基于磁悬浮的无线充电技术

１ ． 引 言
无 线 充 电 及 是 可 实现 在 距 离 充 电 器 几 米 远 的地 方 进 行 无 线 充 电 。而 所 谓 的 无 线 充 电 技 术 ， 即 不 用 通 过 电源 线 和 电缆 等 一 切 外 接 设 备 ， 就 可 给 电 子 设 备 充 电 。 其 原 理 是 利 用 磁 共 振 在 充 电 器 与 设 备 之 间 的 空 气 中 传 输 电荷 ， 线 圈 和 电容 器 则 在 充 电 器 与设备之 间形成共振 ，实 现 电能高 效传 输的技术 。而 目前 的悬 浮 技 术 主 要 包 括 电磁 悬 浮 、 光 悬 浮 、 声 悬 浮 、气 流 悬 浮 、静 电 悬 浮 、粒 子 束 悬 浮 等 ， 其 中 电磁 悬 浮 技 术 比较 成 熟 。 一 般 通 过 线 圈 的 交 变 电 流频 率 为 １ ０ ４ －１ ０ ５ Ｈｚ 。
基于磁悬浮的无线充 电技术
北京联合 大学 苏秀珍 王 夕岩 苏幼香
【 摘要 】 无线充电是指 内 置 电池的设备或装置，透过 无线感应的方式取得 电力而进行 充电。无线充 电 技 术，源于无线电力输送技 术，其
工作原理利用的是法拉第 电磁感应，当电流通过线 圈之后 ，便会产生出磁场 ；而产生的磁场又会行成 电压，有 了电压之后便会产 生电流 ， 有了电流便可以充电。磁 悬浮装置的原理是利 用对电磁铁 电流的控制来实现一个浮子在空中的来回反复运动，达到悬浮的效果。
电能 的无 线 传 送 实 际 上 是 通 过 送 电线 圈 Ｌ ｌ 和 受 电线 圈Ｌ ２ 的 互 感 作 用 实磁 芯 的 变 压 器 的 原／ ｉ ｌ 线 圈 。为 保 证 足 够 的 功 率 和 尽 可 能 高 的 效 率 ，应 选 择 较 高 的 调 制 频 率 ， 同时 要 考 虑 到 器件 的 高 频 特 性 ，经 实 验 选 择 １ ． ６ ＭＨ ｚ 较 为合适。 以单 片 机 为核 心 ，设计 磁 悬 浮 子 的 控制 电路 设 计 ，对 控 制 算 法进 行研 究 ，编 写程 序 ，通 过 传 感 器对 浮 子 位 置 的测 量 ，通 过 单 片机 来 实 现 对 浮 子 悬浮 的稳 定 控 制 。采 用 霍 尔 元 件检 测 浮 子 ，输 位置 出电信号经Ａ ／ Ｄ转换反馈至单片机 ，运用单片机数字Ｐ Ｉ Ｄ控制 器来 控制 磁 悬浮 子 在磁 场 中 的位 置 。总流 程 如 图２ — ２ 所示。
图３ —１模 拟 量 参 数
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图２ — ２ 总流 程 圈
给定 数字 量的作用 是手动控制浮 子在磁场 中的位置 ，根据
・１ １ ２・ 电早世界
（ １ ）一 个 模 拟 量 接 近 开 关 控 制 几 个 开 关 点 人 们 常 常 会 遇 到 这 种 情 形 ，在 被 检 测 目标 物 体 的 运 动 过 程 中 ， 某 一 动 作 需 要 在 不 止 一 个 位 置 被 触 发 。 更 多 的 是 ： 不 同 的 位 置 往 往 发 生 一 些 相 关 的 动 作 。 因 此 ，一 个 程 序 控 制 站 ， 可 用一张金属盘 片和一个模拟 量接近开 关替代几个 凸轮和 同等 数 量 的 接 近 开 关 ， 来 解 决 此 类 问 题 。 例 如 通 过 一 个 带 模 拟 量 输入 的Ｐ Ｌ Ｃ输入模块 来实现该功 能ｆ 例如西 门子 ｓ ５ ，６ Ｅ Ｓ ５ ４ ６ ４ — ８ ＭＣ１ １ ） 。现在 以非常合理 的价格便可 买到这些模块 。当然也可 以使 用 其 它 供 应 商 的信 号处 理 装 置 来 实现 该功 能 。 （ ２ ）模拟量接近开关线性运动转换成 电子信 号 用 接 近 开 关 将 线 性 运 动 转 换 成 电子 信 号 的 最 直 接 简 单 的 办 法 。 但 是 这 种 情 况 ，必 须 保 证 设 备 没 有 被 物 理 接 触 。然 而 在 实 践中， 开关 的检测范 围往往不够大 ，造 成直接检测有 困难。但如 果使 用楔形 的物 体 ，便 能随意调节检测 范 围。同时如果 此物体
【 关键词 】 磁 悬浮 ；无线充电；电磁 感应
给 定 量 不 同 ，浮 子 的 受 力 大 小 也 随 之 改 变 。 单 片 机 控 制 器 主 要 是 在 接 到 传 感 器 的 反 馈 后 ，通 过 把 模 拟 信 号 转 换 成 数 字 信 号 ， 发 给 磁 铁 执 行 器 ， 从 而 控 制 磁 场 大 小 。 功 率 驱 动 则 是 改 变 驱 动 能力 。 霍 尔 元 件 则 是 用 于 测 量 浮 子 位 置 的 传 感 器 ， 并将 其 信 号 通过模数转换发送给单片机控制器 。 通过将浮子与受 电线圈Ｌ ２ 的有 效 结 合 ， 即可 实 现 悬 浮 无 线 充 电。
２ 。 系 统设 计 及实 现方 案
２ ． １ 系统 分 析 将 直 流 电 转 化 成 高频 交 流 电 ，然 后 通 过 没 有 任 何 有 线 连 接 的 原倡４ 线 圈 之 间 的 互 感 耦 合 实 现 电 能 的 无 线 馈 送 。基 本 方 案 如
图２ — １ 所示。
图２ — １无线 电 能传 输 示 意 图
３ ． 机 械 系统 设计 与 实现
３ 。 １ 模 拟 量 接 近 开 关 通 常 ， 电感 式 接 近 开 关 均 有 着 相 同 的工 作 原 理 及 应 用 。然 而， 本 文所 要讨 论的 是模拟 量接 近开 关的一 些特 殊特 性 。下面 所 讲 述 的 例 子 均 来 源 于 实 践 ， 由于 篇 幅 有 限 ， 只能 选 择 部 分 实 例 ，但 从 中可 以 看 出 它 的 应 用 是 极 其 广 泛 的 。 如 图 ３ — １ 所 示 ，给 出模 拟 量 参 数 参 考 。