电工材料在磁耦合谐振式无线传能技术中的应用

王秀芳，王 豫，严仲明，何永海



电工材料在磁耦合谐振式无线传能技术中的应用

王秀芳1,2，王 豫1，严仲明1，何永海1

（1.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 峨眉校区，四川 峨眉山 614202）

磁耦合谐振式无线传能技术是集应用与研究于一体的前沿科技，内容主要涉及电磁场、高频电力电子技术和电工材料等多学科。介绍了磁谐振无线传能技术的基本原理和研究内容及其现状，论述了电工材料在磁谐振无线传能系统中的应用新进展，重点讨论超导材料、超材料在无线传能系统中的研究现状以及发展趋势。展望了电工材料的发展对磁谐振无线传能系统的促进与优化作用。

无线传能；磁耦合谐振；综述；超材料；超导材料；谐振线圈；传输效率

无线传能系统是指不采用电缆线作为传输介质，而直接通过空气或真空介质进行传输电能的系统。能量的无线传输不是最近几年才出现的，早在1890年[1]，塞尔维亚裔美籍科学家尼古拉·特斯拉就提出了无线传输的设想模型。在设想模型中，特斯拉将地球作为导体、距离地面约为60公里的电离层作为外导体，利用两点之间的电磁波来远距离传输电力，发明了著名的特斯拉线圈。尼古拉·特斯拉被公认为无线传能技术领域的开拓者，自此人们开始了对无线传能技术的研究。

根据工作原理不同，无线传能主要分为三种形式[2]：电磁感应无线传能、电磁辐射无线传能和磁谐振耦合无线传能，这三种传输方式各有优缺点。电磁感应无线能可用于低功率、近距离传输，感应传能所能实现的功率等级还不能太高，目前最大为200 kW左右，与普通电源相比，效率较低，功率传输的最大距离也不过150~500 mm[3-4]。电磁辐射(微波辐射)无线传能可用于大功率、远距离传输，其功率至少在千瓦量级，但是微波波长介于无线电波和红外线辐射的电磁波，容易造成通信干扰，而且微波能量束难以集中、散射损耗大、定向性差等特点，使得微波能量传输系统效率比较低且微波强辐射会对人体以及其传输环境造成严重伤害，因此微波传输只在特殊场合下应用。

磁谐振耦合无线传能适于中等功率、中等距离传输,目前谐振耦合无线传能系统功率在千瓦左右，最大传输距离达到了两米，频率在兆赫兹相比于微波传输使用范围更广，相比于感应耦合传输距离更远。因此，磁谐振耦合无线传能成为近年来国际上研究的热点技术。

本文就电工材料在无线传能系统中的应用进展展开讨论，主要讨论谐振线圈采用不同的材料时，对磁谐振无线传能系统的影响。概述了由不同电工材料制作的谐振线圈在无线传能系统中应用取得一些显著成效，以及电工材料在无线传能系统中应用的发展趋势。

1 磁谐振无线传能系统

2007年6月，美国麻省理工学院马林·索尔贾希克等人试制出了磁谐振无线传输装置。其装置的谐振频率是9.9 MHz，功率为60 W，传输效率为40%，装置[5]如图1所示。

图1 MIT无线传能实验装置

磁谐振无线传能技术是利用谐振原理[2]，具有相同谐振频率的两个或多个谐振线圈经过磁场耦合产生谐振实现能量的传递。四线圈结构的磁谐振无线传能系统的原理如图2所示。该系统由电源、源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈组成。电源给源线圈供电，电源的频率为谐振频率，则发射线圈和接收线圈为两个谐振的物体，两者通过交替耦合非辐射场的头尾来进行能量传递。由于只有相同谐振频率的物体才发生能量交换，而对于外部空间环境中其他不在该谐振频率上的物体，发射线圈和接收线圈与它们几乎无能量传递。因此，其他物体对该无线传能系统几乎无干扰和能量损耗，相对于其他的无线传能系统，传输效率得到提高，能量损耗得到有效控制。

