基于電磁諧振無線電能傳能軌道系統

工程實踐創新項目工作室

摘 要：針對傳統無線傳能裝置基于靜態的點對點傳播，電能轉化效率低下的現狀，文中利用電磁諧振耦合技術，將主線圈能量通過諧振線圈進行傳遞，實現了動態情況下的無線電能傳輸。

關鍵詞：電磁諧振;無線電能傳輸

1 項目背景

無線電能傳輸技術（Wireless Power Transfer Technology）又稱無接觸電能傳輸（Contactless Power Transmission）技術，早在1890年由著名電氣工程師（物理學家）尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出，并做了非接電能實驗，于1891年發明了“特斯拉線圈”。2007年，麻省理工學院（MIT）以物理學教授馬林·索爾賈西克為首的研究團隊試制出了無線供電裝置，采用兩米外的一個電源“隔空”點亮了一盞60 W的燈泡，效率可達40%，他們采用的就是非輻射電磁能諧振隧道效應，稱作“Witricity”無線供電技術。

2 理論依據

無線電能傳輸軌道系統采用兩個相同頻率的諧振物體產生較強的耦合，利用線圈及放置兩端的平板電容器組成諧振電路，實現能量的無線傳輸。該系統可利用磁場進行中等距離傳輸，輻射小，具有方向性，傳輸效率高且能量傳輸不受空間障礙物的影響。傳輸效果與頻率線圈尺寸密切相關，但不足在于諧振耦合方式的安全實現較難，要想更好地實現諧振耦合，需要傳輸頻率在幾兆到幾百兆赫茲之間，而這一段頻率又是產生諧振最困難的波段。無線傳能小車系統利用電磁感應方式設計，當發射線圈通入高頻電流并在線圈周圍產生交變的磁場時，處于一定距離的接收線圈將產生相應的感應電壓，同時，與發射端和接收端并、串聯的電容將完成充電。當發射線圈與接收線圈處于同一諧振頻率時，驅動小車將在軌道上行使。

3 作品特點綜述

目前的無線傳能裝置大多基于靜態的點對點傳播，將傳輸的電能進行存儲轉化，增加中間環節，使得電能的轉化效率變低。我們的軌道系統完全摒棄了當前采用的低效方式，在負載兩端直接連接接收線圈，將傳遞的能量轉化為電能進行使用。我們利用電磁諧振耦合技術，將主線圈的能量通過諧振線圈進行傳遞，然后由接收端接收能量，由此實現了動態情況下的無線電能傳輸。該裝備實現了整體共振，可將能量源源不斷的傳遞，由此形成一個閉合的磁場回路，負載在該磁場中持續接收能量，轉化效率大大提高，約為40%。該技術的重點在于磁場的傳遞和耦合，將所有諧振線圈的頻率調到一個諧振點是我們的技術優勢，也是我們克服的難題。由于負載是可以移動的，運動中的負載接收圈會對系統頻率產生影響，在系統的某一區域頻率分裂現象尤為嚴重，將導致系統的整體傳輸效率大打折扣。我們通過多次理論思考和實驗摸索大大弱化了這個問題產生的影響，使系統整體穩定性大大提高。整體技術由我們自主摸索、實驗，并轉化應用，具有一定的先進性與科學性。基于以上硬件軌道系統，我們對整個系統增加了控制部分，使能量的傳遞切實可控。

無線傳能軌道系統將Arduino控制板作為主控板，外加繼電器、紅外遙控裝置、電源模塊等部件實現了對無線傳能軌道系統的控制。用遙控控制繼電器的閉合與斷開實現對線圈兩端電壓的切換，實現對小車速度的切換和定點起動、停止等。作品實物如圖1所示。

4 未來展望

無線傳能作為一種新型軌道交通方式，避免了目前軌道系統存在的部分不足，可在交通領域發揮巨大作用。與感應耦合無線電能傳輸技術相比，其能量傳輸距離更遠，性能更加穩定;與微波無線電能傳輸相比，其能量損耗小，傳輸效率更高。其市場主要以軌道交通為主，經濟效益超千萬元。

無線電力傳輸供電是人類的夢想之一。隨著無源式RFID電子標簽和各種非接觸式無線充電技術的推進，無線電力傳輸已經引起人們的極大興趣。如果遠程無線輸電變成現實，那么我們就可以輕而易舉地利用宇宙空間的射線作為能量來源，能量儲備遠超海水中的氫能。本世紀以來，能點亮燈泡的無線供電技術毫無疑問點亮了人們對無線生活的憧憬。