杨立新 无线供电技术方案及应用

基于磁耦合谐振式无线供电装置的研制

杨立新

（西南科技大学网络学院供用电技术专业 2014春班）

【摘要】：磁耦合谐振式无线供电技术提供了一种新的能量传输途径，主要是利用磁耦合共振原理实现能量的无线传输。与传统的有线电能传输相比，避免了用电设备主要通过导线连接获取能量过程中产生导线裸露、磨损、电火花等不安全供电因素；与其他无线供电技术相比，具有传输效率高、功率大、传输距离远、无方向性等特点。最重要的是能为一些特殊场合带来更方便的供电，如水下检测、油田矿井、高山沙漠、化工等。因此，磁耦合谐振式无线供电技术具有良好的应用价值和研究意义。

本论文通过对磁耦合谐振式无线供电技术的基本原理和传输机理的研究，构建了无线

供电系统的总体框架和等效电路模型，揭示了无线供电系统的传输特点及内在规律。

【关键词】：无线供电电波辐射感应耦合磁耦合谐振

目录

一、课题的研究背景及意义 (3)

二、国内外无线供电技术发展概述 (5)

（一）电波辐射式无线供电技术 (6)

（二）感应耦合式无线供电技术 (8)

（三）磁耦合谐振式无线供电技术 (9)

三、本课题研究的主要内容 (10)

四、参考文献 (10)

五、致谢 (11)

序言

本文首先介绍了无线供电技术研究背景及发展概况，然后主要介绍三种无线供电技术：电波辐射式无线供电技术、感应耦合式无线供电技术、磁耦合谐振式无线供电技术的基本原理及应用领域，并突出了磁耦合谐振式无线供电技术的特点及应用前景。

一、课题的研究背景及意义

无线供电技术[1][2][3][4]一直是人类研究的热门话题，主要是以非接触的方式对供电设备进行电能传输。与传统的有线供电相比，它避免了用电设备之间主要通过导线连接获取能量过程中产生电火花、导线裸露、磨损等不安全供电因素。无线供电技术的出现为一些特殊场合：比如，密封环境、旋转部件、水下监测等的供电开辟了新的供电途径；同时开拓了在感应电动汽车、高速磁悬浮列车馈电、医疗设备、消费电子及传感器网络等方面的应用[5][6]。随着无线供电技术理论的不断成熟和实验研究的不断深入，将会出现大量新的应用领域及相关的产品，为现代工业生产和人类日常生活提供了极大的方便。因此，对该技术的研究具有良好的研究意义和应用价值。

无线供电技术经历了从理论假设构想到实践应用的过程，对无线供电的研究可以追溯到十九世纪九十年代，当时是由美国科学家尼古．特拉斯根据其研究搭建了第一个无线电波传输试验系统，试图把能量传输到世界各地，为人类的生活起居提供照明[7]。到后来 1968年美国工程师 P Glaser 提出了一种使用微波电能传输技术的太阳能发电卫星[8]。该技术能利用无限的太阳能通过微波或激光传输转换成为地面人类所能利用的电能。20 世纪 80 年代后期，由加拿大团队提出了 SHARP 研究项目，试图建立一个用于转接远距离无线通信信号的长时间漂浮高空平台，并得到了一定的应用[9]。针对上述无线供电研究尚未成熟及能量传输的缺点：方向的不定性、效率较低、传输距离的限制、穿越障碍物的限制及对周围人和动物磁辐射较大，于是在 2006 年 11 月在美国物理学会工业物理论坛上首次正式提出了磁耦合谐振式无线能量传输技术，理论性分析了该技术在实现中距离能量传输的可能性，并在 2007 年 6 月由 MIT 的（Soljacic）教授所