图2 磁谐振无线传能系统原理图

磁谐振无线传能系统是集基础研究与应用研究于一体，其设计方法以及理论模型都有待进一步提高。基础研究部分主要集中在以下几个方面。基于电磁干扰和电磁辐射等原因，磁谐振无线传能系统的谐振频率一般在兆赫兹级，因此高频、性能优良的电源对磁谐振无线传能系统很重要。目前，电源中放大器主要采用E类放大器。周佳丽等[6]分析了采用E类功放的逆变电路对磁谐振无线传能系统的影响。李艳红、李阳、于春来等[7-9]基于E类功放分别设计了输出频率为1.2，2.52，1.05 MHz的高频电源，孙文慧等[10]设计了频率可调的谐振电源，最高频率为1 MHz。磁谐振耦合无线传能系统是通过同一谐振频率的线圈来传递能量，因此谐振频率是影响系统传输效率的另一个重要因素。研究人员为解决频率对系统的影响，进行了大量研究，主要集中于频率自动跟踪、频率分裂、频率干扰和频率控制等[11-19]。为使磁谐振无线传能系统适应不同的应用领域，国内外研究人员设计了各种系统，主要有体内植入器件的磁谐振无线传能系统、电动汽车的磁谐振无线传能系统、可移动物体的无线传能等[18, 20-34]。磁谐振无线传能系统的核心器件为谐振线圈，围绕谐振线圈的研究较多，比如线圈的放置位置，线圈的匝数、半径，线圈的形状等等对磁谐振无线传能系统的影响[35-53]。

2 电工材料的应用

磁耦合谐振式无线传能系统中主要利用近场进行能量的无线传输。近场传能技术是不依赖于电磁波的传播，实现能量的传输主要依靠谐振线圈的电场能量和磁场能量的相互交换，电磁能量不向空间辐射，不存在电磁波的传播，模型类似于机械波里的驻波，看似是波但不向外传播。近场传能技术中的场分布可以用静电场和静磁场来近似。近场传能技术所传输的距离一般在所传输电源信号的一个波长范围内，具有实时传播速度。而远场传能技术主要依靠电磁震荡电路作为波源，以电磁波的形式在空气或真空中传播，传播速度为光速。由于频率越高波长越短，可能夹杂着远场辐射，因此在频率较高的部分，传输过程中的能量损耗包括辐射损耗和欧姆损耗两项。在频率较低的部分可以忽略由于远场传播所带来的辐射损耗，则主要是欧姆损耗。也即主要决定于谐振线圈所用材料的损耗。传统的线圈主要是利用铜线、铜膜、铜片作为谐振线圈，为了提高传输效率、增大传输距离，陆续出现了利用超导材料、超材料等构成的谐振线圈。

2.1 铜材料

铜具有较好的延展性、导热性和导电性，具有较低的电阻率，常用于电缆、电气设备和电子元件。因此，在无线传能系统中所用的线圈材料最多的是铜。为了适应不同场合的应用，谐振线圈有铜管、铜片、铜膜、铜线等不同形式，其中铜线的使用率最高。铜管相比于铜线可以避免高频下铜线趋肤效应的影响，王国东等[28]利用单匝铜管搭建了四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统实物模型，测量并分析了不同线圈间的距离对系统传输效率和负载电压的影响，验证了四线圈理论结构的正确性。Dionigi等[54]利用铜管搭建了实验平台，主要研究了具有偶数中继线圈和具有奇数中继线圈的磁谐振无线传能系统的一些特性，从理论和实验上分析了含有偶数和奇数中继线圈磁谐振无线传能系统优缺点。翟渊等[24]利用铜管搭建了一个磁共振无线电能传输系统，该系统的工作频率为7.7 MHz，传输功率为60 W，最大传输距离为80 cm，传输效率高达52%。并且通过该实验系统验证了传输功率、互感系数以及传输效率与传输距离的关系，证实了理论模型的正确性。

