共振耦合電能傳輸原理研究

馬進(jìn) 丁斌 王勇 葛偉 康鐵峰/國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司

共振耦合電能傳輸原理研究

馬進(jìn) 丁斌 王勇 葛偉 康鐵峰/國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司

在電磁學(xué)研究的早期，有線電力網(wǎng)還沒(méi)有建立，曾經(jīng)有很多人致力于建立遠(yuǎn)距離無(wú)線電力傳輸。這些努力獲得了部分的成功。全向的電磁輻射模不適合這樣的能量傳輸，因?yàn)榇蟛糠帜芰吭谧杂煽臻g浪費(fèi)了。使用激光或高頻天線的定向輻射模式，可有效地傳輸能量，即使是在遠(yuǎn)距離的情況下。然而，定向輻射模式要求一個(gè)無(wú)阻擋的直線空間和復(fù)雜的定向跟蹤系統(tǒng)。近年來(lái)迅速發(fā)展的獨(dú)立工作的電子產(chǎn)品應(yīng)該重新審視調(diào)查這個(gè)問(wèn)題。

無(wú)線電力傳輸；共振耦合；傳輸效率；強(qiáng)耦合

一、引言

由于現(xiàn)有的電力線網(wǎng)幾乎無(wú)處不在，中距離的電力傳輸是非常有用的。現(xiàn)有的產(chǎn)品機(jī)制是依靠磁感應(yīng)近場(chǎng)，其有效工作距離太近或者是傳輸能量太低。相對(duì)于上述的方法，我們研究了使用長(zhǎng)壽命的共振電磁模式，其近場(chǎng)模式是緩慢消失模。這種模式可以有效地進(jìn)行中距離無(wú)線能量傳輸。該方法是基于眾所周知的共振耦合原理，電磁場(chǎng)消逝模的耦合共振尤為明顯。這也將毫無(wú)疑問(wèn)地導(dǎo)致兩個(gè)近場(chǎng)物體的有效耦合。然而，這些解釋遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有搞清楚在中距離的情況下的物理機(jī)制。據(jù)我們所知，沒(méi)有文獻(xiàn)解釋幾倍于物體間最大尺寸的能量傳輸問(wèn)題。在這篇論文中，我們?cè)敿?xì)的理論和數(shù)值分析表明，這種高效的中距離無(wú)線能量交換可以實(shí)現(xiàn)，只要采取合適方式，使設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作于“強(qiáng)耦合”模式，同時(shí)能量傳輸和消耗在非共振物體上的盡可能少。

二、耦合率和耦合范圍

沿著共振磁場(chǎng)切片圖疊加（紅/白/蘭分別代表正/零/負(fù)電場(chǎng)）。表：對(duì)于波長(zhǎng)、吸收、輻射和總損失率的FEFD計(jì)算結(jié)果。對(duì)于兩種不同的亞波長(zhǎng)環(huán)共振模式。

三、傳輸?shù)男?/h2>

讓我們?cè)俅慰紤]共振源s和設(shè)備d在外部物體e存在的情況下，從新研究共

是系統(tǒng)中對(duì)目標(biāo)設(shè)備的擾動(dòng)損失率，類(lèi)似于我們定義的對(duì)源設(shè)備的擾動(dòng)率。不同的瞬態(tài)機(jī)制可以被用來(lái)提取能量（例如穩(wěn)態(tài)連續(xù)波，周期性的瞬態(tài)波提取等）。他們的效率由于復(fù)合系統(tǒng)參數(shù)的不同而不同。這里，我們假定穩(wěn)態(tài)情況，例如接收設(shè)備場(chǎng)幅度是變化的時(shí)間平均能力是：

從能量轉(zhuǎn)換的角度看，進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間平均能量：

請(qǐng)注意，反射能量，這種經(jīng)常出現(xiàn)在系統(tǒng)和電路中的能量，在共振中被取消，并且不影響能量平衡計(jì)算。工作效率是：

四、總結(jié)

總而言之，我們提供了基于“強(qiáng)耦合”共振的機(jī)制用于中距離無(wú)輻射能量傳輸。盡管我們的考慮是基于靜態(tài)圖形，所有的結(jié)果可以被直接用于移動(dòng)物體的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，因?yàn)槟芰總鬏敃r(shí)間K-1（1-100uS對(duì)于微波應(yīng)用）比任何宏觀物體的運(yùn)動(dòng)都短。本文對(duì)于基本幾何形狀的共振分析已經(jīng)取得了令人鼓舞的結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化形狀可以期望獲得更優(yōu)的結(jié)果。這為很多應(yīng)用提供了可能。

[1]陳建明.王娜.張星電磁耦合能源接受裝置設(shè)計(jì)[期刊論文]-電源技術(shù)2013（1）

[2]付子義.王強(qiáng).拜娟娟無(wú)接觸變壓器補(bǔ)償方法及性能分析[期刊論文]-河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版2011（5）.

[3]潘文誠(chéng).舒元超.阮世平.李曙光.康敏電梯轎廂無(wú)接觸式電能傳輸裝置的研制[期刊論文]-浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)2013（1）.

圖1 半徑為r的金屬環(huán)連接距離為d的平行板（黃色）

圖2 兩個(gè)距離為D的相同負(fù)載金屬環(huán)（黃色）

圖3 效率關(guān)系