電磁共振式無線電能傳輸結(jié)構(gòu)分析

摘 要：本論文討論和比較了四種實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸?shù)姆椒ǎ姶鸥袘?yīng)式、電磁共振式及射頻傳輸。綜合考慮了傳輸距離、傳輸功率及效率等因素，并最終選用電磁共振式傳輸作為本論文的研究對(duì)象。

電磁共振式無線電能傳輸?shù)脑硎请娔芸梢栽趦蓚€(gè)有著相同共振頻率的LC諧振器之間傳輸。諧振器由一個(gè)具有大電感的線圈再串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)小電容組成。電能傳輸?shù)谋匾獥l件是兩個(gè)LC諧振電路有相同的共振頻率。

本論文在基于一定理論分析后，作者制作了一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器。其電路原型是一個(gè)12匝，半徑為9cm的線圈，連接一個(gè)1nF的電容構(gòu)成。一個(gè)信號(hào)發(fā)生器作為初始的能量源。在高頻共振條件下，這個(gè)無線電能傳輸系統(tǒng)成功在一定距離下點(diǎn)亮兩盞LED燈。基于以上成果，本文還對(duì)傳輸電路的構(gòu)成方式從負(fù)載電壓、傳輸距離兩方面進(jìn)行了比較，并得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：電磁共振式；LC諧振電路；傳輸功率；傳輸距離

中圖分類號(hào)：TM724

1 簡介

1.1 無線電能傳輸背景

近年來，許多便攜式設(shè)備都需要電池，比如筆記本電腦和移動(dòng)電話。這些設(shè)備的工作時(shí)間受限于電池壽命。然而，我們總是想保持他們晝夜不停的工作。一旦電池耗盡，就需要一個(gè)充電器。既不方便也不安全。例如，英國和中國的插座標(biāo)準(zhǔn)是不同的。

為了解決這些問題，一種稱為無線電力傳輸新技術(shù)被引進(jìn)。能量能夠通過無形的磁場而不是可見的電線從一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方。

這項(xiàng)技術(shù)最初由MIT（麻省理工學(xué)院）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的。他們使用兩個(gè)較大的諧振器成功地點(diǎn)亮了一個(gè)被放置在遠(yuǎn)離發(fā)射器的60W燈泡。[1]

1.2 無線電能傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法

無線傳輸技術(shù)是一種通過電磁領(lǐng)域或電磁波進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)。[2]無線傳輸分為：電感耦合功率傳輸（ICPT），電磁諧振功率傳輸（ERPT），射頻功率傳輸（RFPT）和微波功率傳輸（MPT）。

電感耦合功率傳輸（ICPT）主要利用磁場作為媒體。變壓器耦合的使用能夠?qū)崿F(xiàn)無電氣連接的能量傳輸。ICPT傳輸是強(qiáng)大的。它可以數(shù)百千瓦，但傳輸距離較短，只有約1cm以下。當(dāng)變壓器松散耦合，變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組中產(chǎn)生高頻交流勵(lì)磁的強(qiáng)電磁耦合。能量轉(zhuǎn)移因此是可行的。

ICPT的基本思想是分離的初級(jí)和次級(jí)繞組，在不同的磁結(jié)構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)負(fù)載之間的功率和能量的傳遞而不需要物理連接。[2]ICPT系統(tǒng)主要是由三部分組成：能量發(fā)射器，可分離變壓器，和能量接收器。然而，隨著距離的增加，該系統(tǒng)由于氣隙導(dǎo)致較低的傳輸效率。在交通運(yùn)輸和通信領(lǐng)域，ICPT技術(shù)主要用于鐵路機(jī)車和電動(dòng)汽車的充電裝置。

電磁共振功率傳輸?shù)脑硎悄芰靠梢酝ㄟ^兩個(gè)相同諧振頻率的LC諧振器進(jìn)行轉(zhuǎn)移。諧振器是由一個(gè)小電容并聯(lián)或串聯(lián)的大電感線圈組成。同樣的共振頻率是能量轉(zhuǎn)移的必要條件。這種類型的系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是，能量只能與相同共振頻率的對(duì)象交換。相對(duì)于ICPT，能量損失是很小的，以至我們可以獲得更大的頻率和更長的傳輸距離。

射頻功率傳輸主要通過功率放大器發(fā)射RF信號(hào)。高頻整流后，直流可用于負(fù)荷檢測器。盡管射頻功率傳輸?shù)膫鬏斁嚯x遠(yuǎn)達(dá)10m，能量只有從很少的MW到約100MW的范圍內(nèi)。其主要目的是為便攜終端提供待機(jī)功耗。

MPT是首先從電子能量轉(zhuǎn)化來微波能量以及再發(fā)送出去的技術(shù)。微波能夠通過空間傳遞到目標(biāo)位置。最后它可以通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源。