为了适用不同场合的应用，铜片和铜膜在磁谐振无线传能系统中的应用也比较多。Zhang等[55]为了研究医疗传感器和嵌入式设备中的无线传能技术，利用螺旋薄膜线圈构建了witricity传能系统。系统中的螺旋薄膜线圈主要采用铜片和树脂绝缘材料，线圈的厚度为0.2~1 mm。利用该系统做了动物和人体大脑的无线传能实验，得到较为理想的实验结果。文献[56]利用铜片制作了谐振线圈，线圈分为三部分，正面和反面采用同样材质的铜片。该系统可以在相距数十厘米处点亮5 W灯泡，同时验证了位置偏移对系统传能的影响。Zhang等[51]采用铜片给出了含有中继单元的传能系统，系统的传输效率得到提高，传输距离变远。Lee等[40]利用铜膜制作了谐振线圈，在没有外围电路的情况下提高了传输效率。

由于磁谐振无线传能系统主要依靠两个或多个谐振线圈在同一频率上谐振，而谐振线圈谐振频率的产生主要有两种形式。第一种是选用线圈和高频电容器组成的谐振回路产生谐振频率，第二种是利用线圈分布电容值和线圈电感组成谐振回路。因此，采用铜线制作谐振线圈研究磁谐振无线传能系统最为简单，这方面的研究特别多，有无线传能系统的拓扑结构研究，如两线圈结构、三线圈结构[43-45, 53]、四线圈结构[46, 52]以及多线圈结构[43, 48-49, 52]，还有频率分裂现象的研究[14, 27, 57]。

2.2 超导材料

超导材料是在低温下电阻变为零的特殊金属或金属化合物，并还具有若干特殊的物理特性，如迈斯纳效应、磁通量子效应、约瑟夫森效应，以及异常的比热容不连续变化、异常的电磁波吸收特性等。这一类物质都定义为超导体。由于超导体可以达到电阻为零或很小，可以用于电流的无损传输，获得有阻导体无法获得的永久电流、产生强磁场、很高的谐振值等，因此可以用在无线传能系统中，减少传输损耗中的欧姆损耗，具有显著的效率优势。研究超导材料在无线传能系统中的应用由Sedgwick率先[58]提出，Wang等[59]给出了含有超导谐振电路的无线传能系统，理论上分析了传输功率、传输效率和电磁场分布。2012年，韩国团队开始了高温超导线圈在无线传能中的应用[60-64]，国内的中国科学院应用超导重点实验室也开展了高温超导在磁谐振无线传能方面的应用研究[65-66]。

把超导体应用到无线传能系统中的原理仍然是采用磁共振原理，采用两个或多个谐振线圈来构成无线传能系统。目前研究的超导无线传能系统主要分为纯超导和超导-铜混合系统。若超导无线传能系统的发射线圈、接收线圈或者中继线圈都采用超导线圈构成，那么系统的总损耗可以大大降低，而传输效率可以大幅提高。但是，由于超导对工作温度有一个严格的要求，即必须给超导线圈配备制冷系统，造成了超导无线传能系统的应用范围大大降低。因此，研究较多的是超导-铜的混合系统，一般接收线圈采用铜线圈，而发射线圈和中继线圈则采用超导线圈。

按照超导线圈的构型来分，主要分为螺旋型线圈和密绕型超导线圈，如图3和图4所示。

图3 螺旋型超导谐振线圈

图4 螺旋线圈的参数

图5 密绕型超导线圈

螺旋型线圈主要分为平面螺旋线圈和立体螺旋线圈，图3是一种立体螺旋线圈。螺旋谐振线圈不外加电容，利用线圈自身的电感和间隙电容构成的谐振回路。图3所示线圈的参数如图4所示，根据公式（1）~（3），可以计算得到谐振线圈的电感、电容和谐振频率。

因此，根据以上公式可以设计所需的螺旋谐振线圈。超导螺旋线圈的电容是利用的间隙电容，不用再外接电容。整个谐振线圈可以完全放入杜瓦制冷系统，省去外接电容的导线引入系统的欧姆损耗，提高系统的传输效率。但是由于利用的是间隙电容，不可能得到较大的电容值，同时线圈的匝数也受到一定限制，从而造成无线传能系统的工作频率较高，功率也较小。

