磁耦合谐振式无线能量传输的研究

会产生电磁谐振，构成一个电磁谐振系统，若有多个谐振线圈在有效 范围内，则同样可以加入该谐振系统，如果某一端连接电源不断为该 谐振系统提供能量（如图3-1 中的A） ，而另一方消耗能量（负载B） ， 则实现了电能量的传输。之所以称其为“磁耦合谐振式” ，是因为空 间进行能量交换的媒介是交变磁场， 每个线圈的电磁谐振是由线圈中 的磁场与分布电容的电场实现的。 这种方法的特点是在发送和接收电 路中加入高品质因数的自谐振线圈构成发射和接收装置。 上述磁耦合谐振式无线能量传输原理是由美国麻省理工学院 （MIT）的索尔贾希克教授领导的6 人小组于2006 年11 月提出的。 共振和磁耦合是该技术实现能量传输的两个必要条件， 这两个条件缺 一不可，共振可以通过设置谐振电路的谐振频率来实现，磁耦合则与 发射与接收电路的位置有关。 磁耦合谐振式无线能量传输技术， 是利用磁耦合和共振技术来实 现能量的无线传输，下面结合磁耦合、电磁感应定律、谐振频率与品 质因数以及趋肤效应等相关理论对磁耦合谐振式无线能量传输机理 进一步进行研究。
di1 di M 2 dt dt di2 di u2 L2 为了定量描述两个耦合线圈的耦合紧疏程度，定义了耦合 因数，用k表示，有
k
def
M 1 L1 L2
k 的大小与两个线圈的结构和相互位置以及周围磁介质有关。 改变或
调整他们的相互位置有可能改变耦合因数的大小；当和一定时，也就 是相应地改变了互感M 的大小。
2.1 电磁波无线能量传输技术
电磁波无线能量传输技术直接利用了电磁波能量可以通过天线 发送和接收的原理，例如微波无线能量传输技术，就是利用微波转换 装置把直流电转变为微波，然后由天线发射出去；大功率的电磁射束 通过自由空间后被接收天线收集， 经过微波整流器后重新转变为直流 电。见示意图2-1。它的实质就是用微波束来代替输电导线，通过自 由空间把电能从一处输送到另一处。 该技术可以实现极高功率的无线 传输，但是在能量传输过程中，发射器必须对准接收器，能量传输受 方向限制，并且不能绕过或穿过障碍物，微波在空气中的损耗也大， 效率低，对人体和其他生物都有严重伤害，所以该技术一般应用于特 殊场合，如低轨道军用卫星、天基定向能武器、微波飞机、卫星太阳
3.3 电磁感应定律
在该技术中，线圈与线圈之间的耦合是基于电磁感应原理的，闭 合回路所围面积的磁通量 B 随时间发生变化时， 电路中将有感应电动 势 i 产生， 感应电动势 i 的大小与穿过磁通量的变化率 dφB / dt 成 正比，这就是法拉第电磁感应定律，它给出了感应电动势与磁通量变 化率之间的关系。
第三章 磁耦合谐振式无线能量传输机理研 究
3.1 传输机理
磁耦合谐振式无线能量传输技术的原理如图3-1所示。
图3-1 磁耦合谐振式无线能量传输技术原理
源线圈 S，与一个振荡电路电感A 耦合，接收端设备线圈D 与电 阻负载电感B 耦合。 自谐振线圈S 和D 依赖于内部的分布电感和分布 电容而达到谐振。能量通过电源振荡电路A 耦合到源线圈S，源线圈S 与接收线圈D 由于具有相同的谐振频率，在磁场的作用下产生谐振， 接收线圈D 与负载线圈B 通过耦合实现能量传递，在此结构中，距离 KS 与KD 都是近距离耦合，K 是远距离的磁耦合谐振。 所谓磁耦合谐振式无线能量传输技术， 就是利用两个具有相同谐 振频率的线圈（如图3-1 中的S 和D） ，在相距一定的距离时，由于磁 场耦合产生谐振， 进行能量传递。 一般来说， 两个有一定距离的LC 谐 振线圈，相互之间是弱耦合，但若两个两者具有相同的谐振频率， 则
3.4 谐振频率与品质因数
磁耦合谐振式无线能量传输原理中的一个重要指标就是谐振频率。 对于谐振 发射电路来讲， 该谐振频率好比就是一把锁，而谐振接收电路的谐振频率好比就 是一把钥匙，一把钥匙开一把锁，当发射器和接收器的谐振频率一致时，即开启 了能量传递的大门。当然，一个能量发射源可以同时供多个谐振接收装置使用， 好像是一把锁可以有很多把钥匙一样。另一个重要指标就是谐振电路的品质因 数。高的品质因数（Q 值，500～2000） ，众所周知，品质因数越高，能量的损耗 越小，越有利于提高能量传输效率。
3.2 磁耦合
载流线圈之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象称为磁耦合。 耦合的效率决定了能量传输的效率，同时也决定了能量传输的距离。 耦合线圈中的磁通链等于自感磁通链和互感磁通链两部分的代数和，
并且与施感电流呈线性关系， 是各施感电流独立产生的磁通链叠加的 结果。如果两个耦合的电感和中有变动的电流，各电感中磁通链将随 电流变动而变动。设 L1 和 L2 的电压和电流分别为 u1 、i1 和 u2 、i2 ，且都 取关联参考方向，互感为M，则两耦合电感的电压电流关系为：
关键词：磁耦合谐振；无线能量传输；传输距离
第一章 绪论
1.1 课题背景
自 1840 年电磁感应定律被发现以来,人们便开始了对无线技术 的研究,以手机、网络为主的通信技术已经完成了从有线到无线的飞 跃，然而能量的无线传输却发展的极为缓慢,以至于当前几乎所有的 充电或实际进行电力传输时都必须要使用有形介质，如：使用金属导 线 （电线电缆） 作为主要连接才能进行， 即使是短距离的电力传输 （比 如计算机、电视、台灯等） ，这在一定程度上增加了实际布线的烦琐 过程，也占用了很大的空间，使得需要以电力作为动力的电子、电器 设备， 其摆设位置受到影响， 这对能量的传输距离提出了很高的要求。 而现有的无线能量传输技术传输距离不是太近就是不能穿越障碍物， 均不能满足目前的需要，近两年，磁耦合谐振式无线能量传输技术作 为一种新兴的无线能量传输技术迅速发展起来， 并在无线能量传输领 域引起巨大的反响。该技术思路最早是由MIT于2006 年11 月在美国 AIP工业物理论坛上提出，于2007 年进行了基本的实验验证，并在 《Science》 杂志上发表题为《 Wireless Power Transfer Via Strongly Coupled Magnetic Resonances》的文章。该技术不仅能在几米的距 离传输能量，而且可以穿越木板、塑料、墙壁等障碍，在一定的距离 传输较大的功率。
