基于電磁耦合的無線供電技術探討

郭兆國 張海霞 郝艷玲

摘 要：19世紀70年代，電力的廣泛應用和大力推廣普及拉開了第二次工業革命的序幕，世界的發展也由“蒸汽時代”走向了“電氣時代”。經過一百多年的研究，電能技術的發展突飛猛進，在當今社會對現代工業生產以及生活起著無可取代的作用。但電能的應用多數情況依賴著電線而存在，電阻發熱等弊端對其應用造成一定程度上的影響，為滿足社會發展對電能應用更高層次的要求，無線供電技術得到了廣泛重視。

關鍵詞：電磁耦合；無線供電技術；線圈；電磁感應

1 無線供電技術的現狀

盡管無線供電技術的實際應用看上去很美好，但目前相關研究仍舊處于起步階段，其在各領域的實踐應用仍有一段較長的路要走。它雖然相對于傳統的有線供電方式有著不可比擬的優勢，但是要將其付諸實踐，還存在眾多有待解決的問題，其中表現最為突出的有兩個，也是當前無線供電技術亟須突破的技術難點。

其一，要將電能通過無線方式進行傳導，依據電磁耦合原理，其至少需要進行兩次能量轉換，由此引發的問題使其對電能的傳輸效率要求極高，同時其傳輸功率也受到極大限制。研究表明，隨著無線供電距離的增大，電能傳輸效率及其功率將難以得到有效保證。傳輸效率低、功率不足是當前無線供電技術發展的重點難題。目前，無線供電技術在生產生活中的應用受此因素制約，尚停留在小功率、近距離的層面上，大規模、大功率、較遠距離的無線供電設備仍舊處于理論研究中。可以說，不能有效解決無線供電傳輸效率及功率的障礙，實現真正意義上的無線供電還只是一個幻想。

其二，信號干擾問題。長期以來，研究者為了提高電能使用的效率，將其轉化為電磁波、磁能等其他能量形式，在進行有線供電時，雜波信號對電能使用產生的干擾作用不顯著，而在進行無線供電時，這種信號干擾造成的影響則不容忽視。無線供電時產生的信號是其有效傳輸的關鍵，但是這種供電條件下外部信號對其信號轉化和接收會產生干擾，它產生的信號也會對其他電氣設備產生電磁干擾以及光電干擾，造成不利影響，尤其在功率大、距離較遠的情況下，信號干擾問題表現得尤為顯著，因此信號干擾問題也是當前無線供電技術發展的一大瓶頸。

在面對目前無線供電的各方面問題時，還需要仔細研究、分析，需要通過不斷的改良、創新，探索不同模式的無線供電技術，構建更完善的無線供電系統，強化其能量轉化和接收模塊功能，解決其在能量傳輸效率、功率、抗干擾能力以及供電距離等方面存在的不足，從而提升無線供電的安全性、穩定性。

2 電磁耦合理論的無線供電技術

2.1 電磁耦合理論的無線供電技術的特點

基于電磁耦合理論研發的無線供電技術具有供電距離短、頻率低、干擾小的特點。其一，基于電磁耦合理論，無線供電技術在原理上更為接近變壓器，通過電磁感應進行工作，發射線圈與接收線圈之間的距離越遠，所產生的磁感應強度就會不斷減弱，能量的傳輸也就愈加困難，從而導致傳輸效率的降低。研究表明，在現有技術條件下，運用電磁耦合原理，進行無線供電的極限距離為10cm，如果要達到更為有效供電的標準，這個距離還會進一步降低。其二，建立在電磁耦合理論基礎上的無線供電技術，目前采用千赫茲電磁頻率，相較于電磁波式供電技術，其優勢在于頻率大為降低，從而很大程度上削弱了電磁輻射，降低了電磁干擾，提升了其使用的安全性，同時小干擾也使得該模式下的無線供電技術應用于含有多個電磁設備供電系統構建成為可能。

2.2 電磁耦合理論的無線供電技術的性能

通過電磁耦合原理進行無線供電，其優勢之一在于結構得到簡化，該模式下的無線供電技術結構相對來說十分簡單，但是影響其傳輸性能的因素眾多，各相關參數均會對其傳輸產生影響，而各參數之間的關系錯綜復雜，既互相聯系，又對其他因素產生制約。

其一，耦合系數K。耦合系數是該模式下的無線供電技術的主要技術參數之一，線圈結構、材料性能直接決定了其大小，其主要影響因素為線圈材料、磁芯材料、圈間氣隙大小以及繞組位置。

其二，在電磁耦合式無線供電系統中，影響電能傳輸效率的最重要因素是原線圈與副線圈之間的距離。隨著距離的擴大，副線圈難以有效地接收到來自原線圈的磁動勢，從而導致能量接收效率急劇降低。在無線供電系統運行中，發射端與接收端之間的距離難以保持恒定，即使是細微的變化，也會顯著影響到磁動勢的傳輸效果，進而使得整個系統難以保持穩定，因此需要選擇合適的供電距離達到提高穩定性的目的。

其三，在電磁耦合式無線供電系統中，選取合適的磁芯材料可以很大程度上降低能量損耗，與此同時還能夠提升其對磁能的接收能力，使得系統的傳輸效率得到提高。通常情況下，原線圈及副線圈材料或是磁芯材料的選取應遵循磁導率高、矯頑力小、電阻率高、磁損率小、最大磁感強度大的原則。

其四，電磁耦合系統的原副邊耦合存在漏感。漏感無法參與能量的傳輸，也表明存儲在漏感中的能量不能被傳輸到次級。在電磁耦合式無線供電技術系統中，理論上漏感應當是越小越好，但隨著原副邊線圈間的氣隙增大，漏感也會隨之增加，導致穿過次級線圈的磁通大量減少，次級的感應電動勢隨之減小，以達到降低電磁耦合式無線供電技術系統的傳輸效率。由此可見，調高原邊線圈輸入電流的變化率以增加磁通量的變化率，從而實現感應電動勢的增加。

3 結束語

在當今社會發展中，電磁耦合理論的無線供電技術為人們的生活帶來了許多便利，同時還減少了電線插座等束縛，使其更為美觀化，也在很大程度上提高了用電的安全性。電磁耦合理論下的無線供電技術作為目前無線供電技術的方式之一，還需要我們在不斷研究發展中充分利用其優點，以達到造福社會、造福人類的目的。

參考文獻

[1]張開洪，顏禹，張歡韻，羅林.電場耦合式無線供電技術研究[J].電源技術，2015（5）：997-1000.

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