磁耦合諧振式無線電能傳輸

傅 含,張國忠,葉 邯（廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院,福建 漳州 363105）

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磁耦合諧振式無線電能傳輸

傅 含,張國忠,葉 邯
（廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院,福建 漳州 363105）

摘 要：磁耦合諧振式無線電能傳輸作為一項(xiàng)新技術(shù)，因其傳輸距離遠(yuǎn)、速度快、效率高、功能大而得到廣泛的應(yīng)用,也成為了近年來相關(guān)的專業(yè)人員研究的方向。本文主要從磁耦合諧振式無線電能傳輸以及振動(dòng)無線電能傳輸裝置出發(fā),在當(dāng)前我國研究的基礎(chǔ)上對(duì)磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)陌l(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：磁耦合諧；振式無線電能傳輸；傳輸裝置前景展望

1 磁耦合諧振式無線電能傳輸

（1）無線電能傳輸。無線電能傳輸,簡稱WPT技術(shù),是根據(jù)能量傳輸過程中中繼能量形式的不同,在不使用導(dǎo)線連接的情況下通過電場等進(jìn)行進(jìn)行傳輸?shù)男滦图夹g(shù)。其主要包括：磁（場）耦合式、電（場）耦合式、電磁輻射式（如太陽輻射）、機(jī)械波耦合式（超聲）。其中,磁耦合式是目前研究最為火熱的一種無線電能傳輸方式,也就是將高頻電源加載到發(fā)射線圈,使發(fā)射線圈在電源激勵(lì)下產(chǎn)生高頻磁場,接收線圈在此高頻磁場作用下,耦合產(chǎn)生電流,實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸。這項(xiàng)技術(shù)開創(chuàng)了人類通信的新紀(jì)元,基于能源供給而產(chǎn)生的無線電技術(shù)將會(huì)創(chuàng)造出人類能源史的新里程,其給大眾帶來的意義與影響也非同凡響。這項(xiàng)技術(shù)的使用具有以下的特點(diǎn)：

1）通用性電波的傳輸不需要導(dǎo)線進(jìn)行連接一旦普及,將會(huì)使電子產(chǎn)品從導(dǎo)線的束縛中解脫出來,電器接口、兼容性的問題將得到解決,供電更方便,便捷人們的生活,提高人們的生活水平,提高人們的生活質(zhì)量。

2）便攜性、實(shí)用性目前的生活狀況下實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸依舊面臨這挑戰(zhàn),但這項(xiàng)技術(shù)的推廣,將會(huì)極大的提高傳輸?shù)乃俣取鬏數(shù)牧?對(duì)徹底解決人民生活中電力的供給問題提供有力的幫助,方便生活,提高效率。同時(shí),對(duì)于目前很多缺乏或者無法布置電線造成的供電困難現(xiàn)象,無線電能傳輸?shù)钠占皩?huì)使這難題得到解決,緊急情況下快速地供電模式也是未來發(fā)展的必然趨勢,例如加拿大等國開始嘗試使用輻射式供電驅(qū)動(dòng)的無人飛機(jī)作為電視轉(zhuǎn)播臺(tái)。

3）美觀性不以導(dǎo)線連接的無線電能傳輸,將會(huì)推動(dòng)電子設(shè)備的體積進(jìn)一步的減小,電子設(shè)備的數(shù)據(jù)線將不再需要,便捷人們生活的同時(shí),營造一種美觀性。在能效轉(zhuǎn)化效率、電磁人體輻射安全的情況下,無線供電時(shí)代的普及,將能夠有效解決家庭布線、家電固定化等破壞問題，節(jié)省銅、塑料等資源。

4）安全性無線電能傳輸技術(shù)的普及,將會(huì)消除電子設(shè)備接觸產(chǎn)生的電火花、電火花可能引起的爆炸、插頭損壞和接觸不良等安全隱患。如使用無線充電技術(shù)的電動(dòng)牙刷和電動(dòng)剃須刀的防水性將進(jìn)一步得到提高。

5）綠色性、永久性若空間太陽能發(fā)電實(shí)現(xiàn)真正的商業(yè)運(yùn)作化,人類將能從太陽能得到巨大的能量,在能源不缺乏的基礎(chǔ)上,無線電能傳輸將而真正解決能源問題,實(shí)現(xiàn)綠色能源,提高能源供給,解決能源危機(jī),造福后代。

