磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证
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[12-14] [5]
。
磁耦合谐振式无线电能传输的传输尺度介于前 两者之间，因此也被称之为中尺度（ mid-range ）能 量传输技术，其尺度为几倍的接收设备尺寸（可扩 展到几米到几十米） 。除了较大的传输距离，还存在 以下优势 [15,16] ：由于利用了强耦合谐振技术，可以 实现较高的功率（可达到 kW ）和效率；系统采用 磁场耦合（而非电场，电场会发生危险）和非辐射 技术，使其对人体没有伤害；良好的穿透性，不受 非金属障碍物的影响。因此该技术已经成为无线电 能传输技术新的发展方向 [17]。 目前国内外在电磁耦合谐振式无线电能传输方 面的研究都还处于理论研究和初步实验阶段，还有 很多问题亟待解决，比如传输功率、效率和距离的 问题，电能计量问题，电磁兼容问题，生物安全问 题等 [18] 。在无线电能传输方向性方面的研究仅文献 [5] 中曾经提到：基于磁耦合谐振技术的无线电能传
[2-4]
输几乎可以做到“无方向性” 。但是关于方向性的问 题文中并未给出解释、推理以及实验方面的具体数 据。国内外关于系统地分析基于磁耦合谐振技术的 无线电能传输“方向性”的问题的研究工作几乎没 有。因此本文在文献 [18] 研究工作基础上，首先利 用无线电能传输系统频率特性，分析得到系统工作 的三个区域：过耦合、临界耦合、欠耦合，然后结 合方向对互感系数的影响进一步分析不同区域的方 向性问题，最后通过实验系统的具体实验验证了上 述理论分析的正确性和合理性。本文不但丰富了基 于磁耦合谐振技术的无线电能传输技术的理论内 涵，还为移动物体无线电能传输系统的实际应用提 供了有益的参考。
图1 Fig.1
无线电能传输系统发射、接收模型 Transmitter and receiver model of wireless power transfer
目前国内外的学者多利用“耦合模”理论对磁 耦合谐振技术的无线电能传输技术进行分析，并得 到能量高效传输的必要条件 [13]：①发射线圈和接收 线圈的固有谐振频率相同，并具有较高的品质因数； ②
1
引言
与无线通信技术一样摆脱有形介质的束缚，实
国家自然科学基金（ 50977062、 51207106 、 51207150 ）和天津市高等学校科技发展基金计划（ 20110411）资助项目。 收稿日期 2012-12-03 改稿日期 2013-07-26
第 29 卷第 2 期
李
阳等
磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证
Analysis and Validation on Characteristic of Orientation in Wireless Power Transfer System via Coupled Magnetic Resonances
Li Yang 1,2, Yang Qingxin 1,2, Yan Zhuo 3, Zhang Chao 4, Chen Haiyan 2, Zhang Xian 1 （ 1. Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic University Tianjin 300130 Tianjin 300387 China ; 2. Province-Ministry Joint Key Laboratory Hebei University of Technology 100823 China; 4. Institute of China ） Beijing 100190 Beijing of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability China; 3. China Electrotechnical Society Electrical Engineering of Chinese Academy of Science Abstract
2014 年 2 月 第 29 卷第 2 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.29 Feb.
No. 2 2014
磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证
李阳
靠性省部共建重点实验室 摘要
1,2
,杨庆新
1,2
,闫卓 3,张超 4,陈海燕 2,张献
2
磁耦合谐振式无线电能传输系统
基于磁耦合谐振技术的无线电能传输技术主要
利用的是近场磁耦合共振技术，共振系统由多个具 有相同本征频率的物体构成，能量只在系统中的物 体间传递，与系统之外的物体基本没有能量交换， 在达到共振时，物体振动的幅度达到最大。 基于磁耦合谐振技术的无线电能传输系统一般 由高频发射源、发射系统、接收系统、负载等部分 组成，其中发射系统和电磁接收系统，这是无线电 能传输系统的关键部分，其典型模型如图 1 所示。 由图 1 可知发射系统包括励磁线圈和发射线圈，它 们之间是通过直接耦合关系把能量从励磁线圈传到 发射线圈，励磁线圈所需能量直接从高频电源处获 得。电磁接收系统包括接收线圈和负载线圈，它们 之间也是通过直接耦合关系把能量从接收线圈传到 负载线圈。发射线圈与接收线圈之间通过空间磁场 的谐振耦合实现电能的无线传输。
In order to confirm whether the angle deflection will influence the power of receiver
