電磁諧振耦合無線電能傳輸實驗裝置研究

趙斌

摘要：電磁諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)是現(xiàn)今最流行的WPT技術(shù)之一，其最主要的特最就是中等傳輸距離以及高校非輻射能量傳輸。該技術(shù)是以電磁場為媒介，運用2個或者是多個相同諧振頻率以及高品質(zhì)因數(shù)的對應電磁諧振體系，經(jīng)過磁耦合諧振的作用來呈現(xiàn)電能傳輸無線輸電技術(shù)，該技術(shù)可以說是無線輸電技術(shù)的新研究趨向。

關(guān)鍵詞：電磁諧振耦合；無線輸電傳輸；耦合理論

近年來，電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，一方面帶給人們以便利，不過越來越多的電源連接線開始困擾人們的生活。針對那些對距離具有特殊要求的問題，可以通過電磁諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)來予以解決。電磁諧振耦合技術(shù)最早是美國的學者所提出的，其也是無線輸電技術(shù)的新研究方向，更是引起了世界各國研究人員的熱衷，并通過幾年的發(fā)展也得到了技術(shù)上的突破，在電動汽車、醫(yī)療設(shè)備以及消費電子等均有所應用。不過該技術(shù)目前也還是起步階段，仍有眾多的問題有待科技人員的解決。為此，文章結(jié)合該技術(shù)的應用實踐，首先分析了電磁諧振耦合基本原理及特征，研究了該技術(shù)的建模及傳輸特點，在此基礎(chǔ)上探討了磁耦合諧振WPT技術(shù)發(fā)展方向，以期促進為相關(guān)應用工作提供一定的建議。

1電磁諧振耦合基本原理及特征

目前，電磁諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)是作為應用時間較短的無線電能傳輸技術(shù)，主要借助于近電磁場中近區(qū)場和諧振線圈的強耦合實現(xiàn)了電能的中程距離的高效傳輸。電磁諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)是現(xiàn)今最流行的WPT技術(shù)之一，其最主要的特點就是中等傳輸距離以及高校非輻射能量傳輸。現(xiàn)階段的WPT技術(shù)最主要的實現(xiàn)方式就是電磁感應耦合、磁耦合諧振、電磁波輻射這3種方式。磁耦合諧振體系最典型的構(gòu)造原理就是高頻電源以及閉環(huán)控制，發(fā)射、接收天線以及負載驅(qū)動電路和閉環(huán)控制所構(gòu)成。發(fā)射天線是單匝接收線圈及諧振線圈所構(gòu)成高頻電源并向發(fā)射天線輸出對應的高頻率正弦交變電流，單匝發(fā)射線圈是在相關(guān)的高頻正弦交變電流作用之下，在其臨近的空間所產(chǎn)生的交變磁場，諧振線圈感應到相關(guān)的交變磁場而出現(xiàn)諧振。兩個諧振線圈之間的構(gòu)造參數(shù)是相同的，并在磁耦合諧振的相關(guān)作用之下一個諧振線圈也會出現(xiàn)諧振，并經(jīng)過其感應耦合的作用把電能傳輸至接收線圈上，接受線圈在接收到相關(guān)的電能時通過負載驅(qū)動電路展開整流濾波處理，再給其直接負載供電，進而有效的呈現(xiàn)電能無線傳輸。在發(fā)射接收天線之間的距離或者是體系的負載出現(xiàn)變化時，相對應的閉環(huán)控制部分的調(diào)節(jié)體系工作頻率能夠有效的促使其安全穩(wěn)定的工作，促使無線輸電體系處在最大傳輸功率以及傳輸效率。

2建模及傳輸特點研究

2.1耦合模理論法

所謂耦合模理論法就是運用耦合模型法，合模方程直接性對相關(guān)發(fā)射天線之間能量耦合展開一定程度的分析。依據(jù)諧振線圈場幅值α定義，求解對應的耦合模方程能夠得到發(fā)射天線及對應接收天線的能量轉(zhuǎn)化傳遞函數(shù)，進而有效的分析WPT體系傳輸特征。2.3發(fā)射接收天線結(jié)構(gòu)

