磁耦合諧振式無線電能傳輸分析

摘 要：磁耦合諧振式無線電能傳輸是電力范疇的一項新技術，在多方面具有相對明顯的優(yōu)勢，例如：傳輸距離遠、速度快等?；谶@些優(yōu)點，該項技術得到了廣泛的應用，更成為了我國電力行業(yè)重點研究的一個重點課題。本文就對磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)南嚓P內容，進行簡要的分析和闡述，希望對我國電力行業(yè)的發(fā)展，以及經濟效益的提升，給予一定的幫助。

關鍵詞：磁耦合諧振式；無線電能傳輸；電力行業(yè)

中圖分類號：TM724 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）04-0040-03

Abstract：The magnetic coupling resonant radio transmission is a new technology in the category of electric power. It has relatively obvious advantages，such as the long distance and fast speed. Based on these advantages，the technology has been widely used，and it has become a key topic in the focus of China's power industry. This paper makes a brief analysis and exposition of the related content of magnetic coupling resonant radio transmission，and hopes to give some help to the development of China's electric power industry and the promotion of economic benefits.

Keywords：magnetic coupling resonance；radio energy transmission；power industry

0 引 言

磁耦合諧振式無線電能傳輸作為一項新的技術模式，其傳輸距離可以達到幾十厘米，傳輸效率也可提升到90%，傳輸功率也可以達到上千瓦。同時，無線電能傳輸主要是利用空間無形軟介質，實現(xiàn)將電能由電源端傳遞到用電設備，保證用電設備使用的穩(wěn)定性。這種供電模式主要是基于集電磁場、電力電子、高頻電子、電磁感應和耦合模理論等學科，使供電階段更加的穩(wěn)定和安全，避免影響用電設備的正常使用[1]。另外，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的穿透性相對較好，不會受到任何因素的影響，保證電力電能的穩(wěn)定性。

1 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術分析

1.1 技術架構分析

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術主要是由兩個線圈和四個線圈等結構組成，并且在電能傳輸?shù)倪^程中，主要是由發(fā)射端和電能接收端等方面組成。另外，發(fā)射端主要是由發(fā)射能量線圈和高頻率的電源組成，能量接受端是由接受線圈、和諧振電路板、負載電路等方面組成。從總體的角度來說，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術構架相對較為簡單。

1.2 運行原理

磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)倪^程，是以導線纏繞制成的發(fā)射線圈與諧振電容共同并列所形成的諧振體。同時，這種諧振體容納性較強，能連接在電場和磁場之間，并且自諧振頻率以線圈為基礎點，以空氣為傳輸介質，進行磁場更換。另外，在電能接受時，主要是利用接受線圈帶有一個點位電容組成的諧振體，在相同的條件下，諧振頻率和電能發(fā)送端才能同時運行，這樣才能有效地實現(xiàn)兩個諧振體交換運行模式，形成磁耦合諧振式系統(tǒng)，在最大程度上保證電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性，為電能使用設備的運行，提供了基礎性的條件[2]。

1.3 技術優(yōu)勢

（1）磁耦合諧振式無線電能傳輸具有良好的通用性，并且在傳輸?shù)倪^程中，是不需要連接任何電導線的，這樣可以避免電能傳輸受到導線的限制，提升了電能傳輸兼容性，這樣不僅保證了電能運輸?shù)姆€(wěn)定性，還為用電設備運行提供基礎性保證。（2）該項技術的廣泛應用，可以在很大程度上提升電能傳輸?shù)男?，有效解決供電電力不足的現(xiàn)象。同時，由于電線布置不完善會產生供電困難，這樣對電能傳輸就會造成一定阻礙。然而，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術主要是以空氣作為介質，完善電能傳輸?shù)姆秶?，以及傳輸?shù)姆€(wěn)定性，保證了人們用電的充足性。（3）磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的普及，可以降低用電設備與電能接觸所產生的電火花、線路接觸不良等現(xiàn)象，盡可能的消除安全隱患，提升了用電設備運行的穩(wěn)定性[3]。另外，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術還可以利用輔助設備，實現(xiàn)太陽能發(fā)電的模式，這樣有效解決能源緊張問題，也有利于環(huán)保行業(yè)的發(fā)展。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸建模分析

