磁耦合谐振式无线电能传输

傅 含,张国忠,叶 邯（厦门大学 嘉庚学院,福建 漳州 363105）



磁耦合谐振式无线电能传输

傅 含,张国忠,叶 邯
（厦门大学 嘉庚学院,福建 漳州 363105）

摘 要：磁耦合谐振式无线电能传输作为一项新技术，因其传输距离远、速度快、效率高、功能大而得到广泛的应用,也成为了近年来相关的专业人员研究的方向。本文主要从磁耦合谐振式无线电能传输以及振动无线电能传输装置出发,在当前我国研究的基础上对磁耦合谐振式无线电能传输的发展前景进行展望。

关键词：磁耦合谐；振式无线电能传输；传输装置前景展望

1 磁耦合谐振式无线电能传输

（1）无线电能传输。无线电能传输,简称WPT技术,是根据能量传输过程中中继能量形式的不同,在不使用导线连接的情况下通过电场等进行进行传输的新型技术。其主要包括：磁（场）耦合式、电（场）耦合式、电磁辐射式（如太阳辐射）、机械波耦合式（超声）。其中,磁耦合式是目前研究最为火热的一种无线电能传输方式,也就是将高频电源加载到发射线圈,使发射线圈在电源激励下产生高频磁场,接收线圈在此高频磁场作用下,耦合产生电流,实现无线电能传输。这项技术开创了人类通信的新纪元,基于能源供给而产生的无线电技术将会创造出人类能源史的新里程,其给大众带来的意义与影响也非同凡响。这项技术的使用具有以下的特点：

1）通用性电波的传输不需要导线进行连接一旦普及,将会使电子产品从导线的束缚中解脱出来,电器接口、兼容性的问题将得到解决,供电更方便,便捷人们的生活,提高人们的生活水平,提高人们的生活质量。

2）便携性、实用性目前的生活状况下实现无线电能传输依旧面临这挑战,但这项技术的推广,将会极大的提高传输的速度、传输的量,对彻底解决人民生活中电力的供给问题提供有力的帮助,方便生活,提高效率。同时,对于目前很多缺乏或者无法布置电线造成的供电困难现象,无线电能传输的普及将会使这难题得到解决,紧急情况下快速地供电模式也是未来发展的必然趋势,例如加拿大等国开始尝试使用辐射式供电驱动的无人飞机作为电视转播台。

3）美观性不以导线连接的无线电能传输,将会推动电子设备的体积进一步的减小,电子设备的数据线将不再需要,便捷人们生活的同时,营造一种美观性。在能效转化效率、电磁人体辐射安全的情况下,无线供电时代的普及,将能够有效解决家庭布线、家电固定化等破坏问题，节省铜、塑料等资源。

4）安全性无线电能传输技术的普及,将会消除电子设备接触产生的电火花、电火花可能引起的爆炸、插头损坏和接触不良等安全隐患。如使用无线充电技术的电动牙刷和电动剃须刀的防水性将进一步得到提高。

5）绿色性、永久性若空间太阳能发电实现真正的商业运作化,人类将能从太阳能得到巨大的能量,在能源不缺乏的基础上,无线电能传输将而真正解决能源问题,实现绿色能源,提高能源供给,解决能源危机,造福后代。

（2）磁耦合谐振式磁耦合谐振式，作为新的无线电能传输方式，主要工作原理是利用物理学的"谐振"原理,两个振动频率相同的物体能高效传输能量。基于磁场谐振耦合的无线电力传输,实际上是将磁场作为传输的介质,当电源发送端的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时,接收端产生共振,通过共振建立发射与接收装置之间的传递通道,从而有效地传输能量。

