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user: 3. TRIZ方法应用 3.1. 项目背景 随着信息时代的发展，手机成为了绝大多数人进行沟通和获取信息的工具，是当今人类与外界沟通的重要媒介，但对手机进行充电以保证其工作的同时还要保证使用手机的可移动性成为了一个难题。在使用传统有线充电方式和磁耦合式无线充电方式进行充电中，手机不能进行自由移动，若想提高充电时的可移动性，需要增加无线充电的传输距离。充电装置分为接收装置与发射装置两部分。发射机通过传感器在空间内智能寻找接收机的位置，随后用微波式传电方式对这个位置进行集中输电，输电距离可以满足居家环境的充电需求。促进人工智能更容易融入生活，实现万物互联。 本项目借助TRIZ创新工具实现采用微波式传电的方式来改善无线充电设备的适用性和无线传电距离；将发射天线与万向轴固定，形成以中心点为轴可无死角转动的发射器，运用手机蓝牙功能，使发射天线与接收天线达到最大匹配，最大程度上改变无线充电的可移动性。按照问题分析、IFR定义、功能分析定义矛盾、借助发明原理和物场分析寻找解决方案 [ 8 ]。 3.2. 问题分析与IFR定义 磁耦合无线充电系统的工作原理是通过初级线圈一定频率的交流电，再利用电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。但是，当用户采用磁耦合式无线充电设备对手机进行充电时，需要保证手机与充电设备贴合或在极近的范围内，当距离过远时，充电速度大幅度降低或者无法正常充电。且存在的限制性条件，磁耦合式无限充电仅能在很近的范围内才能传输较大功率的电能，因此，充电设备与手机的距离想在保证充电效果的同时尽量拉开二者的距离就难以实现。 目前，已有的解决方案是将磁耦合无线充电装置与传统有线充电装置结合在同一台充电设备上，让用户根据自身情况来进行选择，在最大程度上保证用户的充电需求。这种方案的不足是，虽然采用磁耦合无线充电装置与传统有线充电装置结合在同一台充电设备上，一定程度上保证了永和的充电需要求，但是并没有解决磁耦合式无线充电在有效充电距离与充电功率间的根本矛盾 [ 9 ] [ 10 ]。首先，我们根据天线传输效率的公式来定义IFR。公式如下式(1)。 p = 16 π d 2 L f r λ 2 G T G R (1) IFR定义为上式中p为最大，因此，设计的最终的目标是d = 0，L f r = 0，即无损耗无限远无线电能传输。显然，在实际传输的环境中无法做到无损耗即L f r ≠ 0。经过头脑风暴分析，初步得到电能、空气、智能系统是可以改善系统性能的资源要素，而我们的设计目标是智能系统。 3.3. 功能分析 根据以上的初步分析，我们确定了改善的对象是智能系统，在查阅相关文献的基础上，借助于TRIZ得到如下的功能分析表1。根据功能分析表，将其中功能具体描述，又得到功能列举表2。 Table 1 Function analysi 电源 接收线圈 手机 发送线圈 导热装置 温感系统 驱动芯片 磁场 电场 电源 - - + - - + - - 接收线圈 - + + - - - + + 手机 - - - - - - - - 发送线圈 + - - + - + - - 导热装置 + - - + - - - - 温感系统 - - - + + - - - 驱动芯片 - - - - + + - - 磁场 - - - + - - - - 电场 - - - + - - - - 表1. 功能分析表 Table 2 Function lis 组件对象 功能 利/害 组件对象 功能 利/害 电源→发射线圈 提供电能 利 导热装置→发射线圈 吸收热量 利 手机→接收线圈 承载 利 导热装置→温感系统 吸收热量 利 发射线圈→接收线圈 传电 利 导热装置→驱动芯片 吸收热量 利 发射线圈→导热装置 增加工作量 害 温感装置→驱动芯片 提供信号 利 发射线圈→温感系统 增加工作量 害 驱动芯片→电源 控制 中 发射线圈→磁场 改变分布 中 磁场→接收线圈 产生电能 利 发射线圈→电场 改变分布 中 电场→接收线圈 产生电能 利 表2. 功能列举表 根据功能列举表，将其功能进行图形化，得到如下功能分析原理图2。 图2. 功能分析原理图 对于原理图1进行讨论可知，诸如温感、导热等成分可以根据裁剪原则进行简化。按照裁剪规则A，裁去温感与导热装置，驱动芯片需要独立完成温度检测和散热功能，目前可行，按照裁剪规则C，裁去发射线圈、接收线圈、电场、磁场，需要从系统或超系统找一种能够代替原有传电设备和场资源进行电能传输功能。依照因果分析结果，磁耦合传电方式不具备可移动性，对系统进一步深入裁剪，采用其他传电方式来代替磁耦合传电方式，将发送线圈与接收线圈替换成新的传电设备得到新功能分析原理图。