電磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的工作原理分析

李可平

（廣東省九0九廣播電臺(tái)，廣東珠海，519000）

電磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的工作原理分析

李可平

（廣東省九0九廣播電臺(tái)，廣東珠海，519000）

文中主要分析了電磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的基本原理、工作原理以及系統(tǒng)構(gòu)成。

電磁諧振耦合；無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)；工作原理

電磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)是指利用兩個(gè)或兩個(gè)以上的具有相同諧振率以及高品質(zhì)因數(shù)的電磁系統(tǒng)，當(dāng)其處于諧振狀態(tài)中時(shí)，彼此之間會(huì)進(jìn)行強(qiáng)烈的能量交換，進(jìn)而通過(guò)非輻射進(jìn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量高效率傳輸?shù)囊环N技術(shù)。該技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐中具有廣闊的應(yīng)用空間，具有重要的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 電磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

電磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在上圖所示的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)造的過(guò)程中高頻逆變、諧振耦合以及整流濾波技術(shù)關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)的成敗。首先，高頻逆變技術(shù)。在上圖所示的整個(gè)系統(tǒng)中，高頻逆變技術(shù)的主要作用是能夠?qū)⑾到y(tǒng)的直流電轉(zhuǎn)變成高頻電壓，之后能夠給發(fā)射線圈提供高頻正弦波電流。同時(shí)，高頻逆變技術(shù)在工作的過(guò)程中必須要能夠滿足以下幾個(gè)方面的要求。第一，高頻逆變的開(kāi)關(guān)管部分必須要在高頻下工作。第二，在高頻逆變器工作的過(guò)程中當(dāng)中，高頻逆變器輸出的電流應(yīng)該具有降低波形畸變度的正弦波電流。第三，高頻逆變器在工作的過(guò)程中應(yīng)該盡量控制并降低高頻逆變時(shí)造成的電能損耗，從而可以有效提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。其次，諧振耦合技術(shù)。在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)射線圈和接收線圈之間的諧振耦合是整個(gè)系統(tǒng)成立的基本條件，構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)中的核心部分。發(fā)射線圈以及接收線圈只有具有相同的諧振頻率，才能夠確保當(dāng)有高頻交變電流通過(guò)系統(tǒng)中的發(fā)射線圈時(shí)，發(fā)射線圈才能夠向周圍發(fā)射電磁能量，此時(shí)才能夠使發(fā)射線圈和接收線圈之間產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這時(shí)接收線圈才能夠產(chǎn)生相同頻率的感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸工作，確保系統(tǒng)作用得到發(fā)揮。最后，整流濾波技術(shù)。由于在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中接收端所接收到的是高頻的交流電能，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率普遍會(huì)很高，因此，在系統(tǒng)建設(shè)時(shí)濾波電路中使用快恢復(fù)性的二極管更加科學(xué)。同時(shí)，在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中選用電容也應(yīng)改采用瓷片電容為宜，因?yàn)閺恼w上來(lái)說(shuō)瓷片電容的等效電感比較小，而且實(shí)踐證明其工作效率很高，因此，瓷片電容很適合應(yīng)用到高頻濾波電路當(dāng)中。

2 系統(tǒng)工作原理分析

當(dāng)前，電磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須要依靠電磁感應(yīng)耦合、磁耦合諧振以及電磁波輻射這三種方式。在這當(dāng)中磁耦合諧振體系最為典型的構(gòu)造原理是高頻電源以及閉環(huán)控制，發(fā)射、接收天線以及負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路以及閉環(huán)控制構(gòu)成。其中發(fā)射天線是單匝線圈接收線及諧振線圈構(gòu)成高頻電源并向發(fā)射天線輸出對(duì)應(yīng)的高頻率正弦交變電流，其中單匝發(fā)射線圈指的是在高頻正弦交變電流的作用下，在其所鄰近的空間當(dāng)中形成的交變磁場(chǎng)，因?yàn)橹C振線圈無(wú)法感受到相應(yīng)的交變磁場(chǎng)而出現(xiàn)諧振。需要指出的是，兩個(gè)諧振線圈之間的構(gòu)造參數(shù)必須是相同的，并且能夠在磁耦合諧振的作用下一個(gè)諧振線圈會(huì)出現(xiàn)諧振，然后經(jīng)過(guò)感應(yīng)耦合的作用下能夠?qū)㈦娔軅鬏數(shù)浇邮站€圈上，當(dāng)接收線圈接收到電能時(shí)能夠通過(guò)負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路展開(kāi)整流濾波處理工作，最后對(duì)其直接負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。當(dāng)發(fā)射接收線之間的距離以及負(fù)載出現(xiàn)相應(yīng)的變化時(shí)，與其對(duì)應(yīng)的閉環(huán)控制部分的調(diào)節(jié)體系工作頻率可以確保其能夠安全運(yùn)行，確保工作安全，能夠保證無(wú)線輸電體系處于最大傳輸功率和最大的傳輸效率。