2.1 電能傳輸模型構建

如圖1所示，磁耦合諧振式無線電能傳輸主要是發(fā)射端和接受端等兩個部分組成，在系統(tǒng)運行模擬的過程中，會將電源信號利用逆變轉化的方式，形成高頻并放大以后通過發(fā)射端進行傳輸。同時，在這個過程中發(fā)射線圈和接收線圈會形成諧振，能量也會由發(fā)射線圈耦合到接受線圈，將能量傳輸?shù)浇邮针娐分?，并且通過利用整流濾波后送給負載，以此實現(xiàn)無線電能傳輸?shù)哪Ｊ絒4]。另外，在磁耦合諧振式無線電能傳模型構建的過程中，還需要補償電容進行有效的連接，經過磁場的作用形成諧振，但是由于各項功能的不同，線圈的參數(shù)也存在一定差異，所以一定要對該方面進行綜合性的考慮，避免影響電能傳輸?shù)姆€(wěn)定和穩(wěn)定性。

2.2 電路模型構建

圖2中C1、C2為發(fā)射和接收線圈的補償電容，L1、L2為發(fā)射、接線圈的等效電感，R1、R2為發(fā)射、接收線圈的等效電阻，ZL為負載阻抗，M為兩線圈之間的互感。因此，在電路模型構建的過程中，應當對發(fā)射電路和接收電路阻抗進行計算，其計算公式為：

另外，在模型構建的過程中，完成電路阻抗計算后，需要進行電源輸出功率、負載功率等方面的計算，其公式為：

通過這些計算公式，以及最終所計算的結果，可以得出磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)墓β?，以及與線圈參數(shù)、尺寸大小、匝數(shù)多少、耦合系數(shù)等方面的關系，進而判斷電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，是否處于最佳的狀態(tài)。

2.3 傳輸線圈模型構建

根據(jù)上述的分析，可以利用漆包線推算發(fā)射、接收的線圈數(shù)，漆包線直徑為2mm，并且兩圈的半徑為100mm，匝數(shù)均為6，線圈互感的系數(shù)為M-0.5×3.14μNr4/D3，其中，N為兩個線圈匝數(shù)，r為半徑，D為兩線圈的間距。另外，在傳輸線模型構建的過程中，通過利用逆變電路將電流信號進行轉換，并且將電流信號放大以后，再傳輸?shù)桨l(fā)射線圈。如圖2所示，以無線鼠標為例，電源可以取計算機USB接口5V的直流電，經過逆變電流以后，將2MHz～5MHz的交流信號進行轉換、放大發(fā)送到發(fā)射線圈。同時，若是借用功率發(fā)生器，則直接取5V直流電，將其信號加載到發(fā)射線圈，通過利用相應的計算公式可知負載阻抗為10Ω，并且對補償器在0.2～20nF之間進行相應的調整，進而保證無線鼠標使用的穩(wěn)定性[5]。

3 傳輸方向分析

（1）在傳統(tǒng)輸電模式中，接收線圈的平面法向總是和磁場方向平行，與發(fā)射線圈的耦合系數(shù)差距始終最大。然而，對于旋轉接收系統(tǒng)而言，接收線圈和磁場的空間都會產生一定的變化，接收線圈的平面法向就會出現(xiàn)和磁場方向不平行甚至垂直的情況。那么，在這種情況下，接收線圈中的接收電壓，會根據(jù)線圈平面法夾角的變化隨之變化。另外，若是線圈控價的位置和方向發(fā)生變化，并且設置線圈1的圓心坐標點為（0，0，0），線圈2的坐標點為（0，t，h）的話，對兩個線圈互感關系進行分析，其分析公式為：

其中，公式中的r1和r2為線圈1、2的半徑，n1、nm為線圈1、2的匝數(shù)，δ為線圈1、2的法線夾角[6]。同時，在傳輸方向分析的過程中，可以利用雙重積分的形式，對各項數(shù)值進行求解分析，并且空間兩線圈的互感系數(shù)，會隨著線圈法線夾角的變化而變化。