coils in wireless power transfer system, the characteristic of orientation in wireless power transfer system is analyzed by the coupling model of two spatial isolated coils and its equivalent circuit firstly, and then yielded the frequency response curve of normalized voltage in the receiver coils and necessary condition for wireless power transfer. Characteristic of orientation in the case of overcoupling, critical coupling and undercoupling was presented after the effect to coupling factor is analyzed by orientation deflection according to the relationship between the coupling coefficient of two spatial isolated coils and orientation. In the end, experiment circuit is designed and experimental results are well consistent with the theoretical analysis, which shows the correctness of the proposed method and its result. Thus provides an useful reference for the design of wireless power transfer system for mobile d evice and its parameters optimization. Keywords： Wireless power transfer, coupled magnetic resonances, coupled factor, characteristic of orientation 现电能的无线传输是人类多年的一个美好追求。无 线电能传输技术（ Wireless Power Transfer, WPT ）也 称 之 为 非 接 触 电 能 传 输 技 术 （ Contactless Power
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第 29 卷第 2 期
李
阳等
磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证 图3 Fig.3 无线电能传输系统简化电路
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虽然“耦合模”理论对无线电能传输技术基本 原理进行了解释，但是在涉及具体电路及其参数的 设计问题上“耦合模”理论也有一定的局限性，因 此本文利用互感理论来进一步分析问题，尤其是利 用该方法在参数设计方面进行探索。 基于磁耦合谐振技术的无线电能传输系统的等 效电路模型如图 2 所示，励磁线圈由激励源（高频 功放）V S 和单匝线圈组成，负载线圈由单匝线圈和 负载组成，发射和接收线圈均由具有相同谐振频率 的多匝线圈组成。在系统设计时为了降低设计的复 杂性，将发射和接收线圈设计成相同的尺寸和机械 结构，因此，两线圈的等效参数可认为是一致的。
Baidu Nhomakorabea
Simplified circuit of wireless power transfer
由图 3 可以得到方程
。直到 2007 年美国麻省
理工学院（ MIT ）的 Marin Soljacic 课题组提出了 磁耦合谐振式的无线电能传输原理并成功利用该理 论在 2m 范围内点亮一个 60W 的灯泡，无线电能传 输技术的研究才成为国内外学者研究的热点 。 到目前为止，根据电能传输原理，无线电能传输 大致可以分为三类 [6-11]：感应耦合式、微波辐射式、 磁耦合谐振式。作为一个新的无线电能传输技术，磁 耦合谐振式是基于近场强耦合的概念，基本原理是两 个具有相同谐振频率的物体之间可以实现高效的能 量交换，而非谐振物体之间能量交换却很微弱
198
Transmission, CPT ） ， 是一 种 借 于空 间 无形 软 介质 （如电场、磁场、微波等）实现将电能由电源端传 递至用电设备的一种供电模式，该技术是集电磁场、 电力电子、高频电子、电磁感应和耦合模理论等多 学科交叉的基础研究与应用研究，是能源传输和接 入的一次革命性进步。 无线电能传输技术解决了传统导线直接接触供 电的缺陷，是一种有效、安全、便捷的电能传输方 法，因而它被美国《技术评论》杂志评选为未来十 大科研方向之一。该技术不仅在军事、航空航天、 油田、矿井、水下作业、工业机器人、电动汽车、 无线传感器网络、医疗器械、家用电器、RFID 识别 等领域具有重要的应用价值，而且对电磁理论的发 展亦具有重要科学研究价值和实际意义。在中国科 协成立五十周年的系列庆祝活动中，无线能量传输 技术被列为“ 10 项引领未来的科学技术”之一 [1]。 多年来国内外的科学家执著地开展了很多探索 研究工作，但进展缓慢
天津 北京 北京 100190 ）
1
（ 1. 天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室 天津 所
300387; 2. 河北工业大学电磁场与电器可 100823; 4. 中国科学院电工研究
300130; 3. 中国电工技术学会
针对在磁耦合谐振式无线电能传输系统中角度偏转是否会对接收电能产生影响的问
题，首先利用空间两空心线圈的互感耦合理论和等效电路分析无线电能传输 系统的频率特性，得 到归一化电压的频率响应曲线和电能无线传输的必要条件。然后根据空间任意放置的空心线圈的 耦合系数与方向的关系分析方向改变对耦合因数的影响，提出系统在过耦合、临界耦合和欠耦合 三种状态下的方向特性。最后，设计了实验电路并进行了相关的实验研究，实验结果与理论分析 具有较好的一致性，验证了无线电能传输系统中方向性的问题。本文关于方向性的分析为移动设 备的无线电能传输系统设计和参数优化提供有益的参考。 关键词： 无线电能传输 中图分类号： TM72 磁耦合谐振 耦合因数 方向性
。