根據(jù)人們已知的耦合模型理論，假設(shè)一個(gè)物體m在外力的作用發(fā)生振動(dòng)，并與另一物體n（兩個(gè)或兩個(gè)以上）產(chǎn)生共振現(xiàn)象，那么在物體m與物體n之間就會(huì)存在以下關(guān)系：

假設(shè)只有m和一個(gè)物體之間發(fā)生諧振，那么具體也就指的是反射線圈S以及接收線圈D；代表耦合系數(shù)，假如在進(jìn)行研究時(shí)接收線圈直接與其負(fù)載體直接相連，那么在這種情況下接受線圈D的衰減率中就會(huì)包含了其自身的衰減率以及和負(fù)載引起的附加衰減率，因而整個(gè)線圈的總體衰減率就可以通過(guò)計(jì)算而得到，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)射線圈的衰減率可以使用進(jìn)行表示。在進(jìn)行研究的過(guò)程中，本文將傳輸?shù)男试O(shè)定為負(fù)載得到的能量和諧振源提供的能量之間的比值。根據(jù)耦合理論可以得出當(dāng)兩個(gè)線圈能夠?qū)崿F(xiàn)完美共振時(shí)，那么這個(gè)事后的傳輸效率將會(huì)達(dá)到其最大的值，可以具體的表現(xiàn)為以下的形式：

圖2 強(qiáng)磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)原理示意圖

在上圖所示的整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，A代表的是系統(tǒng)的中發(fā)射電路，S指的是整個(gè)系統(tǒng)中的發(fā)射線圈，D代表整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中的接收線圈，B代表負(fù)載電路。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中A作為發(fā)射線路是整個(gè)系統(tǒng)的激勵(lì)源，并產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，為整個(gè)系統(tǒng)提供高頻信號(hào)。在這個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中A、S、B、D之間的固有頻率是一致的。在這個(gè)系統(tǒng)工作的過(guò)程中首先會(huì)有A產(chǎn)生磁場(chǎng)，然后S會(huì)產(chǎn)生諧振，之后會(huì)在線圈S以及線圈D之間產(chǎn)生耦合諧振，隨后接收線圈D會(huì)把傳遞的能量傳遞給負(fù)載回路B。這就是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能量傳輸?shù)倪^(guò)程。

在實(shí)際情形中，彼此之間有一段距離的兩個(gè)電磁系統(tǒng)之間存在的耦合是弱耦合，但是如果在兩個(gè)系統(tǒng)中間的確存在諧振率相同的情況，那么兩個(gè)系統(tǒng)就可以在這個(gè)諧振頻率下產(chǎn)生強(qiáng)電磁諧振。因此，在實(shí)際工作中整個(gè)電磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)也正是對(duì)這一原理進(jìn)行合理的利用，從而能夠在發(fā)射端發(fā)出特定頻率的電能時(shí)，如果接收端與發(fā)射端的頻率是一致的，那么也就會(huì)產(chǎn)生諧振，如果線圈回路的電阻足夠小，那么大部分電能就會(huì)傳遞到接收端。

通過(guò)文中上面的分析我們也就可以得出基于電磁諧振耦合無(wú)線電能傳統(tǒng)系統(tǒng)是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的。電磁諧振耦合無(wú)線電能系統(tǒng)的兩個(gè)線圈在相同的頻率之下能夠產(chǎn)生以諧振線圈為中心的時(shí)變磁場(chǎng)，兩個(gè)諧振線圈之間通過(guò)時(shí)變磁場(chǎng)不斷的進(jìn)行能量交換，這樣就實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸。

3 結(jié)語(yǔ)

電磁耦合諧振電能傳輸系統(tǒng)，在具體工作中對(duì)電能的傳輸效率十分高，并且該系統(tǒng)在建設(shè)的過(guò)程中具有簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)。因此，可以預(yù)見(jiàn)該技術(shù)在汽車電子設(shè)備、醫(yī)療電子設(shè)備等領(lǐng)域?qū)⒂惺謴V闊的應(yīng)用空間。

[1]范興明,莫小勇,張?chǎng)?無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015(10).

[2]王萌,黃睿,楊杰.基于磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的原理及技術(shù)分析[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015(04).

[3]盧文成,丘小輝,毛行奎.磁諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率分析[J].電氣技術(shù),2015(04).

Analysis of the working principle of the electromagnetic resonant coupling wireless power transmission system

Li Keping
（909 radio station in guangdong province,Guangdong Zhuhai,519000）

This paper mainly analyzes the basic principle of electromagnetic coupling can radio transmission system, work principle and system structure.

magnetic resonance coupling; Radio transmission system; working principle

TM724

A

李可平（1971-）男， 本科，廣東珠海人，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線電傳輸、中波廣播、數(shù)字音頻廣播。