6.78 MHz 集成无线电机

问题

无线电机用无线电能传输（WPT）链路取代供电线缆，从而避免机器人、人工心脏等医疗设备中线缆的磨损与缠绕。但现有系统大多采用体积较大的 kHz 级线圈，且线圈远离电机放置，功率密度低，电机的活动范围也因此受限。

方法

我端到端地设计了完整的无线电能传输链路：

• 发射端 —— 电流型 Class E 功率放大器，采用软开关参数化设计。
• 谐振链路 —— 工作在 6.78 MHz，将接收线圈缩小到 60 mm × 1 mm（2.8 cm³），并可使用小型贴片电容。
• 接收端 —— 高频半桥整流器，为驱动永磁同步电机的三相 GaN 逆变器供电。
• 集成 —— 圆形 PCB 安装在电机尾部（轴向机壳安装方案）；用 250 V MLCC 阵列取代电解电容作为直流母线电容，既保持紧凑，也消除了电解电容干涸失效的风险。
• 固件 —— 基于 STM32G4 的 V/f 控制，SPWM 调制比可自动补偿直流母线电压跌落。

设计中有两个关键的集成难点。一是电机的铁磁结构会使线圈磁场发生畸变：我先用 Ansys HFSS 多物理域仿真量化电感漂移，再用阻抗分析仪实测验证，然后才投板制作。二是电机驱动对无线电能传输链路而言是动态负载，因此链路针对大范围的阻抗变化做了鲁棒性优化。

结果

• 接收端功率密度 10.6 W/cm³，而已发表最接近的系统为 1.8 W/cm³。
• 从直流电源到机械轴的端到端效率 69%（无线传输级 > 89%，变换器级 92%）。
• 负载阶跃 6 倍（0.045 → 0.27 N·m）时仍保持 600 r/min，调节时间 15 ms，母线电压无崩溃。
• 在 1–4 cm 线圈间距和 ±20 mm 横向偏移范围内稳定工作（效率 69% → 60%）。
• 15 分钟温升测试：GaN 器件 51.7 °C，线圈 30 °C，MLCC 电容组 35 °C。
• 各级损耗分解（电机 42.4%、变换器 23.1%、线圈 18.4%、功率放大器 16.1%），为后续优化指明方向。