2 磁耦合谐振式无线电能传输装置

耦合谐振系统中,铜线绕制的发射线圈为电感L,L与谐振电容并联构成谐振体,谐振体产生自谐振频率在空间振荡,产生磁场。接收端也是由一个接收线圈并联一个电容形成的谐振体,其谐振频率与发射端相同,感应的磁场在空间震荡，两个谐振体同时在不断的交换磁场能,电场能与磁场能交换以相同频率振荡的能量交换,构成耦合谐振系统。磁耦合谐振式系统原理框架图如图1所示。

此项目我们设计了三部分,主要有发射端电路设计,接收端电路设计和线圈电路设计。发射端采用自激振荡电路将15V的直流电压逆变为高频交流电。接收端部分采用整流和滤波模块将感应交流电流处理后输出为直流电压。线圈是自己动手绕制的,用的材料是热损耗小的铜线圈。

（1）发射端发射端包括发射线圈、铁芯、共振线圈,环状的发射线圈作为磁耦合部分的一次测绕组。共振线圈的首端和尾端均延伸出一段导体后连接,该连接处也作为感应耦合部分的二次侧绕组。发射线圈产生交变的磁场在共振线圈的首尾端连接处上感应出同样频率的交变电流,从而使发射线圈与共振线圈之间通过铁芯以磁耦合的方式传递能量,该电磁能量在共振线圈中产生同样频率的交变磁场,从而向接收端传输能量。

（2）接收端把接收端收到的信号经过整流滤波处理后的直流电供给负载使用。接收端由整流滤波模块和负载模块组成。整流电路采用桥式整流电路,每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值,比全波整流电路小一半。其优点是效率较高,稳定性较好。滤波电路就是在电感电容滤波电路前并联一个滤波电容,这样滤波效果极佳,但是整流二极管的冲击电流较大,适用于负载电流较小的场合。

（3）线圈耦合线圈的选型很重要,在耦合谐振式无线电能传输系统中,绕制耦合线圈时,要考虑其体积,厚度,还要考虑发射与接收线圈自身的品质因数以及散热问题,为了提高系统的传输特性,我们绕制的线圈匝数较少,这样有利于减少损耗。绕制线圈的形状采用螺线管线圈式结构,因为平面螺旋线圈式线圈厚度很薄,对发射线圈和接收线圈的位置要求很严格,一旦两个线圈中心点不一致会使传输效率大幅度下降。而螺线管式线圈磁场均匀方向好,每单位体积所能产生的磁场强度最大,这样它的互感耦合系数较高。螺线管式结构如图2所示，平面螺旋式结构如图3所示。

3 磁耦合谐振式无线电能传输发展前景

磁耦合谐振式无线电能传输从目前来看有着广阔的发展前景。因其具有的便捷性、安全性、稳定性、美观性等在家电领域、汽车领域、医疗器械行业以及一些特殊的额行业将会得到更深入的推广。

同时,磁耦合谐振式无线电能传输原理作为先进的科技理论，其复杂程度、技术难度较大,包括了电磁场、电力电子技术、物理学、等诸多学科,还有很多理论和技术问题需要展开研究,这次做出来的实物可以实现无线电能传输,但能实现的距离较小,磁耦合谐振式无线电能传输有着巨大的应用潜力,我们将会继续在这一方面发掘出更好的电子来完成无线电能传输。

参考文献：

［1］赵争鸣,张艺明,陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展［J］.中国电机工程学报,2013（03）：1-13+21.

［2］黄学良,吉青晶,谭林林,王维,赵家明,周亚龙.磁耦合谐振式无线电能传输系统串并式模型研究［J］.电工技术学报,2013（03）：171-176+187.

［3］骆彦廷,杨拥民,陈仲生.磁耦合谐振式无线电能传输系统建模与分析［J］.中国集成电路,2013（08）：46-51.

［4］李阳,杨庆新,闫卓,张超,陈海燕,张献.磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证［J］. 电工技术学报,2014（02）：197-203.

［5］储江龙.磁耦合谐振式无线电能传输系统高效E类功放设计和实现［D］.浙江大学,2014.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.137