领导的研究团队，成功地完成了在 2.74 米外，点亮一只功率为 60 瓦特的灯泡实验[10]。

目前，无线供电技术在很多领域都有了广泛的应用，主要体现：

（1）在传动转轴部件上的应用：船舶柴油机曲轴、列车及现代汽车等的传动轴上都要通过传感器检测正常工作时的压力、温度、扭矩等参数，对传感器芯片供电若采用传统的有线传输方式将很难实现，而无线供电却能良好的解决这一难题。（2）在消费电子产品领域：无线供电技术能给人类日常生活消费电子产品带来极大方便，一般应用于小功率产品，比如：手机、笔记本、MP3 随身听、温度传感器、助听器、蓝牙耳机、电动牙刷，甚至汽车零部件和医疗仪器等[11]。

（3）在生活医疗领域：目前无线供电技术在医疗方面的应用主要有：人造官、心脏起搏器、人工耳蜗、助听器、医用体内微型机器人、人造耳等，它避免了传统植入电池对体内电子设备进行供电的各种不便及缺点（如电池的更换、取出和植入存在的伤口感染隐患等）。此外，在植入式医疗手术中利用外部电源无线供电不仅能为植入式医疗电子设备进行高效供电，而且配合无线射频技术还能有效的对电子设备进行检测和控制，还能大大减轻移植手术病人的痛苦，提供更舒适、安全的医疗质量。因此，无线电技术在医疗领域将会有着广泛的应用前景[12]。（4）在交通运输领域：对交通工具的节能、绿色环保、电气及自动化一直是人类研究的梦想，无线供电技术是最佳的选择方案。随着无线供电技术相关理论的不断发展和科研实验的不断深入，目前已经在高铁悬浮磁列车、城市公交、电动车等交通领域有所建树。比如，日本国土交通省（交通部）于 2009 年 10 月在奈良市，就针对充电式混合动力巴士组织过两次实际应用实验；2010 年 3 月在韩国首尔一座游乐园内试运行一种新型电车，这种电车在铺有电感应条的路面上行驶时可“无线”充电，不像传统电车需通过路轨或车顶电线获得电能[13]。（5）在新型无线传感器网络领域：随着工业、医疗、生物学等领域对无线传感器网络技术的不断发展，需要在检测区域内部署大量的微型传感器，并把监测到的数据信息，通过全局、自组织网络传输给观测者。无线供电技术解决了上述对大量传感器芯片的供电。

此外，这种新兴的无线供电技术不受周围恶劣环境及天气的影响，能有效解决海底石油、油田矿井、水下探测、及天然气生产设备的供电；与此同时，无线供电

技术也存在一些不足，比如：传输功率较小不能满足大功率输出，目前只能达到kW 级别，传输距离及效率还不太理想。另外，在无线供电过程中，磁辐射对周围环境是否造成伤害尚不明确，且对于大功率、长距离供电的研究成本较高。但随着技术的不断更新和科研人员不懈的努力，相信无线供电技术会不断发展并取得重大的突破，逐步取代传统的有线电能传输。

二、国内外无线供电技术发展概述

（一）电波辐射式无线供电技术

电波辐射式无线供电(Microwave Power Transmission)[14]主要是将电能转换成电磁波或激光的形式通过空间传播。其工作原理如图 1.1 所示：

图 1.1 电波辐射式无线供电系统原理框架图

通过电磁波或激光装置把电能转换成电磁波或激光，由发射天线以电磁波辐射的形式在空间自由传播，电磁波能量通过接收天线接收，然后通过电磁波转换器和整流滤波电路转换供给负载。此技术主要是通过电波的形式进行传输的，能实现长距离、大范围的电能传输，但其方向性不强，穿过障碍物能量会比较弱，长距离传输效率比较低且对周围会造成电波辐射危害。

电波辐射式无线供电技术的研究开始于二十世纪六十年代末，当时是由美国工程师 PGlaser 提出了一种使用微波电能传输技术的太阳能发电卫星。目前国内外对电波辐射式无线供电研究主要集中在卫星空间轨道、太阳能空间站、地面远距离大功率输电以及 E 行器等领域。