密绕型超导谐振线圈可以弥补螺旋谐振线圈的工作频率较高、功率较小的问题，但是密绕型超导线圈需要外接电容才能构成谐振回路。而电容在杜瓦系统中不能工作，因此需要外接导线连接电容，一方面给无线传能系统引入了损耗，另一方面无线传能系统的复杂性升高。因此急需在无线传能系统中引入超导电容器。目前，文献[58]提出了一种圆柱形超导电容，圆柱的内层和外层利用超导材料中间用空气隔开。中国科学院应用超导重点实验室研究采用Kapton绝缘的双层Bi2223/Ag带制作了超导电容器，电容值为20.851 nF。但是采用超导带材绕制的超导电容器的电容值较小，若要获得大的电容值，需要的带材较多，且所绕制出的超导电容器的体积较大。如何获得与常规电容器相比拟的超导电容器，是超导无线传能系统亟待解决的问题。

按照超导无线传能系统的拓扑结构来分，主要分为两线圈结构、三线圈结构以及四线圈结构，如图6，7，8所示。

图6 两线圈超导无线传能系统

图7 三线圈超导无线传能系统

图8 四线圈超导无线传能系统

超导材料需要工作在低温环境下，所以一般的超导无线传能系统是铜线圈和超导线圈混合使用。发射线圈、接收线圈或者中继线圈都有可能采用超导线圈，这个主要看应用的需求。

两线圈结构简单，容易设计，由于线圈的个数少，因此线圈之间的相对距离和相对角度可以自由调节，但是匹配系统参数的功能要稍微弱一些。Jeong等[58]制作了两线圈结构的螺旋超导无线传能系统，仿真和实验测量了无线传能系统的参数，表明在同等条件下，超导无线传能的传输效率比普通无线传能的传输效率高40%。Kim等[60]制作了高温超导线圈作为接收线圈的两线圈无线传能系统，定义为SUCPT，该系统可以减少接触损耗，铜线圈与超导线圈相比，超导线圈可以提高系统的传输效率，超导接收线圈的功率传输效率是铜接收线圈的3.5倍，超导线圈的电流传输效率可以达到88%。Zhang等[66]研究了不同环境温度下，发射线圈为铜线圈或HTS，接收线圈为铜线圈或HTS的7种不同组合方式的两线圈结构的无线传能系统的传输效率。

三线圈结构是在两线圈结构的基础上添加了一个中继线圈。由于中继线圈独立于发射线圈和接收线圈而存在，若中继线圈为超导线圈，则相对于普通的超导无线传能系统，工作环境没有太大要求，但是超导线圈具有很高的品质因数，可以大幅度提高无线传能系统的传输效率和传输功率。Chung等[64]采用三线圈结构，发射线圈为超导线圈，中继线圈和接收线圈为铜管构成的谐振线圈，当中继线圈和接收距离不同时，负载线圈上的电流和电压值发生了改变，并且论证了发现高温超导谐振线圈更适合作为发射线圈。文献[59]采用螺旋线圈构成的三线圈无线传能系统，对比了中继线圈分别为超导线圈和铜线圈时，无线传能系统的传输效率，发现超导中继线圈具有较高的品质因数，含超导中继线圈的无线传能系统的传输效率明显高于含铜中继线圈的无线传能系统的传输效率。

四线圈结构是在两线圈的基础上把源线圈和负载线圈从发射线圈和接收线圈中剥离出来。四线圈结构相比于两线圈结构，其优点在于能够进行电源匹配和负载匹配，在很大程度上隔离电源和负载对谐振线圈的影响。Kim等[63]研究了四线圈结构的同时包含铜线圈和HTS线圈，结构框图如图8所示，在传输距离为0.3 m时，该系统可以传送50%的电流和70%的电压，有效地提高了传输效率。

相比于两线圈结构，三线圈结构和四线圈结构的自由度更多一些，方便调节阻抗匹配和优化传输效率、传输功率。无线传能系统需要所有的谐振线圈工作在同一个频率点，那么如何保证多个不同的线圈在同一个频率上，是多线圈系统遇到的一个难点。

除了上述所示的三种比较经典的线圈拓扑结构，研究人员还研究了其他形式的拓扑结构。如中国科学院应用超导重点实验室研究了高温超导线圈作为发射线圈[65]，铜线圈作为接收线圈且两个铜线圈的大小不一样，给出了系统的传输效率，测量了线圈排列不同时，传输效率随频率的变化。

