關(guān)于磁耦合諧振式無線電能傳輸分析

楊 赫

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 111000）

關(guān)于磁耦合諧振式無線電能傳輸分析

楊 赫

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 111000）

磁耦合諧振式是一種無線電能傳輸系統(tǒng)，可以最大程度使無線電能傳輸技術(shù)發(fā)揮出來。磁耦合諧振式是利用空間線圈感應(yīng)原理和等效電路分析原理，能夠更好地分析出電壓頻率曲線以及電能傳輸情況。此外，根據(jù)空間分配原理，合理擺放空間線圈，分析出空心線圈數(shù)值與方向的關(guān)系，提出無線電能過耦合、臨界耦合和欠耦合3種狀態(tài)。文章以有關(guān)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，與其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，具體得出無線傳輸電能的現(xiàn)實(shí)性狀態(tài)，并且提出有關(guān)建議。

無線電能傳輸；磁耦合諧振；具體分析

磁耦合諧振無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）技術(shù)是當(dāng)今世界應(yīng)用最廣泛的無線電傳輸技術(shù)之一。磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、高效快捷以及不帶有任何輻射的特點(diǎn)。具體來說，磁耦合諧振是以電磁場(chǎng)理論為依據(jù)，設(shè)計(jì)出多個(gè)相同諧振頻率、高品質(zhì)因數(shù)的電磁諧振系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離，便捷的無線電能傳輸。但是，現(xiàn)在磁耦合諧振傳輸技術(shù)依然處于起步階段，大量問題還沒有解決。本文具體分析了磁耦合諧振式的無線電傳輸技術(shù)的原理和模型結(jié)構(gòu)，闡述國內(nèi)外發(fā)展情況以及應(yīng)用發(fā)展領(lǐng)域。

1 工作理論以及模式類型

1.1 工作理論依據(jù)

第一，信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生功率較大的電流，為整個(gè)無線電傳輸提供系統(tǒng)的動(dòng)頻率系數(shù)，形成正弦信號(hào)。之后產(chǎn)生的無線電傳輸信號(hào)經(jīng)過相關(guān)設(shè)備傳導(dǎo)到電源線之上，這個(gè)時(shí)候原有的電源設(shè)備之上就形成高強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，產(chǎn)生諧振的現(xiàn)象。第二，電源線圈發(fā)生諧振現(xiàn)象并且形成電磁場(chǎng)之后，兩者之間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的能量就會(huì)發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換，而在這一過程之中會(huì)有一部分的電磁能傳輸?shù)浇邮斩说呢?fù)載線圈中，而接收端的負(fù)載線圈使用的部分電流，致使無線電能量可以傳輸?shù)叫盘?hào)的終端。第三，在無線電的終端，電磁場(chǎng)中的能量和負(fù)載線圈之中的磁能之間的交換也是以諧振波震動(dòng)為基礎(chǔ)的，最終將無線電能量傳輸給負(fù)載的終端。

1.2 具體模型結(jié)構(gòu)

無線電能傳輸模型結(jié)構(gòu)是以兩個(gè)諧振單元為基礎(chǔ)構(gòu)建的現(xiàn)代電能傳輸系統(tǒng)，被稱作無線電能傳輸?shù)幕窘Y(jié)構(gòu)，也成為兩線圈模式。但是如果技術(shù)人員在兩線圈結(jié)構(gòu)之上，又增加一個(gè)中線圈就被稱為三線圈結(jié)構(gòu)，也是較高層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第三，技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況需求，有時(shí)會(huì)在基本的諧振線圈基礎(chǔ)之上增加兩種感應(yīng)線圈，構(gòu)建最高層次的4線圈模式。