能电站等许多新的、意义重大的科技领域，具有美好的发展前景。
图2-1 电磁波无线能量传输技术示意图
早在 20 世纪六七十年代，随着大功率高效微波源研制成功，美 国、苏联的专家学者就已经开始直流电的微波传输实验研究。1968 年，美国工程师彼得·格拉泽(Peter Glaser)提出了空间太阳能发电 (Space Solar Power，SSP)的概念，其构想是在地球外层空间建立太 阳能发电基地，通过微波将电能传输回地球，并通过整流天线把微波 转换成电能，见图 2-2。1979 年，美国航空航天局NASA 和美国能源 部联合提出太阳能计划——建立“SPS 太阳能卫星基准系统” 。到了 九十年代， 日本以经都大学为主也加入了无线能量传输技术研究的竞 争阵营，并计划2020 年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000，2050 年进入规模运行。
图2-3 感应式无线能量传输技术示意图
该技术的开发研究也正在进行中，目前已经有商业化产品出现， 如 图 2-4 为 英 国 SplashPower 公 司 2005 年 上 市 的 无 线 充 电 器 splashpads，就是利用了变压器原理，在塑胶薄膜里面装有产生磁场 的小线圈阵列(变压器原边)， 以及由磁性合金绕以电线制成的口香糖 大小的接收线圈(变压器副边） ，可以贴在电子设备上。由于该技术的 传输距离太近，并不能把人们从电线的束缚中解放出来，给人们生活 带来方便，所以这种为小功率型移动设备如手机、MP3 等充电的无线 充电器到目前并不普及， 该技术主要用于恶劣环境下为大型功率设备 供电，如电动汽车，起重机、电梯、牵引式电力机车、运货行车及井 下、水下设备，如图2-5 所示为日本设计的感应式充电电动汽车。
图2-6 MIT无线能量传输实验
磁耦合谐振式无线能量传输技术与感应式无线能量传输技术不 同之处在于该技术融合了共振技术，不仅提高了能量的传输距离， 而 且提高了能量的传输效率。另外，该技术不像微波对人体产生危害，
由于人体作为非磁性物体，暴露在强磁场环境中不会有任何影响， 再 则，该技术实现能量传输的基本原理是共振，只有谐振频率相同的谐 振体才有可能受到影响，所以不必担心其对人体及周围物体产生危 害。
第二章 无线能量传输方式技术介绍
早在 1890 年，物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就已经做了无线输电试验。特斯拉构想的无线输电方法，是把 地球作为内导体、地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电 磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，再 利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。 目前,根据无线能量传输原理， 可将无线能量传输方式分为三类： 电磁波无线能量传输技术、感应式无线能量传输技术、磁耦合谐振式 无线能量传输技术。
图2-2 太阳能发电微波无线能量传输示意图
2.2 感应式无线能量传输技术
感应式无线能量传输技术(InductiVe Power Transfer 简称IPT) 主要利用电磁感应原理， 采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实 现功率无线传输。 如图2-3 所示为一松耦合变压器为中心的开环感应 式无线能量传输示意图，输入的能量经整流滤波变成直流电压输出， 再经高频逆变成交流电压信号加载到补偿后的松耦合变压器的原边， 按照原副边线圈匝数比，副边线圈感应原边能量，经副边补偿和整流 滤波得到我们所需要的直流电。 松耦合变压器的气隙宽度即能量传输 距离，该气隙宽度直接影响变压器的能量转换效率，一般是气隙宽度 越小，变压器效率越高，因此，这也就决定了感应式无线能量传输技 术的传输距离非常近，约为几个毫米。
1.2 课题研究的目的和意义
本课题旨在对磁耦合谐振式无线能量传输技术开展基础性实验 研究，设计无线能量传输装置，通过实验的方法，研究能量传输的距 离特性，即传输距离与谐振频率、线圈直径、导线线径、电容和电感 的关系，以增加能量的传输距离。 磁耦合谐振式无线能量传输技术是世界上无线输电领域的前沿 课题，目前，国外尚处于基础理论和实验研究阶段，并无实际产品出 现，在国内还未见有该方面的报道或研究成果出现，该技术的研究开 发将填补国内空白，若能研究出安全、远距离、大功率、高效率的传 输装置，则该技术应用前景将十分广阔，不仅可应用于电动车充电系 统、无线传感器网络及RFID等方面，还在家用电器、小型移动工具、 工业机器人、交通工具、航空航天、医疗器械、油田矿井、水下作业 等领域，有极大的应用价值，对电磁理论和充电技术的发展亦具有重 要意义。