输效率。　『卫．　Ｉ　：１‘　对于谐振电路而言，不论是串联谐振还是并联谐振，都是在电　：———上，＿——　Ｌ——　—Ｆ　Ｘ　１００％　（１）　场能量和磁场能量相互转换的过程中形成的。当回路发生谐振时，　：增Ｌ）ｆＬ　Ｒｉ　Ｌ）＋ｆＬ　　．出　Ⅱ　１‘ｌ　电感线圈中的磁场能与电容器中的电场能周期性地转化着，电抗元　Ｊ　Ｊ　式中，　为空间磁导率；Ⅳ。、Ⅳ２为初、次级绕组匝数－ｒ】、１＂２为初、次级　件不消耗外加电动势的能量，外加电动势只提供回路电阻所消耗的　能量，以维持电路中的等幅振荡。而品质因数则表明在这一过程中　线圈的半径；ｄ为初、次级绕组间的距离；Ｒ。、Ｒ　为初、次级绕组电　阻值；Ｒ　为负载电阻值；∞为系统固有频率。　谐振电路能量损耗的多少。因此，从能量的角度来定义品质因数最　能揭示它的本质。从能量角度分析，谐振电路的品质因数等于谐振　图２为电磁谐振式无线供电系统传输效率与负载和传输距离　电路中储存的总能量与每个周期内消耗能量之比的２１Ｔ倍，即：　的关系图，从图２可以看出，传输效率在传输距离比较小时，系统　的耦合性能比较好，电能能有效地传输到负载，所以在此范围内系　Ｑ－　（２）　机电信息２０１１年第２４期总第３０６期１４１　Ｉ三至兰堡　Ｇ。ｎｇｙｉ　ｙｕ　Ｊｉｓｈｕ　式中，　为谐振电路中电容和电感总的储存能量：　为一个周期　２．２实验　内损耗的能量。　从式（２）可以看出，品质因数实质上是衡量谐振电路储能与耗　２．２．１　初、次级线圈都为普通线圈时的实验研究　从表１的第２、５组线圈中各取一个线圈作为系统的初、次级　能相对大小的一个重要参数，如果在相同的条件下减小回路的电　线圈，进行如下２项实验：（１）将大线圈作为初级线圈（Ａ＝４．３５），通　阻值，Ｄ值必然增大，同时谐振电路的损耗也会相对减少，谐振电　过改变中心偏移量的值测量次级的输出电压值；（２）将小线圈作为　路储能的效率则相对提高。可见，电磁谐振式无线供电系统工作在　初级线圈（Ａ＝０．２３），通过改变中心偏移量的值测量次级的输出电　电路的谐振频率上时，谐振电路进入谐振振荡状态。此时外电路只　压值。实验时初级输入电压为Ｕ．＝１０　Ｖ，初、次级线圈之间的传输距　离为ｄ＝１０　ｃｍ，实验结果如图３所示。　需输入有功功率以补偿　的消耗即可。　２　电磁谐振式无线供电技术的实验　２．１　实验器件的选择　系统采用高频正弦交流电压源供电，电源电压在０～１０　Ｖ范　Ｉ。　围内调节，频率调节范围在０～１０ＭＨｚ之间。　发射端和接收端的谐振电感是由铜芯漆包线绕制的紧密圆柱　单层螺旋线圈。电感线圈的主要特性参数是电感量，由于电感线圈　工作在高频情况下，故不可避免地存在寄生参数，寄生参数主要包　括：分布电容和损耗电阻。其中线圈的总损耗电阻包括直流电阻、　高频电阻、介质损耗电阻等，高频电阻主要是由集肤效应引起的；　介质损耗电阻指绝缘漆包线或丝包线、线圈骨架等绝缘物在高频　下由于极化产生的损耗。此外，线圈的匝与匝之间、导线与绝缘介　质之间能构成分布电容ｌ９＿。　电容是电磁谐振式无线供电的重要元件。电容器的主要特性　参数是电容量、工作电压、电容器的损耗、绝缘电阻和温度系数。由　于电磁谐振式无线供电系统中的电容器工作在高频情况下，此时　电容的工作稳定性会变差；另外，系统工作时会存在电　放大的情　形，尤其是次级绕组的电压增益值会达到１０以上，所以，电容的耐　压值也是我们必须考虑的因素。此外，电容器的引线和接头引起的　电阻也会增大集肤效应。　薄膜电容器具有以下主要优点：　（１）无极性，绝缘阻抗很高；　（２）频率特性优异（频率响应宽广）；　（３）损耗因数小；　（４）高稳定性，高可靠性，温度系数小；　（５）可以承受较大的峰值电流和电流的有效值：　（６）价钱便宜，宜于大量使用做实验。故选薄膜电容作为电磁　谐振式无线供电系统的谐振电容。　在此需要提到的是，由于线圈的绕制存在着误差以及实验环　境中存在着各种干扰因素，使得初、次级线圈的固有谐振频率存　在较小的差异，为了消除这种差异，在初、次级线圈的谐振电容上　分别并联一个可调电容，通过调节可调电容的大小使初、次级线　圈的固有谐振频率相同。实验中用的可调电容的调节范围是０～　２５０　ｐＦ。　实验用的电压源为ＳＯＮＹ—Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ公司的ＡＦＧ３１０型信号　发生器，示波器为泰克公司的ＴＤＳ２０１２Ｂ数字示波器。为了验证电　磁谐振式无线供电系统的性能，设计了表１所示的几组线圈。　