应用于转轴的无线供电装置研究

作者：罗鸿飞 李建宇

来源：《电子科学技术》2017年第02期

摘 要：工程上，对设备的旋转部分供电一直是一个难题。传统的电刷、集电环等供电方式存在着诸多问题。本文结合实际应用研究了一种利用电磁感应原理的无线供电系统，并提出应用过程中需要注意的一些问题。通过实验，该无线供电系统可以方便应用于转轴旋转部份供电，最大可以传输约12W的功率，并可以达到近70%的效率，满足设计需求，并被应用在实际产品当中。

关键词：无线供电；线圈设计；磁屏蔽；ZVS

中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号： 2095-8595（2017） 02-029-03 电子科学技术 URL： http：//www.china-est.com.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.02.008

Abstract： Powering electronic devices on rotating part of a system has long been a difficult engineering problem. The traditional ways of using brushes or conductive rings has a lot of

disadvantages. This paper tries to propose a wireless way of transferring power to rotating part using electromagnetic induction. According to our tests， the system we built can deliver 12W of power with an efficiency near 70%， which is adequate for our purpose.

Key words： Wireless Power Transmission； Coil Design； Magnetic Shielding； ZVS 引言

现实应用中，往往会遇到将电子电路安装在旋转部件上的情况，如转轴扭矩测量、旋转LED显示等。对旋转部份的供电一直是工程上的一个难题。现有方法如电刷、集电滑环等，存在寿命有限、可靠性不高、转速范围有限制、易产生火花和接触不良等诸多问题。采用无线供电的方式，能大大提高可靠性。由于不存在摩擦，装置的寿命将大大延长，且不会出现接触不良等现象[1]。但是，无线供电也存在一些弊端，如效率较低，干扰较大等。因此，较好的线圈设计、系统结构设计及屏蔽措施的使用就显得十分重要[2]。

本文使用Ansys Maxwell对运用于转轴的无线供电线圈进行了设计与仿真。使用Multisim搭建仿真电路，对无线供电电路的性能进行初步分析。最后绕制线圈，制作电路板，对实际系统性能进行了测试。

本文中所设计的转轴无线供电系统运用于旋转LED显示设备上。该系统的旋转部分由一个无刷电机驱动。因此本文的研究均围绕该应用展开。不过具体的设计方法和思路也可以运用到其他类似的工程场合中。 1 线圈和结构设计与仿真

本设计中，使用外转子无刷电机驱动设备旋转部分，电机直径28mm，长度为20mm。可供选择的线圈方案有盘状线圈和螺旋线圈[3]。盘状线圈占用面积较大，耦合度较低，不适合在此使用。故选择筒状螺旋线圈。发射线圈与接收线圈相互嵌套在电机外侧，实现电能传输。整个无线供电机械结构剖面图如图1所示。

发射线圈和接收线圈使用0.1mm×100股纱包线绕制，可最大程度减小趋肤效应和涡流带来的损耗，增大传输效率。在实际测试前，我们使用Ansys Maxwell对不同圈数的收发线圈进行了建模仿真，并且计算了金属转轴（无刷电机）对线圈耦合度的影响以及电路工作时电机金属外壳中涡流情况。最终，确定的发射线圈共绕制2层，每层6T，接收线圈同样为2层，每层6T。通过仿真软件取得线圈参数为：发射线圈自感7.9μH，接收线圈自感5.6μH，线圈耦合系数约为0.6。

同时仿真表明，如果不对电机增加屏蔽措施，其金属外壳中会感应出较强涡流，使得电机发热，影响无线供电效率和电机寿命。实际应用时，在电机外侧增加一层0.2mm的锰锌铁氧体导磁片，经实验，可有效屏蔽线圈产生的磁场，减小涡流，增大供电效率。 2 电路设计与分析

无线供电电路分为发射部分和接收部分。为了尽可能减小系统复杂程度与成本，本设计的发射部分使用电容和发射线圈构成并联谐振电路，并用单MOS管构成的ZVS（零电压开关）驱动。接收部分使用一个接收线圈。由于发射部分产生的波形并非标准正弦信号，包含很多高频分量；接收部分未并联谐振电容，否则会导致较大的能量损耗。

无线供电发射与接收部分电路如图2。发射电路供电电压为12V，MOS管由三极管电路驱动。PWM1为来自单片机PWM输出口的驱动信号。C1～C4与L1构成π形滤波电路，用于滤除无线供电电路产生的电流纹波。C6、R4、D1构成保护电路，用来防止单片机跑飞可能导致的MOS管常开。