磁耦合諧振WPT體系最重要的構(gòu)成就是發(fā)射接收天線，諧振線圈可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)分為平面螺旋型以及圓柱螺旋型、圓環(huán)同軸型線圈，發(fā)射接收天線可以依據(jù)單匝線圈以及諧振線圈形狀分為對稱發(fā)射接收天線以及非對稱發(fā)射接收天線。平面螺旋型線圈最主要的就是外向邊沿螺旋線圈以及平面螺旋線圈和平面薄膜螺旋線圈、平面薄膜矩形線圈。圓柱形薄膜線圈以及短偶極子螺旋線圈。外向邊沿螺旋線圈和平面螺旋線圈以及圓柱形螺旋線圈相比較而言，平面螺旋線圈耦合參數(shù)及品質(zhì)系數(shù)是較高的，其最適宜于無線電能的傳輸。平面薄膜矩形線圈及圓柱形薄膜線圈主要是應用醫(yī)療電子設(shè)備。短偶極子螺旋線圈是經(jīng)由兩個圓柱形螺旋線圈及一個單位平衡結(jié)構(gòu)合理的串聯(lián)而呈現(xiàn)的，發(fā)射端以及接收端的短偶極子螺旋線圈可以依據(jù)正交方法進行排列，若是其中心的角度是π/4時，其耦合參數(shù)是最大的，對應的傳輸距離也是最遠的。圓環(huán)同軸結(jié)構(gòu)線圈是經(jīng)由一個一端的開口而另外一端和內(nèi)部的對應導體成為環(huán)形的電感器，因此，該線圈的電場基本上會被制約在內(nèi)部同軸電纜之內(nèi)，并且其磁場是由流過外導體的對應電流所產(chǎn)生的，此線圈耦合參數(shù)為k=δ/2π，該式中6代表內(nèi)部相關(guān)導體弧度角，并且此天線的結(jié)構(gòu)還具有一個雙拼帶的傳輸通道，能夠同步傳輸相關(guān)能量及數(shù)據(jù)。

3發(fā)展趨勢

磁耦合諧振WPT技術(shù)是一種高新科技技術(shù)下的無線輸電技術(shù)，其對應的傳輸效率很高，且更容易呈現(xiàn)，所以其在電動汽車以及醫(yī)療電子設(shè)備、消費電子等相關(guān)領(lǐng)域應用較為廣泛，以下將具體分析。

3.1電動汽車領(lǐng)域

磁耦合諧振WPT傳輸距離非常適中，且傳輸效率極高，這就很適宜于電動汽車的無線充電。國外相關(guān)學者所設(shè)計并驗證磁耦合諧振體系相對應的等效電路模型，最終的實驗結(jié)果顯示該體系的傳輸距離為30厘米，對應的傳輸功率為220W，其傳輸效率為95%。

3.2醫(yī)療電子領(lǐng)域

基于高效大功率的條件，磁耦合諧振WPT體系的對應接收天線能夠做的非常小，所以這也很適宜于醫(yī)療電子無線充電運用。有國外的電子研究院設(shè)計了可以用于生物移植的高效磁耦合諧振WPT設(shè)備，這要比以往傳統(tǒng)的WPT體系更具傳輸效率，其結(jié)構(gòu)非常緊湊，耦合性能也非常強，很容易進行調(diào)諧，并且生物相容性也很好，因此可以大量的生產(chǎn)。

3.3消費電子領(lǐng)域

磁耦合諧振WPT的高效非輻射能量傳輸，只會給體系之內(nèi)的相關(guān)裝置傳輸其所需的電能，因此其抗干擾能力也很強，這樣就促使此項技術(shù)在消費電子領(lǐng)域有著極大的運用前景。國外的公司針對其諧振線圈以及金屬性物體進行互相耦合導致其固有的諧振頻率出現(xiàn)變化以及對應的傳輸效率有所降低，詳細的分析了桌子對磁耦合諧振WPT體系的各方面影響，再經(jīng)過一定的實驗數(shù)據(jù)對其相關(guān)性能進行了驗證。

4結(jié)語

電屬于自然現(xiàn)象，更是一種不可比擬的能量。近些年電機工程學不斷的提升與進步，電也被應用至工業(yè)以及生活中，電能很好的改變了人們的各類生活方式，也成為了現(xiàn)代化社會所不能或缺的能量方式?？偠灾?，電磁諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)是作為應用時間較短的無線電能傳輸技術(shù)，它通過電磁場中近區(qū)場和諧振線圈的強耦合實現(xiàn)了電能的中程距離的高效傳輸。由于該技術(shù)克服了傳統(tǒng)無線電能傳輸中技術(shù)中距離跟效率上的問題，具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。無線電能傳輸能夠讓家用的各種電器不再受電線的束縛，提升了人們?nèi)粘Ｉ畹谋憬荻龋⑶移淇梢栽诓唤佑|的狀態(tài)下進行無線電能的傳輸，其能夠不與相關(guān)的負載進行接觸，運用磁場耦合穿透障礙物體展開電能傳輸。磁耦合諧振WPT技術(shù)總體來講，其有著極大的運用潛力，其比其他的WPT技術(shù)更具優(yōu)勢，傳輸距離、功率、效率等都是非常出色的。該技術(shù)的持續(xù)研究對電能的傳輸方式來講有著很大的影響。