电磁谐振耦合无线电能传输实验装置研究

    赵斌

    

    

    摘要：电磁谐振耦合无线电能传输技术是现今最流行的WPT技术之一，其最主要的特最就是中等传输距离以及高校非辐射能量传输。该技术是以电磁场为媒介，运用2个或者是多个相同谐振频率以及高品质因数的对应电磁谐振体系，经过磁耦合谐振的作用来呈现电能传输无线输电技术，该技术可以说是无线输电技术的新研究趋向。

    关键词：电磁谐振耦合；无线输电传输；耦合理论

    近年来，电子产品的不断发展，一方面带给人们以便利，不过越来越多的电源连接线开始困扰人们的生活。针对那些对距离具有特殊要求的问题，可以通过电磁谐振耦合无线电能传输技术来予以解决。电磁谐振耦合技术最早是美国的学者所提出的，其也是无线输电技术的新研究方向，更是引起了世界各国研究人员的热衷，并通过几年的发展也得到了技术上的突破，在电动汽车、医疗设备以及消费电子等均有所应用。不过该技术目前也还是起步阶段，仍有众多的问题有待科技人员的解决。为此，文章结合该技术的应用实践，首先分析了电磁谐振耦合基本原理及特征，研究了该技术的建模及传输特点，在此基础上探讨了磁耦合谐振WPT技术发展方向，以期促进为相关应用工作提供一定的建议。

    1电磁谐振耦合基本原理及特征

    目前，电磁谐振耦合无线电能传输技术是作为应用时间较短的无线电能传输技术，主要借助于近电磁场中近区场和谐振线圈的强耦合实现了电能的中程距离的高效传输。电磁谐振耦合无线电能传输技术是现今最流行的WPT技术之一，其最主要的特点就是中等传输距离以及高校非辐射能量传输。现阶段的WPT技术最主要的实现方式就是电磁感应耦合、磁耦合谐振、电磁波辐射这3种方式。磁耦合谐振体系最典型的构造原理就是高频电源以及闭环控制，发射、接收天线以及负载驱动电路和闭环控制所构成。发射天线是单匝接收线圈及谐振线圈所构成高频电源并向发射天线输出对应的高频率正弦交变电流，单匝发射线圈是在相关的高频正弦交变电流作用之下，在其临近的空间所产生的交变磁场，谐振线圈感应到相关的交变磁场而出现谐振。两个谐振线圈之间的构造参数是相同的，并在磁耦合谐振的相关作用之下一个谐振线圈也会出现谐振，并经过其感应耦合的作用把电能传输至接收线圈上，接受线圈在接收到相关的电能时通过负载驱动电路展开整流滤波处理，再给其直接负载供电，进而有效的呈现电能无线传输。在发射接收天线之间的距离或者是体系的负载出现变化时，相对应的闭环控制部分的调节体系工作频率能够有效的促使其安全稳定的工作，促使无线输电体系处在最大传输功率以及传输效率。

    2建模及传输特点研究

    2.1耦合模理论法

    所谓耦合模理论法就是运用耦合模型法，合模方程直接性对相关发射天线之间能量耦合展开一定程度的分析。依据谐振线圈场幅值α定义，求解对应的耦合模方程能够得到发射天线及对应接收天线的能量转化传递函数，进而有效的分析WPT体系传输特征。2.3发射接收天线结构

    磁耦合谐振WPT体系最重要的构成就是发射接收天线，谐振线圈可以根据其结构分为平面螺旋型以及圆柱螺旋型、圆环同轴型线圈，发射接收天线可以依据单匝线圈以及谐振线圈形状分为对称发射接收天线以及非对称发射接收天线。平面螺旋型线圈最主要的就是外向边沿螺旋线圈以及平面螺旋线圈和平面薄膜螺旋线圈、平面薄膜矩形线圈。圆柱形薄膜线圈以及短偶极子螺旋线圈。外向边沿螺旋线圈和平面螺旋线圈以及圆柱形螺旋线圈相比较而言，平面螺旋线圈耦合参数及品质系数是较高的，其最适宜于无线电能的传输。平面薄膜矩形线圈及圆柱形薄膜线圈主要是应用医疗电子设备。短偶极子螺旋线圈是经由两个圆柱形螺旋线圈及一个单位平衡结构合理的串联而呈现的，发射端以及接收端的短偶极子螺旋线圈可以依据正交方法进行排列，若是其中心的角度是π/4时，其耦合参数是最大的，对应的传输距离也是最远的。圆环同轴结构线圈是经由一个一端的开口而另外一端和内部的对应导体成为环形的电感器，因此，该线圈的电场基本上会被制约在内部同轴电缆之内，并且其磁场是由流过外导体的对应电流所产生的，此线圈耦合参数为k=δ/2π，该式中6代表内部相关导体弧度角，并且此天线的结构还具有一个双拼带的传输通道，能够同步传输相关能量及数据。

    3发展趋势

    磁耦合谐振WPT技术是一种高新科技技术下的无线输电技术，其对应的传输效率很高，且更容易呈现，所以其在电动汽车以及医疗电子设备、消费电子等相关领域应用较为广泛，以下将具体分析。

    3.1电动汽车领域

    磁耦合谐振WPT传输距离非常适中，且传输效率极高，这就很适宜于电动汽车的无线充电。国外相关学者所设计并验证磁耦合谐振体系相对应的等效电路模型，最终的实验结果显示该体系的传输距离为30厘米，对应的传输功率为220W，其传输效率为95%。

    3.2医疗电子领域

    基于高效大功率的条件，磁耦合谐振WPT体系的对应接收天线能够做的非常小，所以这也很适宜于医疗电子无线充电运用。有国外的电子研究院设计了可以用于生物移植的高效磁耦合谐振WPT设备，这要比以往传统的WPT体系更具传输效率，其结构非常紧凑，耦合性能也非常强，很容易进行调谐，并且生物相容性也很好，因此可以大量的生产。

    3.3消费电子领域

    磁耦合谐振WPT的高效非辐射能量传输，只会给体系之内的相关装置传输其所需的电能，因此其抗干扰能力也很强，这样就促使此项技术在消费电子领域有着极大的运用前景。国外的公司针对其谐振线圈以及金属性物体进行互相耦合导致其固有的谐振频率出现变化以及对应的传输效率有所降低，详细的分析了桌子对磁耦合谐振WPT体系的各方面影响，再经过一定的实验数据对其相关性能进行了验证。

    4结语

    电属于自然现象，更是一种不可比拟的能量。近些年电机工程学不断的提升与进步，电也被应用至工业以及生活中，电能很好的改变了人们的各类生活方式，也成为了现代化社会所不能或缺的能量方式。总而言之，电磁谐振耦合无线电能传输技术是作为应用时间较短的无线电能传输技术，它通过电磁场中近区场和谐振线圈的强耦合实现了电能的中程距离的高效传输。由于该技术克服了传统无线电能传输中技术中距离跟效率上的问题，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。无线电能传输能够让家用的各种电器不再受电线的束缚，提升了人们日常生活的便捷度，并且其可以在不接触的状态下进行无线电能的传输，其能够不与相关的负载进行接触，运用磁场耦合穿透障碍物体展开电能传输。磁耦合谐振WPT技术总体来讲，其有着极大的运用潜力，其比其他的WPT技术更具优势，传输距离、功率、效率等都是非常出色的。该技术的持续研究对电能的传输方式来讲有着很大的影响。