电路中，L2为无线供电发射线圈，C7～C10为谐振电容，用于在Q4关断时储存L2上未被接收线圈吸收的能量。由于电路工作频率较高，且发生谐振时L2两端的电压幅值很大，此处使用4个33nF的NPO电容并联，在保证ESR尽可能小的同时增加电路参数的稳定性。根据计算获得的線圈参数可知，空载情况下发射线圈与电容谐振频率约为180KHz。

无线供电接收电路由接收线圈L3、整流滤波电路及降压DC-DC构成。使用Multisim对整个电路进行仿真。出于方便考虑，仿真时由纯电阻作为负载，未考虑整流电路和DC/DC。图3为电路空载工作时的波形。为使得MOS管工作在ZVS状态，必须保证开关频率低于发射线圈与谐振电容的谐振频率。否则MOS管导通时，谐振电容上的电压仍低于电源电压，MOS管上会有很大的电流冲击，导致效率下降。根据图3，MOS管导通时，发射线圈中的电流I1呈线性上升，电源电能被储存在电感中，并在MOS管关断后释放到接收电路中。因此开关频率越低，可传输到负载端的功率也越大，但发射电路的峰值电流也越大，会导致MOS管管耗增加，影响效率。经过权衡，选择110KHz作为电路工作频率。此时经过仿真得到的输出最大功率为14.96W，电路输入功率17.57W，效率约85%。根据仿真得到的发射线圈电流与电压峰值，我们可进一步确定MOS管的最大耐压UDS和最大漏极电流ID，从而选择合适的型号。本应用中，最终确定的MOS管为IRFR024。该管耐压60V，最高持续电流14A，且封装较小，适合本应用。

由于无线供电系统的品质因数不高，当负载变化时，接收线圈的输出电压也会有较大范围波动。当接收线圈输出电压过低，整流电路输出电压达不到DC-DC的最小输入电压时，系统便无法正常工作。因此，对实际电路进行设计时，我们同时选择了全桥与倍压两种整流电路进行了对比。图2中显示的是全桥整流电路。倍压整流电路则是将D4、D5换成电容。此电路可以利用发射线圈充电时在接收线圈中感应出的电压，将整流输出电压提高约5V，对提高系统最大输出功率有较大的帮助。 3 实际测试结果

我们根据设计与仿真过程的结果绕制无线供电的收发线圈，并搭建实际电路对无线供电装置进行了验证。图4和图5分别是实测无线供电系统效率和电压与输出功率的关系。实验结果表明，相比于全桥整流电路，使用倍压整流的无线供电电路可提供更高的输出电压。本应用中，DC-DC的输出电压为5V，因此在 DC-DC正常输入电压范围内，倍压整流电路可以提供约12W的输出功率，足以满足设备运转需要。

在无线供电系统正常工作范围内，输出功率越大，则供电效率越高。采用倍压整流的供电电路在12W输出时，效率接近70%。相比于仿真，这个值有所降低。这主要是由于处在线圈中心的电机屏蔽不完全，产生涡流而导致的功率损耗。如果使用更好的导磁屏蔽材料，则系统的效率还有望进一步提高。

在设计PCB时，我们将MOS管直接焊接在PCB上，通过大面积铜箔散热。实际测试表明，环境温度25℃，12W满载输出，无主动散热时，MOS管表面最高温度不超过70℃，处于安全工作范围内。 4 结论

通过仿真与实际测试表明，此次设计的无线供电系统成本低，且可以较好应用于对转动部件的非接触电能传输。实际应用时，需注意选择无线供电系统的工作频率，电容材质以及MOS管参数。绕制线圈时，采用多股线可以进一步提高效率，减小发热。对于金属转轴，必须使用导磁材料进行磁屏蔽以减小涡流损耗。另外，采用倍压整流电路可以进一步增加供电电路输出功率。 参考文献

Fatula Jr J J， Hitzfeld R W， Contreras R， et al. Rotary element apparatus with wireless power transfer： U.S. Patent 6，278，210[P]. 2001-8-21.

Kim J， Kim J， Kong S， et al. Coil design and shielding methods for a magnetic resonant wireless power transfer system[J]. Proceedings of the IEEE， 2013， 101（6）： 1332-1342. 夏增林， 陳启军. 简易无线供电系统设计[J]. 微计算机信息， 2005， 21（25）.