表１　电磁谐振式无线供电系统线圈的参数　１４２　９　之　ｓ　寄　丑６　舞５　４　３　０　ＩＯ　２０　３０　４０　５０　偏移量／ｅｍ　图３　Ａ对电磁谐振式无线供电系统输出电压的影响　从图３可知，中心偏移量一定时，Ａ越大，输出电压值也越大；　相应地，输出电压一定时，Ａ越大，中心偏移量的值可以相应地增　大。相反，如果Ａ比较小时，中心偏移量就不能太大。所以，Ａ较大　＼　丑螭　时，电磁谐振式无线供电系统的传输性能较好，这是因为次级线圈　舯　曲　蛐　帅　半径越大，就能有更多的初级线圈产生的磁通量穿越次级线圈，相　应的漏感就会减少，从而系统的耦合性能就得到了提高。　２．２－２初级线圈为普通线圈、次级线圈为ＰＣＢ时的实验研究　从表１第ｌ、２、４组线圈中各取一个线圈作为初级线圈，次级　线圈为ＰＣＢ线圈，线径为１　ＩＴＩＩＴＩ，匝间距为１　１１１１１１。圆形ＰＣＢ线圈　外径为１７．６ｍｎ＇ｌ，内径为１０．８ｍｉｌｌ，电感和电阻分别为１９１　Ｈ和　０．８８　ｎ。实验时初级输入电压为Ｕ．＝１０　Ｖ，通过改变初、次级线圈之　间的距离得到图４的实验结果。从图４可知，当次级绕组为ＰＣＢ　线圈时，初级线圈的半径越小，系统的传输性能就越好。　０　２　４　６　８　１０　距离／ｅｍ　图４初级绕组为普通线圈、次级绕组为ＰＣＢ线圈的实验结果　３结语　在电磁谐振式无线供电实验中，实验结果表明，当初级线圈的　半径小于次级线圈的半径时，系统的传输性能较好。如果以ＰＣＢ　线圈作为接收线圈，则初级线圈的半径相对越小越好。妒　［参考文献］　［１］孔斌，万学滨．浅议辐射骚扰测量中的测试距离的影响［Ｊ］．安全　∞　Ｇ。ｎｇｙｉ　ｙｕ　Ｊ　ｓｈｕ　三至量　机械故障诊断技术在螺杆制冷压缩机上的应用　喻茂霞田松文梁正禄　（贵州水晶化工集团有限公司，贵州贵阳５５１４０２）　摘要：介绍了螺杆制冷压缩机的主要结构及其工作原理，并简述了机械设备故障诊断技术在螺杆制冷压缩机故障诊断中的实施过程。　关键词：螺杆制冷压缩机；机械故障诊断技术；检测　１　螺杆制冷压缩机概述　术状态，并预知各点异常、故障和预测其未来技术状态，从而确定　１．１　螺杆制冷压缩机的主要结构　必要对策的技术。　螺杆压缩机分为单螺杆和双螺杆，现介绍常用的一种开启式　２．２实施过程　双螺杆制冷压缩机，即一对相互啮合的按一定传动比反向放置的　故障诊断技术实施包括两个方面：其一是简易诊断技术，主要　螺旋形转子，转子采用了先进的双边非对称圆弧包络线型线加工，　是现场作业人员实施的初级技术；其二是精密诊断技术，由机械故　水平且平行于机体内部，具有凸齿的转子为阳转子，通常是与原动　障诊断的专门技术人员实施的高级技术。根据螺杆制冷压缩机的　机连接，功率由此输入。具有凹齿的转子称阴转子。阴阳转子由装　工作原理及结构，适合采取初级和高级诊断技术两方面相结合来　在吸、排气端座的主轴承、滚动轴承及调节环等来控制转子的径向　实施故障诊断，且鉴于轴承和转子是螺杆压缩机的典型性的部件，　跳动和轴向窜动，预防转子端面与端座接触相互擦伤。位于阳转子　故将滚动轴承和转子作为直接诊断对象。　吸气端轴颈尾部还装有平衡活塞，起平衡轴向力，减少止推轴承负　２．２．１滚动轴承故障诊断　荷的作用。另外在转子的下部，还装有一个由活塞带动的能量调节　在大部分螺杆制冷机中，滚动轴承的作用是定位转子，防止轴　滑阀和内容积比调节装置。　位移和窜动，并控制转子轴向窜动量小于０．００６　ｍｍ。若轴承一旦初　１．２工作原理　始故障未被发现，待到明显时，转子吸、排气端座的端面已被严重擦　螺杆制冷压缩机属于容积式压缩机，它利用一对相互啮合、　伤或报废。由此，正确诊断滚动轴承劣化过程尤为重要。　按一定传动比反向旋转的阴阳转子在旋转时产生周期性的容积　（１）螺杆制冷压缩机滚动轴承常见故障特征如表１所示。　变化来完成吸入、压缩和排出工作制冷剂的过程。由于每一齿槽　（２）故障检测方法。根据螺杆制冷压缩机的外形结构及运行特　空间里的工作循环都要出现这３个过程，所以在压缩机高速运转　性，唯有用噪声检测法和温度检测法综合检测更为有效。　时，各对点槽的进气和排气循环都重合，从而使工作介质平稳、连　１）噪声检测法。由于噪声是由滚动轴承的振动产生的，所以　续地流过压缩机。同时，为了减少制冷剂气体从二转子之间和转　从本质上分析，噪声和振动一样，也是轴承动特性异常的很好　子与壳体之间泄漏，在压缩机运转时向工作腔内喷进一定量的润　信息媒介，用声信号和数值处理进行定量诊断轴承故障的方法　滑油，以提高气密性，润滑转子齿面，降低排气温度（小于９０℃）　是可行的。