裁剪后的功能模型图如图3所示。 图3. 裁剪后的功能原理图 系统中接受装置与发射装置的距离增大会导致传电效率降低；大功率辐射场对人体有害这两个问题，对此引入技术矛盾分析以确定关键工程技术参量，借助于TRIZ的发明原理和物场分析工具，确定最终实现的方案。 3.4. 矛盾分析物场模型 在上面分析的基础上，首先进一步细化问题的描述，即：a. 由于无线充电时希望有效充电距离更远，但是因为有效充电距离和充电损耗成正比，远距离无线充电会导致充电损耗加剧；b. 由于无线充电时希望功率更高，但高功率又会对人体产生危害。第二步，定义矛盾参数。a参数：功率、效率、使用方便性(距离)。要求：加大充电有效距离，提高可移动性使用方便使用，提高传电功率，提高充电效率，减少电能损耗。b参数：效率、安全性 。要求：选择合适的输出功率来降低危害。以下表3为TRIZ的冲突描述。 Table 3 Contradiction descriptio 如果 充电距离 不增加充电距离 那么 使用方便性提高 功率和效率提高 但是 功率和效率下降 使用方便性下降 表3. 冲突描述 (a) (b) 查找冲突矩阵确定问题a的解决发明原理为No.10和No.28，问题b的解决发明原理为No.28和No.24。在TRIZ发明原理提供参考的方案的启发下，小组成员进行深入的分析，初步得到两套解决方案：a. 采用微波式传电方式。综合运用NO.28机械系统的替代原理和NO.10预操作原理采用天线代替磁耦线圈，实现传电距离的大幅提升，同时采用传感设备对充电设备的位置进行预推算，最大程度上减少能量损耗，提高充电效率；b. 采用磁共振式无线电能传输方式。综合运用NO.28机械系统的替代原理和NO.24中介物原理，利用磁共振可延长传输距离，在松耦合的系统中，使用共振的接收器和共振的发射装置，以加强传输效率。磁共振方式不同于磁耦合方式，可以实现远距离充电，增大了传输效率。但伴随大功率传电方式，带来的是线圈发热以及产生的辐射对人体有一定的危害。因此添加中介物，对其辐射传播方向进行限制，固定在某方向上进行传播，大大减少了对人体的危害。 以上通过TRIZ的发明原理得到的两种传电方式各有利弊，为了得到最佳设计方案，我们又借助了TRIZ的物场分析工具进一步优化设计。由于使用磁共振式无线电能传输时，传播的无线电对人体造成伤害，在实际中影响无线充电设备的使用。为了消除影响，在定义s1，s2，F的基础上而建立如下图4的物场分析模型。 图4. 方案b的物场分析模型 通过物质–场分析及76个标准解，由于此问题中物质和场之间存在有害的功能，可应用第一类标准解的1.2消除或中和有害作用，构建完善的物场模型问题。因为从磁共振发射器发射出来的电磁波对人体有害，而不同波段的电磁波对人体的影响不同，因此可以改变电磁波的波段，从而降低或消除对人体的损害，要想改变电磁波的波段，还需要在发射器上做出改良，因此采用标准解1.2.2即“通过改变现有物质来消除有害关系”。或者标准解1.2.2即同1.2.1，但是不允许引入新的物质S3。此时可以改变S1或S2来消除有害作用，如利用空穴、真空、空气、气泡、泡沫等，或加入一种场，这个场可以实现所需添加物质的作用。 得到的结论是：磁共振式无线电能传输方式对人体的有害作用无法消除，基于安全性方面的考虑，排除磁共振电能传输方式，选择同样可以实现远距离传电的微波式传电方式。 最后，我们采用了技术矛盾的分析方法对a方案进行优化设计，确定了关键参数和设计方案，整理如下表4。 Table 4 Optimization and evaluation of scheme 序号 方案 所用创新原理 可行性评估 1 轴固定天线 标准解2.2.4：提高物质的动态性 可行，将发射天线做成以直径固定轴可旋转360˚的轴固定天线，是发射天线任何时刻都是与手机匹配的最大相对面积。 2 改变发射天线延伸面 1.反向原理 2.维数变换原理 可行，采用将发射天线延竖轴方向延伸，保证了一定的携带方便性。 表4. 方案a的优化及评估 综合以上，我们的最终方案具体如下：采用微波式传电方式来改善无线充电设备的适用性和无线传电距离；将发射天线与万向轴固定，形成以中心点为轴可无死角转动的发射器，运用手机蓝牙功能，使发射天线与接收天线达到最大匹配，最大程度上改变无线充电的可移动性。 这种基于TRIZ发明方法的设计实现的可分离式无线充电设备，大大改进市场上采用的磁耦合方式或传输线充电方式的伪移动充电方式，实现住所中摆脱空间限制的移动可持续充电功能。采用微波式传电方式，不仅大幅度降低了对人体的伤害，而且复用性强，可用于小功率用电器的供电，提高了生活品质，创新性十足。图5是设计实物图。 图5. 设计实物图。a) 天线阵列；b) 智能感应系统(基于C51)