2 國內(nèi)外研究和發(fā)展情況

2.1 模型建造和無線電輸出研究

目前磁耦合諧振WPT技術(shù)模型架構(gòu)以及無線電能傳輸主要有兩種方法。首先，耦合模型建構(gòu)理論。這種方法首先需要技術(shù)人員建構(gòu)耦合方程，建構(gòu)獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸鏈條，然后就可以根據(jù)數(shù)據(jù)鏈條技術(shù)無線電的能量傳輸。根據(jù)磁耦合諧振WPT的方程式顯示，諧振線圈電能傳輸?shù)母?dòng)值a，就可以分析出耦合方程之間的能量最大轉(zhuǎn)換數(shù)值，從而確定無線電能的發(fā)送與接收裝置之間最合理的能量裝換數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)無限電能的高效傳輸?，F(xiàn)在某些學(xué)者通過建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，使用高等數(shù)學(xué)的運(yùn)算法則，分析出諧振頻率震動(dòng)的變化函數(shù)，從而對(duì)無線電能傳輸進(jìn)行有效控制。此外，另外一些學(xué)者使用耦合模型理論研究WPT 技術(shù)，分析其中的數(shù)據(jù)和信息，構(gòu)建出平面諧振系統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖形，從而指導(dǎo)實(shí)際的磁耦合諧振WPT系統(tǒng)的構(gòu)建。其次，感應(yīng)耦合模型建構(gòu)理論。這種方法是以感應(yīng)物理學(xué)為理論基礎(chǔ)，研究無線電能量的接受設(shè)備的各種信號(hào)參數(shù)并且構(gòu)建出等效電路數(shù)據(jù)圖形。等效電路構(gòu)成的無線電能傳輸?shù)姆匠探M，并且依據(jù)高等數(shù)學(xué)的法則解出無線電傳輸?shù)念l率和速率，分析出磁耦合諧振WPT系統(tǒng)的能量傳輸特點(diǎn)。

2.2 天線接受結(jié)構(gòu)研究

無線電能量的接收裝置是磁耦合諧振WPT系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是保證無線電能量傳輸高效率的保證。無線電能量的天線接收裝置按照其線圈數(shù)量不同以及諧振種類不同，具體分為兩大類，包括對(duì)稱發(fā)射接收天線、非對(duì)稱發(fā)射接收天線。兩種無線電能量接收裝置要分別匹配諧振線圈的3種模型結(jié)構(gòu)，分別是二維空間螺旋模式、立體圓柱形線圈模式、圓環(huán)式構(gòu)造線圈結(jié)構(gòu)。此外，無線電能量的天線接收裝置和諧振電量容納機(jī)構(gòu)匹配和構(gòu)成方式也是當(dāng)今學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，并且有關(guān)學(xué)者還設(shè)計(jì)出單線圈諧振圓環(huán)模式和柔性圓環(huán)諧振線圈兩種新型的諧振線圈結(jié)構(gòu)。此外，有關(guān)學(xué)者還通過對(duì)WPT諧振線圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)諧振波動(dòng)頻數(shù)與線圈工作頻數(shù)大致相等的時(shí)候，無線電能量傳輸最為高效。

2.3 系統(tǒng)控制方式研究

無線電能量傳輸受距離和負(fù)載影響較大，因此為保證無線電能量傳輸?shù)臅r(shí)刻保持最高效的狀態(tài)，需要對(duì)磁耦合諧振WPT系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)時(shí)調(diào)控。目前，無線電能量傳輸?shù)恼{(diào)控手段主要包括頻率調(diào)控方式和阻抗匹配調(diào)控方法。第一，頻率調(diào)控方式。這種方式有3種理論研究?jī)?nèi)容。首先，由美國著名大學(xué)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)提出的利用有關(guān)設(shè)備計(jì)算出頻率在受到傳輸距離以及負(fù)載的影響之下，產(chǎn)生的波動(dòng)數(shù)值。然后與可以使無線電能量傳輸最大功率的諧波振動(dòng)頻率進(jìn)行比對(duì)。若果實(shí)際較弱，就提高諧波振動(dòng)的頻數(shù)，防止則較少震動(dòng)頻數(shù)。其次，韓國頂級(jí)三星研究機(jī)構(gòu)發(fā)明出諧波振動(dòng)頻數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng)，可以對(duì)諧波頻數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。最后，東南大學(xué)的黃學(xué)良教授根據(jù)高等數(shù)學(xué)法則，構(gòu)造諧波振動(dòng)頻數(shù)的函數(shù)公式，根據(jù)函數(shù)公式可直接計(jì)算出應(yīng)調(diào)整的諧波振動(dòng)的頻數(shù)，簡(jiǎn)潔方便。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展方向