磁耦合谐振式无线电能传输的传输尺度介于前 两者之间，因此也被称之为中尺度（ mid-range ）能 量传输技术，其尺度为几倍的接收设备尺寸（可扩 展到几米到几十米） 。除了较大的传输距离，还存在 以下优势 [15,16] ：由于利用了强耦合谐振技术，可以 实现较高的功率（可达到 kW ）和效率；系统采用 磁场耦合（而非电场，电场会发生危险）和非辐射 技术，使其对人体没有伤害；良好的穿透性，不受 非金属障碍物的影响。因此该技术已经成为无线电 能传输技术新的发展方向 [17]。 目前国内外在电磁耦合谐振式无线电能传输方 面的研究都还处于理论研究和初步实验阶段，还有 很多问题亟待解决，比如传输功率、效率和距离的 问题，电能计量问题，电磁兼容问题，生物安全问 题等 [18] 。在无线电能传输方向性方面的研究仅文献 [5] 中曾经提到：基于磁耦合谐振技术的无线电能传
[2-4]
输几乎可以做到“无方向性” 。但是关于方向性的问 题文中并未给出解释、推理以及实验方面的具体数 据。国内外关于系统地分析基于磁耦合谐振技术的 无线电能传输“方向性”的问题的研究工作几乎没 有。因此本文在文献 [18] 研究工作基础上，首先利 用无线电能传输系统频率特性，分析得到系统工作 的三个区域：过耦合、临界耦合、欠耦合，然后结 合方向对互感系数的影响进一步分析不同区域的方 向性问题，最后通过实验系统的具体实验验证了上 述理论分析的正确性和合理性。本文不但丰富了基 于磁耦合谐振技术的无线电能传输技术的理论内 涵，还为移动物体无线电能传输系统的实际应用提 供了有益的参考。
图1 Fig.1
无线电能传输系统发射、接收模型 Transmitter and receiver model of wireless power transfer
目前国内外的学者多利用“耦合模”理论对磁 耦合谐振技术的无线电能传输技术进行分析，并得 到能量高效传输的必要条件 [13]：①发射线圈和接收 线圈的固有谐振频率相同，并具有较高的品质因数； ②
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引言
与无线通信技术一样摆脱有形介质的束缚，实
国家自然科学基金（ 50977062、 51207106 、 51207150 ）和天津市高等学校科技发展基金计划（ 20110411）资助项目。 收稿日期 2012-12-03 改稿日期 2013-07-26
第 29 卷第 2 期
李
阳等
磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证
Analysis and Validation on Characteristic of Orientation in Wireless Power Transfer System via Coupled Magnetic Resonances
Li Yang 1,2, Yang Qingxin 1,2, Yan Zhuo 3, Zhang Chao 4, Chen Haiyan 2, Zhang Xian 1 （ 1. Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic University Tianjin 300130 Tianjin 300387 China ; 2. Province-Ministry Joint Key Laboratory Hebei University of Technology 100823 China; 4. Institute of China ） Beijing 100190 Beijing of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability China; 3. China Electrotechnical Society Electrical Engineering of Chinese Academy of Science Abstract
2014 年 2 月 第 29 卷第 2 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.29 Feb.
No. 2 2014
磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证
李阳
靠性省部共建重点实验室 摘要
1,2
,杨庆新
1,2
,闫卓 3,张超 4,陈海燕 2,张献
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磁耦合谐振式无线电能传输系统
基于磁耦合谐振技术的无线电能传输技术主要
利用的是近场磁耦合共振技术，共振系统由多个具 有相同本征频率的物体构成，能量只在系统中的物 体间传递，与系统之外的物体基本没有能量交换， 在达到共振时，物体振动的幅度达到最大。 基于磁耦合谐振技术的无线电能传输系统一般 由高频发射源、发射系统、接收系统、负载等部分 组成，其中发射系统和电磁接收系统，这是无线电 能传输系统的关键部分，其典型模型如图 1 所示。 由图 1 可知发射系统包括励磁线圈和发射线圈，它 们之间是通过直接耦合关系把能量从励磁线圈传到 发射线圈，励磁线圈所需能量直接从高频电源处获 得。电磁接收系统包括接收线圈和负载线圈，它们 之间也是通过直接耦合关系把能量从接收线圈传到 负载线圈。发射线圈与接收线圈之间通过空间磁场 的谐振耦合实现电能的无线传输。
In order to confirm whether the angle deflection will influence the power of receiver