（2）磁耦合諧振式磁耦合諧振式，作為新的無線電能傳輸方式，主要工作原理是利用物理學(xué)的"諧振"原理,兩個(gè)振動(dòng)頻率相同的物體能高效傳輸能量。基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸,實(shí)際上是將磁場作為傳輸?shù)慕橘|(zhì),當(dāng)電源發(fā)送端的振蕩磁場頻率和接收端的固有頻率相同時(shí),接收端產(chǎn)生共振,通過共振建立發(fā)射與接收裝置之間的傳遞通道,從而有效地傳輸能量。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置

耦合諧振系統(tǒng)中,銅線繞制的發(fā)射線圈為電感L,L與諧振電容并聯(lián)構(gòu)成諧振體,諧振體產(chǎn)生自諧振頻率在空間振蕩,產(chǎn)生磁場。接收端也是由一個(gè)接收線圈并聯(lián)一個(gè)電容形成的諧振體,其諧振頻率與發(fā)射端相同,感應(yīng)的磁場在空間震蕩，兩個(gè)諧振體同時(shí)在不斷的交換磁場能,電場能與磁場能交換以相同頻率振蕩的能量交換,構(gòu)成耦合諧振系統(tǒng)。磁耦合諧振式系統(tǒng)原理框架圖如圖1所示。

此項(xiàng)目我們?cè)O(shè)計(jì)了三部分,主要有發(fā)射端電路設(shè)計(jì),接收端電路設(shè)計(jì)和線圈電路設(shè)計(jì)。發(fā)射端采用自激振蕩電路將15V的直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流電。接收端部分采用整流和濾波模塊將感應(yīng)交流電流處理后輸出為直流電壓。線圈是自己動(dòng)手繞制的,用的材料是熱損耗小的銅線圈。

（1）發(fā)射端發(fā)射端包括發(fā)射線圈、鐵芯、共振線圈,環(huán)狀的發(fā)射線圈作為磁耦合部分的一次測繞組。共振線圈的首端和尾端均延伸出一段導(dǎo)體后連接,該連接處也作為感應(yīng)耦合部分的二次側(cè)繞組。發(fā)射線圈產(chǎn)生交變的磁場在共振線圈的首尾端連接處上感應(yīng)出同樣頻率的交變電流,從而使發(fā)射線圈與共振線圈之間通過鐵芯以磁耦合的方式傳遞能量,該電磁能量在共振線圈中產(chǎn)生同樣頻率的交變磁場,從而向接收端傳輸能量。

（2）接收端把接收端收到的信號(hào)經(jīng)過整流濾波處理后的直流電供給負(fù)載使用。接收端由整流濾波模塊和負(fù)載模塊組成。整流電路采用橋式整流電路,每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值,比全波整流電路小一半。其優(yōu)點(diǎn)是效率較高,穩(wěn)定性較好。濾波電路就是在電感電容濾波電路前并聯(lián)一個(gè)濾波電容,這樣濾波效果極佳,但是整流二極管的沖擊電流較大,適用于負(fù)載電流較小的場合。

（3）線圈耦合線圈的選型很重要,在耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中,繞制耦合線圈時(shí),要考慮其體積,厚度,還要考慮發(fā)射與接收線圈自身的品質(zhì)因數(shù)以及散熱問題,為了提高系統(tǒng)的傳輸特性,我們繞制的線圈匝數(shù)較少,這樣有利于減少損耗。繞制線圈的形狀采用螺線管線圈式結(jié)構(gòu),因?yàn)槠矫媛菪€圈式線圈厚度很薄,對(duì)發(fā)射線圈和接收線圈的位置要求很嚴(yán)格,一旦兩個(gè)線圈中心點(diǎn)不一致會(huì)使傳輸效率大幅度下降。而螺線管式線圈磁場均勻方向好,每單位體積所能產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度最大,這樣它的互感耦合系數(shù)較高。螺線管式結(jié)構(gòu)如圖2所示，平面螺旋式結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 磁耦合諧振式無線電能傳輸發(fā)展前景

磁耦合諧振式無線電能傳輸從目前來看有著廣闊的發(fā)展前景。因其具有的便捷性、安全性、穩(wěn)定性、美觀性等在家電領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、醫(yī)療器械行業(yè)以及一些特殊的額行業(yè)將會(huì)得到更深入的推廣。

同時(shí),磁耦合諧振式無線電能傳輸原理作為先進(jìn)的科技理論，其復(fù)雜程度、技術(shù)難度較大,包括了電磁場、電力電子技術(shù)、物理學(xué)、等諸多學(xué)科,還有很多理論和技術(shù)問題需要展開研究,這次做出來的實(shí)物可以實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸,但能實(shí)現(xiàn)的距離較小,磁耦合諧振式無線電能傳輸有著巨大的應(yīng)用潛力,我們將會(huì)繼續(xù)在這一方面發(fā)掘出更好的電子來完成無線電能傳輸。

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