在超导无线传能系统中同时存在超导和铜两种不同的线圈，其材料特性不同、工作环境不同、线圈的品质因数不同，则两种不同线圈的阻抗匹配显得尤为重要，且线圈的寄生电阻在一定条件下必须被考虑进去。

目前，超导无线传能系统主要考虑应用到电车充电系统上，韩国团队研究了HTS天线在电车快速充电领域的应用[61, 67]，在传输距离为25 cm时，传输效率提高了20%，应用图如图9所示。

超导材料在磁谐振无线传能系统中的应用可以提高系统的传输效率，以及提高比铜线更高的电压和电流，但是超导材料必须在液氮下才能工作，也就是常温环境下效果不明显。随着超导技术的发展，若出现常温超导材料，那么超导材料在磁谐振无线传能系统中的应用将大有作为。

图9 超导无线传能在电车快速充电应用框图

2.3 超材料

超材料主要是指那些根据应用需求，人为地从原子或分子设计出发，通过严格而复杂的人工设计与加工制成的具有周期性或非周期性人造微结构单元排列的复合型或混杂型材料。这类材料可呈现天然材料所不具备的超常物理性能，即负折射率、负磁导率、负介电常数等奇特性能。目前广泛应用和研究的超材料主要包括左手材料、电磁超材料、光学超材料和太赫兹波段超材料。主要应用在传统微波器件、隐身技术、天线罩以及特种天线上。

超材料的概念起源于左手材料，是前苏联科学家Veselago在1968年从理论上提出了一种介电常数和磁导率同时为负的材料，但是在自然界未发现这种天然物质。直到1999年Pendry等介绍了一种金属谐振环（SRR，Split-Ring Resonator)组成的人造材料。2001年，Smith等成功制作了世界上等效介电常数和等效磁导率同时为负值的人工材料，成为左手材料。

由电偶极子或磁偶极子产生的电磁振荡以电磁波的形式向前传播，传播方向为轴方向，电场沿方向振动，磁场沿方向振动，其散射的电场分量可以根据傅里叶技术的展开公式表示为：

将该式代入到麦克斯韦方程式中，便可得到：

倏逝波在一般材料中传播时，其电磁波的幅度随着距离的增加而呈指数形式衰减，而倏逝波在超材料中传播时，由于电磁波的波矢量与它的坡印廷矢量的方向相反，因此导致倏逝波在超材料中传播时呈现出与一般材料中刚好相反的传播效应，即倏逝波的幅值在超材料中得到了放大。

磁谐振无线传能技术就是最大限度地利用了近场传输，也即耦合的倏逝波。而超材料可以放大或增强倏逝波。因此，不少学者开展了超材料在磁谐振无线传能系统中的应用研究[68-77]。

目前，应用到无线传能系统中的超材料主要有三种类型：一种是基于开口金属环（SRR）的超材料，一种是基于螺旋线的超材料，最后一种是基于集总元件实现的超材料。

SRR超材料能产生很大的磁效应，并且能实现负的磁导率。开口金属环的结构原理如图10所示。

图10 开口谐振环结构及其阵列示意图

当外界磁场垂直于金属环面入射时，该结构相当于一个LC振荡环路。其固有频率为：

式中，r为SRR环开口处的相对介电常数。

对于周期性放置的开口金属环阵列，其磁导率的具体形式为：

式中：表示开口环在周期性阵列中所占面积比例；

为磁损耗。

当不考虑材料的磁损耗时：

Wang等[78]制作了一个大小为58.5 cm×58.5 cm的超材料，由9×9个SRR环构成。作者把超材料加入无线传能系统中作为中继线圈，传能系统的传输效率从17%提高到了47%，如图11所示。采用磁偶极子理论分析了超级透镜中继单元的传能系统的功率传输效率、传输系数和互感系数，建立了理论模型。

图11 SRR结构超材料中继线圈

SRR结构构成的超材料一般具有较高的谐振频率，若想获得较低的谐振频率需要较大的体积。研究者提出了一种螺旋结构的超材料，主要分为方形螺旋结构和圆形螺旋结构，通过改变线圈的匝数可以获得较低的谐振频率，圆形螺旋单元结构和等效电路如图12所示。