coils in wireless power transfer system, the characteristic of orientation in wireless power transfer system is analyzed by the coupling model of two spatial isolated coils and its equivalent circuit firstly, and then yielded the frequency response curve of normalized voltage in the receiver coils and necessary condition for wireless power transfer. Characteristic of orientation in the case of overcoupling, critical coupling and undercoupling was presented after the effect to coupling factor is analyzed by orientation deflection according to the relationship between the coupling coefficient of two spatial isolated coils and orientation. In the end, experiment circuit is designed and experimental results are well consistent with the theoretical analysis, which shows the correctness of the proposed method and its result. Thus provides an useful reference for the design of wireless power transfer system for mobile d evice and its parameters optimization. Keywords： Wireless power transfer, coupled magnetic resonances, coupled factor, characteristic of orientation 现电能的无线传输是人类多年的一个美好追求。无 线电能传输技术（ Wireless Power Transfer, WPT ）也 称 之 为 非 接 触 电 能 传 输 技 术 （ Contactless Power
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第 29 卷第 2 期
李
阳等
磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证 图3 Fig.3 无线电能传输系统简化电路
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虽然“耦合模”理论对无线电能传输技术基本 原理进行了解释，但是在涉及具体电路及其参数的 设计问题上“耦合模”理论也有一定的局限性，因 此本文利用互感理论来进一步分析问题，尤其是利 用该方法在参数设计方面进行探索。 基于磁耦合谐振技术的无线电能传输系统的等 效电路模型如图 2 所示，励磁线圈由激励源（高频 功放）V S 和单匝线圈组成，负载线圈由单匝线圈和 负载组成，发射和接收线圈均由具有相同谐振频率 的多匝线圈组成。在系统设计时为了降低设计的复 杂性，将发射和接收线圈设计成相同的尺寸和机械 结构，因此，两线圈的等效参数可认为是一致的。
Baidu Nhomakorabea
Simplified circuit of wireless power transfer
由图 3 可以得到方程
。直到 2007 年美国麻省
理工学院（ MIT ）的 Marin Soljacic 课题组提出了 磁耦合谐振式的无线电能传输原理并成功利用该理 论在 2m 范围内点亮一个 60W 的灯泡，无线电能传 输技术的研究才成为国内外学者研究的热点 。 到目前为止，根据电能传输原理，无线电能传输 大致可以分为三类 [6-11]：感应耦合式、微波辐射式、 磁耦合谐振式。作为一个新的无线电能传输技术，磁 耦合谐振式是基于近场强耦合的概念，基本原理是两 个具有相同谐振频率的物体之间可以实现高效的能 量交换，而非谐振物体之间能量交换却很微弱
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Transmission, CPT ） ， 是一 种 借 于空 间 无形 软 介质 （如电场、磁场、微波等）实现将电能由电源端传 递至用电设备的一种供电模式，该技术是集电磁场、 电力电子、高频电子、电磁感应和耦合模理论等多 学科交叉的基础研究与应用研究，是能源传输和接 入的一次革命性进步。 无线电能传输技术解决了传统导线直接接触供 电的缺陷，是一种有效、安全、便捷的电能传输方 法，因而它被美国《技术评论》杂志评选为未来十 大科研方向之一。该技术不仅在军事、航空航天、 油田、矿井、水下作业、工业机器人、电动汽车、 无线传感器网络、医疗器械、家用电器、RFID 识别 等领域具有重要的应用价值，而且对电磁理论的发 展亦具有重要科学研究价值和实际意义。在中国科 协成立五十周年的系列庆祝活动中，无线能量传输 技术被列为“ 10 项引领未来的科学技术”之一 [1]。 多年来国内外的科学家执著地开展了很多探索 研究工作，但进展缓慢
天津 北京 北京 100190 ）
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（ 1. 天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室 天津 所
300387; 2. 河北工业大学电磁场与电器可 100823; 4. 中国科学院电工研究
300130; 3. 中国电工技术学会
针对在磁耦合谐振式无线电能传输系统中角度偏转是否会对接收电能产生影响的问
题，首先利用空间两空心线圈的互感耦合理论和等效电路分析无线电能传输 系统的频率特性，得 到归一化电压的频率响应曲线和电能无线传输的必要条件。然后根据空间任意放置的空心线圈的 耦合系数与方向的关系分析方向改变对耦合因数的影响，提出系统在过耦合、临界耦合和欠耦合 三种状态下的方向特性。最后，设计了实验电路并进行了相关的实验研究，实验结果与理论分析 具有较好的一致性，验证了无线电能传输系统中方向性的问题。本文关于方向性的分析为移动设 备的无线电能传输系统设计和参数优化提供有益的参考。 关键词： 无线电能传输 中图分类号： TM72 磁耦合谐振 耦合因数 方向性