螺杆制冷压缩机由很多运动着的零部件组成，有很　和噪音。普通螺杆制冷压缩机的润滑和喷油采用压差供油或外加　多的噪音源，要从中提取故障源的噪声，就要进行噪声测量，通　油泵供油。　常的测量系统包括传声器、测量放大器或声级计、记录器及信　号分析仪。　２螺杆制冷压缩机故障诊断及实施　２）温度检测法。温度异常是机械设备故障的“热信号”，利用这　２．１　机械故障诊断技术简介　些热信号可以查找机件缺陷和电热应力引起的故障。滚动轴承作　机械设备故障诊断技术是利用测取机械设备在运行中或相对　为螺杆制冷压缩机的一个动态机件，若其温升超过限定值，则预示　静态条件下的状态信息，通过对所测信号的处理和分析，并结合诊　着故障的存在和恶化。因此，测定和监测轴承温度，就可以判断其　断对象的历史状况，来定量识别机械设备及其零件、部件的实时技　所处的技术状态。　与电磁兼容，２００２（１）　ｎｏｎ—’ｒａｄｉａｔｉｖｅ　ｍｉｄ—　ｒａｎｇｅ　［２３　Ｈｉｒａｉ　．Ｋｉｍ　Ｔ　Ｗ　Ｋａｗａｍｕｒａ　Ａ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓＪｏｎ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ．２００８，３（２３）　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｃａｂｌｅｌｅｓｓ　１　ｉｎｅａｒ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅ　［８］Ｓｏｌｊａｅｉａ　Ｍ，Ｒａｆｉｆ　Ｅ　Ｈ，Ｋａｒａｌｉｓ　Ａ．Ｃｏｕｐｌｅｄ—ｍｏｄｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｆｏｒ　［Ｊ］．ＩＥＥＥ　ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０００，１５（１）　ｇｅｎｅｒａｌ　ｆｒｅｅ—ｓｐａｃｅ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｗａｖｅｓ［Ｊ］．　［３３　Ｅｓｓｅｒ　Ａ，Ｓｋｕｄｅｌｎｙ　Ｈ　Ｃ．Ａ　ｎｅｗ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐ］ｉｅｓ　Ｐｈｙｓｃｉａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ．２００７，７５（５）　ｆｏｒ　ｒｏｂｏｔｓ［ＪＪ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａ—　［９］丁明芳．电感（Ｌ）、电容（ｃ）回路及应用［Ｍ］．中国科学技术大学出　ｔｉｏｎ．１９９ｌ，２７（５）　版社，１９９５　［４］周雯琪，马皓，何湘宁．基于动态方程的电流源感应耦合电能传输　电路的频率分析［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８（３）　［５３王路，陈敏，徐德鸿．磁悬浮列车非接触紧急供电系统的工程化设　计［Ｊ］．中国电机工程学报，２００７，２７（１８）　［６］Ｓｏｌｊａｃｉｃ　Ｍ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃａｎ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ　ｒｅｃｈａｒｇｅ　ｌａｐｔｏｐｓ，ｃｅｌｌ　ｐｈｏｎｅｓ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｃｏｒｄｓ［Ｒ］．Ｓａｎ　Ｆｒａｎ—　收稿日期：２０１卜０６－２９　ｃｉＳＣＯ：Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６　作者简介：吴辉（１９７３一），男，河南潢川县人，讲师，研究方向：电　［７］Ｋａｒａｌｉｓ　Ａ，Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ　３　Ｄ，Ｓｏｌｊａｅｉａ　Ｍ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　磁理论与应用。　机电信息２０１１年第２４期总第３０６期１４３