磁耦合諧振式無線電能傳輸

傅 含,張國忠,葉 邯（廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院,福建 漳州 363105）

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磁耦合諧振式無線電能傳輸

傅 含,張國忠,葉 邯
（廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院,福建 漳州 363105）

摘 要：磁耦合諧振式無線電能傳輸作為一項新技術(shù)，因其傳輸距離遠(yuǎn)、速度快、效率高、功能大而得到廣泛的應(yīng)用,也成為了近年來相關(guān)的專業(yè)人員研究的方向。本文主要從磁耦合諧振式無線電能傳輸以及振動無線電能傳輸裝置出發(fā),在當(dāng)前我國研究的基礎(chǔ)上對磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)陌l(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：磁耦合諧；振式無線電能傳輸；傳輸裝置前景展望

1 磁耦合諧振式無線電能傳輸

（1）無線電能傳輸。無線電能傳輸,簡稱WPT技術(shù),是根據(jù)能量傳輸過程中中繼能量形式的不同,在不使用導(dǎo)線連接的情況下通過電場等進(jìn)行進(jìn)行傳輸?shù)男滦图夹g(shù)。其主要包括：磁（場）耦合式、電（場）耦合式、電磁輻射式（如太陽輻射）、機(jī)械波耦合式（超聲）。其中,磁耦合式是目前研究最為火熱的一種無線電能傳輸方式,也就是將高頻電源加載到發(fā)射線圈,使發(fā)射線圈在電源激勵下產(chǎn)生高頻磁場,接收線圈在此高頻磁場作用下,耦合產(chǎn)生電流,實現(xiàn)無線電能傳輸。這項技術(shù)開創(chuàng)了人類通信的新紀(jì)元,基于能源供給而產(chǎn)生的無線電技術(shù)將會創(chuàng)造出人類能源史的新里程,其給大眾帶來的意義與影響也非同凡響。這項技術(shù)的使用具有以下的特點：

1）通用性電波的傳輸不需要導(dǎo)線進(jìn)行連接一旦普及,將會使電子產(chǎn)品從導(dǎo)線的束縛中解脫出來,電器接口、兼容性的問題將得到解決,供電更方便,便捷人們的生活,提高人們的生活水平,提高人們的生活質(zhì)量。

2）便攜性、實用性目前的生活狀況下實現(xiàn)無線電能傳輸依舊面臨這挑戰(zhàn),但這項技術(shù)的推廣,將會極大的提高傳輸?shù)乃俣取鬏數(shù)牧?對徹底解決人民生活中電力的供給問題提供有力的幫助,方便生活,提高效率。同時,對于目前很多缺乏或者無法布置電線造成的供電困難現(xiàn)象,無線電能傳輸?shù)钠占皩惯@難題得到解決,緊急情況下快速地供電模式也是未來發(fā)展的必然趨勢,例如加拿大等國開始嘗試使用輻射式供電驅(qū)動的無人飛機(jī)作為電視轉(zhuǎn)播臺。

3）美觀性不以導(dǎo)線連接的無線電能傳輸,將會推動電子設(shè)備的體積進(jìn)一步的減小,電子設(shè)備的數(shù)據(jù)線將不再需要,便捷人們生活的同時,營造一種美觀性。在能效轉(zhuǎn)化效率、電磁人體輻射安全的情況下,無線供電時代的普及,將能夠有效解決家庭布線、家電固定化等破壞問題，節(jié)省銅、塑料等資源。

4）安全性無線電能傳輸技術(shù)的普及,將會消除電子設(shè)備接觸產(chǎn)生的電火花、電火花可能引起的爆炸、插頭損壞和接觸不良等安全隱患。如使用無線充電技術(shù)的電動牙刷和電動剃須刀的防水性將進(jìn)一步得到提高。

5）綠色性、永久性若空間太陽能發(fā)電實現(xiàn)真正的商業(yè)運作化,人類將能從太陽能得到巨大的能量,在能源不缺乏的基礎(chǔ)上,無線電能傳輸將而真正解決能源問題,實現(xiàn)綠色能源,提高能源供給,解決能源危機(jī),造福后代。

（2）磁耦合諧振式磁耦合諧振式，作為新的無線電能傳輸方式，主要工作原理是利用物理學(xué)的"諧振"原理,兩個振動頻率相同的物體能高效傳輸能量。基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸,實際上是將磁場作為傳輸?shù)慕橘|(zhì),當(dāng)電源發(fā)送端的振蕩磁場頻率和接收端的固有頻率相同時,接收端產(chǎn)生共振,通過共振建立發(fā)射與接收裝置之間的傳遞通道,從而有效地傳輸能量。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置