MPT技術(shù)適用于電力傳輸領(lǐng)域的大規(guī)模、長距離和非環(huán)境影響。當(dāng)微波傳輸時(shí)，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一些損害，因此，它是不適合于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2 電磁共振式無線能量傳輸系統(tǒng)

2.1 理論分析

從電子工程的數(shù)學(xué)觀點(diǎn)來看，有必要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和頻率之間的關(guān)系進(jìn)行分析。所以簡化模型將被應(yīng)用于基于熟悉的電路理論上。能量傳遞過程的分析可以由簡化模型給出，不需要復(fù)雜的計(jì)算。

兩個(gè)線圈和集中參數(shù)電容構(gòu)成諧振器。除了自耦合通量Ψ1，由兩個(gè)耦合和閉路線圈D和S產(chǎn)生的磁通Ψ2將彼此相交，這被看作是在傳輸線圈模型的電路理論中的互感。

因此，我們建立了如圖所示的等效電路：互感線圈系統(tǒng)由斷了的線封閉的S和D線圈組成。R1和R2是電線電阻而C1和C2是對(duì)應(yīng)線圈D和S的電容器。

首先，從公式（10），當(dāng)諧振器在它的諧振頻率下工作時(shí)，諧振器的Q值應(yīng)當(dāng)足夠高，以增加負(fù)載電壓。[3]

其次，從公式（11），最大的負(fù)載電流是由諧振器的電阻決定。因此，諧振器的電阻應(yīng)被設(shè)計(jì)的足夠小。[3]

第三，從公式（12），為了在共振情況下提高互感，每個(gè)線圈的電阻應(yīng)設(shè)置為最小，諧振頻率不應(yīng)該太高。

2.2 能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖所示，一個(gè)最基本的無線傳輸電路。由電容C1、線圈L1與信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成的系統(tǒng)發(fā)射器。接收器使用與發(fā)射器完成相同參數(shù)的電容及線圈，以保證二者的固有諧振頻率一致。負(fù)載是兩個(gè)小LED燈，與接收電路并聯(lián)。

不同形狀的線圈在計(jì)算電感時(shí)應(yīng)用不同的公式。一個(gè)圓形線圈在這個(gè)系統(tǒng)中被應(yīng)用。[4]所以電感可以用下面的公式計(jì)算：

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3 結(jié)束語

首先，保持其他參數(shù)不改變；系統(tǒng)將在諧振頻率控制下獲得最大負(fù)荷電壓。

第二，負(fù)荷電壓隨著傳輸距離增加而減少。在三種連接方法中，當(dāng)串并聯(lián)型傳輸距離最遠(yuǎn)時(shí)，串聯(lián)型已在近距離擁有最大負(fù)載電壓。

第三，一些特別值得注意地方是，在實(shí)驗(yàn)過程中制作了第三個(gè)LC電路。該電路的所有參數(shù)與發(fā)射器和接收器完全一樣。當(dāng)我把電路放在發(fā)射器和接收器（靠近發(fā)射器）之間的一個(gè)位置時(shí)，負(fù)載電壓增加。當(dāng)發(fā)射器和接收器之間的距離達(dá)到30厘米時(shí)，增加第三線圈可以使LED（已經(jīng)不亮）再次亮起來。但如果線圈放置的位置出現(xiàn)錯(cuò)誤，效果將是相反的：結(jié)果，負(fù)載電壓將降低。這一現(xiàn)象的合理解釋應(yīng)該是第三個(gè)線圈使線圈匝間的高頻耦合效應(yīng)增強(qiáng)。更詳細(xì)的原因還需要更深入的探索。

無線傳輸并非受非金屬物影響。它可以穿透如紙張和塑料的物品而無能量損失。但金屬物質(zhì)能夠引起的共振頻率偏移，因此它能對(duì)傳輸?shù)木嚯x和效率產(chǎn)生影響。在一些特殊情況下，如第三線圈的加入會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生積極的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]Andre Kurs，AristeidisKaralis，Robert Moffatt，J.D.Joannopoulos，Peter Fisher，Marin Soljacic.Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances[J].Science，2007（317）：83-86.

[2]http：//wenku.baidu.com/view/cd94022db4daa58da0114abc.html[OL].

[3]Chunbo Zhu，Chunlai Yu，Kai Liu，Rui Ma.Research on the Topology of Wireless Energy Transfer Device[J].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，2008.

[4]Daqian Fang.Handbook of Electrical Calculations[J].Shandong Science and Technology Press，1994.

[5]Benjamin L.Cannon，ames F.Hoburg，DanielD.Stancil，Seth Copen Goldstein.Magnetic Resonant Coupling Asa Potential Means for Wireless PowerTransfer to Multiple Small Receivers[J].Power Electronics，2009（09）.

作者簡介：武天龍（1988-），男，山西人，廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心廠站自動(dòng)化專責(zé)，碩士研究生。

作者單位：廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510000