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

磁耦合諧振WPT技術(shù)是最先進(jìn)的一種無線電能量傳輸技術(shù)，可以保證無線電能量傳輸?shù)母咝Ш秃?jiǎn)潔。因此在社會(huì)生活之中應(yīng)用范圍廣泛，并且主要集中于電車、醫(yī)療器械、電子行業(yè)等幾個(gè)領(lǐng)域。首選，電車領(lǐng)域。磁耦合諧振WPT技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的無線電能量傳輸，并且十分高效、便捷，可以擴(kuò)大電車活動(dòng)范圍。美國著名科研機(jī)構(gòu)通過對(duì)磁耦合諧振WPT技術(shù)的無線電傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，WPT系統(tǒng)可以在30米的范圍之內(nèi)進(jìn)行無差別的電能傳輸，而且傳輸有效率達(dá)到驚人的95%。其次，醫(yī)療器械領(lǐng)域。磁耦合諧振WPT技術(shù)的無線電接收裝置可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，十分適合醫(yī)療電子設(shè)備的充電使用。新加坡微型電子設(shè)備研究機(jī)構(gòu)就依據(jù)這樣的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出一種衛(wèi)星醫(yī)療設(shè)備的無線電充電裝置，這種新型的磁耦合諧振WPT系統(tǒng)，可以快速地對(duì)醫(yī)療器械進(jìn)行充電，并且更加簡(jiǎn)潔，同時(shí)材料十分充分，成本低廉，可以進(jìn)行大規(guī)模地批量生產(chǎn)。最后，電子領(lǐng)域。磁耦合諧振WPT技術(shù)屬于一種先進(jìn)的無線電能量出書系統(tǒng)，能夠?qū)Σ煌愋偷碾娮釉O(shè)備的進(jìn)行充電，并且可以抵抗多種磁場(chǎng)的壓力具有廣闊的應(yīng)用前景。日本行業(yè)巨頭東芝集團(tuán)的研發(fā)機(jī)構(gòu)，就利用磁耦合諧振WPT系統(tǒng)開發(fā)出各種高端電子設(shè)備的充電裝置，占據(jù)廣闊的市場(chǎng)，促進(jìn)了公司的發(fā)展。

3.2 未來發(fā)展方向

磁耦合諧振WPT技術(shù)雖然已經(jīng)得到不斷地完善，但是依然具有廣闊的探索領(lǐng)域。以下就是磁耦合諧振WPT技術(shù)應(yīng)該拓展的幾大領(lǐng)域。第一，設(shè)計(jì)大功率的電源供給裝置。目前，磁耦合諧振WPT系統(tǒng)的電源功率較低，不能滿足某些社會(huì)行業(yè)的工作需要，使其應(yīng)用范圍受到限制。第二，制定嚴(yán)格的行業(yè)規(guī)范。隨著磁耦合諧振WPT技術(shù)不斷向前發(fā)展，其必將走向產(chǎn)業(yè)化的道路。第三，營造安全的WPT電磁環(huán)境。磁耦合諧振WPT系統(tǒng)本質(zhì)也是一種電磁設(shè)備，其具有非常巨大的電磁輻射，對(duì)人類的身體會(huì)產(chǎn)生一定的損害。第四，實(shí)現(xiàn)WPT系統(tǒng)智能化管理。目前磁耦合諧振WPT技術(shù)的應(yīng)用需要人工進(jìn)行操作，由此產(chǎn)生諸多的問題，要想解決這些問題就必須實(shí)現(xiàn)磁耦合諧振WPT系統(tǒng)的智能化管理，實(shí)現(xiàn)無人操控。一旦磁耦合諧振WPT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化操作，具有自動(dòng)識(shí)別和監(jiān)控的能力并且可以和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)接，就可以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的推廣，徹底走向產(chǎn)業(yè)的話的道路。

4 結(jié)語

磁耦合諧振無線電傳輸技術(shù)是一種先進(jìn)、高效的電能傳輸技術(shù)，具有十分巨大的發(fā)展?jié)摿?。磁耦合諧振無線電傳輸技術(shù)相對(duì)其他無線電傳輸技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是在距離、速度、效率等方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯。本文詳細(xì)闡述磁耦合諧振無線電傳輸技術(shù)的使用原理和基本模型結(jié)構(gòu)，同時(shí)總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于磁耦合諧振的無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展情況，提出無線電能應(yīng)用技術(shù)在醫(yī)療、教育、航天、電子信息技術(shù)方面的應(yīng)用。最后，希望有關(guān)技術(shù)人員加快技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)磁耦合諧振無線電能技術(shù)向更好的方向發(fā)展。

[1]商和龍.基于磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的分析與設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

[2]史繼翠.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)建模及優(yōu)化分析[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2013.

Analysis on the wireless power transfer of magnetic resonances

Yang He
（Shenyang Agricultural University, Shenyang 111000, China）

Magnetic resonances is a kind of wireless transmission system, which can take best advantage of the wireless power transfer technology. Magnetic resonance adopts the principle of the coil induction in space and the equivalent circuit analysis,which can better analyze the frequency curve of voltage and power transmission. In addition, according to the principle of spatial distribution, it puts space coil in suitable place, analyzes the relationship between the numerical value and direction of air-core coil, proposes three states of the wireless power：coupling, critical coupling and under-voltage coupling. In addition, based on the related experiment,we also compare with other experimental results,specifically get the practical condition of wireless transmission electricity , and put forward some relevant suggestions.

wireless power transfer; magnetic resonances; specific analyses

楊赫（1990— ），女，遼寧遼陽，碩士；研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化。