（a）单元结构 （b）等效电路

螺旋线圈的等效电感可由下式得到：

其中，

螺旋线圈的等效电容包括两部分，一是相邻两个导线之间的电容和连续导线之间的电容，由下式表示：

其中，

0是真空介电常数，是第一类椭圆积分，则

且两部分的等效电容的不相同：

若只考虑单面螺旋结构，则：

由公式可以得到螺旋磁负超材料的谐振频率：

文献[69-70]采用螺旋磁负超材料作为中继线圈，可以提高磁谐振无线传能系统的传输效率。如图13所示。田子建等[69]设计制作了谐振频率为25 MHz的平面螺旋磁负超材料，仿真分析了含有不同周期排列的磁负超材料在无线传能系统中不同位置处的传输效率的大小，实验测量了插入3×3磁负超材料的无线传能系统的传输效率提高了近30%，如图13（a）所示。刘凌云等[70]设计制作了谐振频率为13.56 MHz，有效磁导率为负的非正定磁介质。通过数值仿真软件，提取了电磁超材料的投射参数和反射参数。搭建了含有平面螺旋结构的超材料的无线传能系统，发现磁负超材料可以使系统的能量传输效率得到显著提高。

由于降低谐振频率，需要提高超材料的等效电感和等效电容，于是人们直接在螺旋超材料添加了集总电容，如图14所示。

图14 含集总元件超材料

文献[77]提出并制作了一种磁负超材料，这种磁负超材料由开口谐振环单元与电容并接，即开口处的间隙电容直接由集总电容来代替。该超材料的大小为三维的480 mm×480 mm×120 mm，谐振频率为23.2 MHz。在传输距离为1.5 m时，加入超材料的无线传能系统的传输效率从59.3%提高到80.35%。

目前超材料还处于发展阶段，造价较高，但具有人工可控、方便应用的优势。由于超材料能够建立均匀的电流分布，增强磁场，起到磁聚焦的效果，因此超材料在磁谐振无线传能中可以增强两传输线圈之间的耦合，提高传输效率，主要实现中继线圈的功能，未来可以进一步研究超材料线圈作为发射或接收线圈来应用。

3 结束语

本文以磁耦合谐振无线传能系统的谐振线圈为切入点，围绕构成谐振线圈的材料进行了综述。重点介绍了磁耦合谐振无线传能系统的发展现状以及研究热点。介绍了铜材料、超导材料和超材料在传能系统中的应用现状及其前景，综述了超导材料和超材料在无线传能系统中的应用形式。随着科学技术的发展，有望利用超导材料和超材料提高磁耦合谐振无线传能系统的传输效率，实现实验室技术向工程应用的转化。

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（编辑：曾革）

Application of electrical engineering materials in magnetic coupling and resonant wireless power transfer technology

WANG Xiufang1,2, WANG Yu1, YAN Zhongming1, HE Yonghai1

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Emei Campus, Southwest Jiaotong University, Emeishan 614202, Sichuan Province, China)

The magnetic coupling and resonant wireless power transfer (WPT) technology is the most advanced technology, that combines application and research. These subjects include the electromagnetic field, high-frequency power and electron technology and electric engineering material, etc. The main principles of resonant wireless power transfer technology are introduced and the research levels are discussed. New progresses are discussed on the electrical engineering materials used in magnetic coupling and resonant wireless power transfer system. The discussion is focused on the current research status and the development trend of the superconductor materials and metamaterials in the wireless power transfer system. Besides, this paper prospects the promotion and optimization on the magnetic coupling and resonant wireless power transfer system by the development of electric engineering materials.

wireless power transfer(WPT); magnetic coupling and resonant; review; metamaterial; superconductor material; resonant coils; transfer efficiency

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.001

TM24；TM26

A

1001-2028（2017）11-0001-11

2017-09-07

王秀芳

核废物与环境安全国防重点学科实验室开放基金资助项目（No. 13zxnk06）；宜宾学院计算物理四川省高等学校重点实验室开放课题基金资助项目（No. JSWL2014KF01）

王秀芳（1980－），女，山东人，博士，研究方向为无线传能、材料， E-mail: wangxiufanghappy@163.com 。

2017-11-02 15:46

网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171102.1546.001.html