可传输音频信号的简易无线充电器设计

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小编:摘要:无线充电技术是近年新出现的一种充电方式,其极大的方便性在很多方面有重要的应用,所以扩展无线充电器

可传输音频信号的简易无线充电器设计

摘要:无线充电技术是近年新出现的一种充电方式,其极大的方便性在很多方面有重要的应用,所以扩展无线充电器的应用功能必不可少,基于电磁耦合共振原理设计一种充电过程中可同时进行音频信号传输的无线充电装置,实现信号、能量同时传递的多功能化,针对无线充电器的电磁场分布和发射电路的设计,从工作原理到电路逐步分析,并通过实验验证此装置的可行性,为无线充电器的发展提供一种可行的方案。

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关键词:无线充电;电磁共振;多功能;信号传输

早在1836年美国科学家尼古拉·特斯拉发明了基于电磁耦合共振原理的特斯拉线圈,并利用这种装置发射高能电磁波,进行能量传输实验。自此无线输电的概念一直在不时被提起,诸多科学家尝试了多种不同的方法,但一直未能解决能量传输过程中的效率过低问题,直到2007年,由MIT的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展,他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输,在2m多距离内将一个60W的灯泡点亮,且传输效率达到40%左右。随后的几年里,科学界开始在基于这个原理的基础上不断改良设计方案,并成功的提高了传输电磁转换效率。

随着转换效率的提高,这项技术逐渐走进电子产品中,手机、电视、电脑等诸多电子电子产品都开始设计并使用同一标准的无线充电技术,这项技术的普及逐渐与无线信号wifi有了同等重要的地位。然而这项技术仍存在一些技术难题尚未解决,例如目前充电距离短、功率小、充电数量有限等,不过其使用前景非常明朗。在对现有的无线wifi和无线充电技术进行比较分析后,认为可以融合两者优点,可同时实现短距离的信号覆盖及能量传输,本文基于这种思路,设计了一种基于电磁耦合共振原理,实现同时传输音频信号和电磁能量的实验方设计,提供这种方案的可行性。

1 发射线圈的模型分析

1.1 基于亥姆霍兹模型分析线圈轴线磁场分布

此谐振无线输电装置包含两个线圈,每一个线圈都是一个自振系统,线圈由多匝漆包线绕成,在电路中充当电感。其中一个是发射装置,与能量源相连,利用RLC 简谐振荡电路产生振荡电流,通过发射线圈向外发射电磁波,由于大部分能量由磁场携带,可近似看成在周围形成一定范围非辐射磁场。接收线圈在磁场变化作用下将磁场的能量转换成电场;当接收装置的固有频率与收至I的电磁波频率相同时,此时两线圈处在谐振状态,接收电路中产生的电流最强,从而实现电能的高效传输。由此看出发射线圈产生磁场的分布关系可以反映在一定距离内能量输送的效率关系,所以由电流环与磁偶极子的等效性可到线圈产生磁场的空间分布:

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由(1)式可知磁场强度随距离的增加而减弱,并由(2)和(3)所显示磁场密度和磁场能量与磁场强度之间的正比关系,知磁场的能量和密度同样随距离增大而减弱。由于发射线圈产生的磁场使接收线圈振动产生电动势,从而接收线圈也产生一个同频率的交变磁场,在两个磁场的共同作用下,发射线圈与接收线圈之间形成了一种非辐射磁场,将电能转换成磁场。处在谐振工作状态下的接收端在磁场中接收能量,从而完成磁场到电能的转换,运用赫姆霍兹线圈原理,设在理想条件下,两线圈在间距d范围内工作在共振状态下,此时的输电效率为100%,所以两线圈之间电流均为I,线圈半径为R,间距为a(a≤R),见图1不同距离磁场分布。

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(4)式中


表示一线圈圆心场点到某一场点P的距离平方,R表示线圈半径。令p坐标为(x,0),则o2p距离为x-a/2,o1p的距离为x+a/2,由(4)式可计算出两线圈之间和磁场的分布曲线,当x=0时,有


,说明在o处有极值,当o1、o2之间距离增大时,在中点产生的磁场减弱,在o1、o2之间间距减小时,中点o处的磁场增强,可见只要距离a在合适范围内,o点附近的磁场是均匀的,所以x=0是中点o处磁场均匀的条件,所以两线圈中轴上产生的磁感应强度的大小为B=B1+B2

即:

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令x=0,有

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