（2）在磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)倪^程中，若是空開空間夾角產生變化，互感系數(shù)就會受到一定的影響，但是這種影響并不意味著互感系數(shù)會下降，也不會影響接收線圈接收到最大的電壓值。盡管空間兩線圈之間的夾角產生變化，也一定要保證η=ωM/R≥1，這樣傳輸系統(tǒng)仍保持在強耦合狀態(tài)，也叫做電能傳輸?shù)挠行Х秶瑫r接收線圈收到的電壓依舊可以接收最大電壓值。然而，若是夾角發(fā)生變化η=ωM/R<1，系統(tǒng)就會處于欠耦合的狀態(tài)，進而影響接收線圈接收電壓，磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性也會隨之下降。

（3）從不同角度、不同程度進行分析后發(fā)現(xiàn)，若是系統(tǒng)軸、平行放置處于過耦合的狀態(tài)下，應當在一定的范圍內改變傳輸方向，同時要保證η=ωM/R≥1不變，這樣接收圈接收電壓數(shù)值也不會發(fā)生變化?？扇羰莻鬏敺较虻母淖儯鲆欢ǚ秶?ωM/R<1，這時接收線圈的接收電壓最大值將隨著傳輸方向改變而迅速減小。然而，傳輸系統(tǒng)軸、平行放置時處于“臨界耦合”和“欠耦合”狀態(tài)時，方向改變系數(shù)會降低，導致η=ωM/R<1，接收電壓的最大值也會隨著方向的改變而改變。通常情況下，傳輸方向改變不會影響無線傳輸性能，這樣的性能稱為“無方向性”；方向性的改變，傳輸方向隨之發(fā)生改變時，這種方向性叫作“有方向性”。

4 磁耦合諧振式無線電能傳輸仿真分析

（1）為了保證功率、頻率、負載電阻的之間的關系，可以利用固定系數(shù)降低功率、頻率、負載電阻等變量的變化，如圖3所示。從圖中就可以看出，若是傳輸距離（D）一定的話，頻率為600kHZ，傳輸效率就會隨之提升，同時負載電阻也會受到效率的變化，隨之產生變化。故功率、頻率、負載電阻的變化，是隨著傳輸距離而變化的。

（2）在仿真分析的過程中，可以利用固定負載對效率和功率進行研究分析，例如：如圖4所示，若是固定負載（RL）取值為2000Ω，可以從圖像中看出，傳輸效率若是相對較近，則傳輸效率也會隨之提升。此時的頻率變化，對系統(tǒng)傳輸效率不會造成嚴重的影響，只有諧振效率發(fā)生變化，功率輸出才會產生一定的變化。

5 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術發(fā)展分析

就目前形式而言，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的應用前景較為廣泛，具有非常明顯的優(yōu)勢。同時，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術使用的過程，是以先進的技術理論為基礎的，有效實現(xiàn)了無線傳輸電能的模式，但是在距離上還存在一定的限制，僅僅控制在幾十厘米內。這樣看來，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術還是會受到一些因素的限制。因此，在后期發(fā)展的過程中，還需要對磁耦合諧振式無線電能傳輸技術進行不斷的研究和分析，發(fā)掘出更多的功能，并且?guī)砀玫陌l(fā)展前景。

6 結 論

本文從不同角度、不同層面對磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的相關內容，進行了簡要的分析和闡述，通過仿真模擬，以及模型構建分析，進一步明確了磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的功能和優(yōu)勢，以此保證電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性，保證用電設備運行處于正常的運行，進而促進相關行業(yè)發(fā)展的進程。

參考文獻：

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[3] 張獻，楊慶新，陳海燕，等.電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的建模、設計與實驗驗證 [J].中國電機工程學報，2012，32（21）：153-158.

[4] 傅含，張國忠，葉邯.磁耦合諧振式無線電能傳輸 [J].山東工業(yè)技術，2016（12）：160-161.

作者簡介：曹嘉倫（1994-），男，漢族，上海人，碩士。研究方向：新能源及其電力電子技術。