耦合諧振系統(tǒng)中,銅線繞制的發(fā)射線圈為電感L,L與諧振電容并聯(lián)構(gòu)成諧振體,諧振體產(chǎn)生自諧振頻率在空間振蕩,產(chǎn)生磁場。接收端也是由一個接收線圈并聯(lián)一個電容形成的諧振體,其諧振頻率與發(fā)射端相同,感應(yīng)的磁場在空間震蕩，兩個諧振體同時在不斷的交換磁場能,電場能與磁場能交換以相同頻率振蕩的能量交換,構(gòu)成耦合諧振系統(tǒng)。磁耦合諧振式系統(tǒng)原理框架圖如圖1所示。

此項目我們設(shè)計了三部分,主要有發(fā)射端電路設(shè)計,接收端電路設(shè)計和線圈電路設(shè)計。發(fā)射端采用自激振蕩電路將15V的直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流電。接收端部分采用整流和濾波模塊將感應(yīng)交流電流處理后輸出為直流電壓。線圈是自己動手繞制的,用的材料是熱損耗小的銅線圈。

（1）發(fā)射端發(fā)射端包括發(fā)射線圈、鐵芯、共振線圈,環(huán)狀的發(fā)射線圈作為磁耦合部分的一次測繞組。共振線圈的首端和尾端均延伸出一段導(dǎo)體后連接,該連接處也作為感應(yīng)耦合部分的二次側(cè)繞組。發(fā)射線圈產(chǎn)生交變的磁場在共振線圈的首尾端連接處上感應(yīng)出同樣頻率的交變電流,從而使發(fā)射線圈與共振線圈之間通過鐵芯以磁耦合的方式傳遞能量,該電磁能量在共振線圈中產(chǎn)生同樣頻率的交變磁場,從而向接收端傳輸能量。

（2）接收端把接收端收到的信號經(jīng)過整流濾波處理后的直流電供給負(fù)載使用。接收端由整流濾波模塊和負(fù)載模塊組成。整流電路采用橋式整流電路,每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值,比全波整流電路小一半。其優(yōu)點是效率較高,穩(wěn)定性較好。濾波電路就是在電感電容濾波電路前并聯(lián)一個濾波電容,這樣濾波效果極佳,但是整流二極管的沖擊電流較大,適用于負(fù)載電流較小的場合。

（3）線圈耦合線圈的選型很重要,在耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中,繞制耦合線圈時,要考慮其體積,厚度,還要考慮發(fā)射與接收線圈自身的品質(zhì)因數(shù)以及散熱問題,為了提高系統(tǒng)的傳輸特性,我們繞制的線圈匝數(shù)較少,這樣有利于減少損耗。繞制線圈的形狀采用螺線管線圈式結(jié)構(gòu),因為平面螺旋線圈式線圈厚度很薄,對發(fā)射線圈和接收線圈的位置要求很嚴(yán)格,一旦兩個線圈中心點不一致會使傳輸效率大幅度下降。而螺線管式線圈磁場均勻方向好,每單位體積所能產(chǎn)生的磁場強度最大,這樣它的互感耦合系數(shù)較高。螺線管式結(jié)構(gòu)如圖2所示，平面螺旋式結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 磁耦合諧振式無線電能傳輸發(fā)展前景

磁耦合諧振式無線電能傳輸從目前來看有著廣闊的發(fā)展前景。因其具有的便捷性、安全性、穩(wěn)定性、美觀性等在家電領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、醫(yī)療器械行業(yè)以及一些特殊的額行業(yè)將會得到更深入的推廣。

同時,磁耦合諧振式無線電能傳輸原理作為先進(jìn)的科技理論，其復(fù)雜程度、技術(shù)難度較大,包括了電磁場、電力電子技術(shù)、物理學(xué)、等諸多學(xué)科,還有很多理論和技術(shù)問題需要展開研究,這次做出來的實物可以實現(xiàn)無線電能傳輸,但能實現(xiàn)的距離較小,磁耦合諧振式無線電能傳輸有著巨大的應(yīng)用潛力,我們將會繼續(xù)在這一方面發(fā)掘出更好的電子來完成無線電能傳輸。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.137