摘 要：本論文討論和比較了四種實現(xiàn)無線電能傳輸?shù)姆椒?，電磁感應式、電磁共振式及射頻傳輸。綜合考慮了傳輸距離、傳輸功率及效率等因素，并最終選用電磁共振式傳輸作為本論文的研究對象。

電磁共振式無線電能傳輸?shù)脑硎请娔芸梢栽趦蓚€有著相同共振頻率的LC諧振器之間傳輸。諧振器由一個具有大電感的線圈再串聯(lián)或并聯(lián)一個小電容組成。電能傳輸?shù)谋匾獥l件是兩個LC諧振電路有相同的共振頻率。

本論文在基于一定理論分析后，作者制作了一個發(fā)送器和一個接收器。其電路原型是一個12匝，半徑為9cm的線圈，連接一個1nF的電容構(gòu)成。一個信號發(fā)生器作為初始的能量源。在高頻共振條件下，這個無線電能傳輸系統(tǒng)成功在一定距離下點亮兩盞LED燈?；谝陨铣晒?，本文還對傳輸電路的構(gòu)成方式從負載電壓、傳輸距離兩方面進行了比較，并得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：電磁共振式；LC諧振電路；傳輸功率；傳輸距離

中圖分類號：TM724

1 簡介

1.1 無線電能傳輸背景

近年來，許多便攜式設備都需要電池，比如筆記本電腦和移動電話。這些設備的工作時間受限于電池壽命。然而，我們總是想保持他們晝夜不停的工作。一旦電池耗盡，就需要一個充電器。既不方便也不安全。例如，英國和中國的插座標準是不同的。

為了解決這些問題，一種稱為無線電力傳輸新技術(shù)被引進。能量能夠通過無形的磁場而不是可見的電線從一個地方傳到另一個地方。

這項技術(shù)最初由MIT（麻省理工學院）的一個團隊開發(fā)的。他們使用兩個較大的諧振器成功地點亮了一個被放置在遠離發(fā)射器的60W燈泡。[1]

1.2 無線電能傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法

無線傳輸技術(shù)是一種通過電磁領(lǐng)域或電磁波進行能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)。[2]無線傳輸分為：電感耦合功率傳輸（ICPT），電磁諧振功率傳輸（ERPT），射頻功率傳輸（RFPT）和微波功率傳輸（MPT）。

電感耦合功率傳輸（ICPT）主要利用磁場作為媒體。變壓器耦合的使用能夠?qū)崿F(xiàn)無電氣連接的能量傳輸。ICPT傳輸是強大的。它可以數(shù)百千瓦，但傳輸距離較短，只有約1cm以下。當變壓器松散耦合，變壓器的初級和次級繞組中產(chǎn)生高頻交流勵磁的強電磁耦合。能量轉(zhuǎn)移因此是可行的。

ICPT的基本思想是分離的初級和次級繞組，在不同的磁結(jié)構(gòu)下，實現(xiàn)負載之間的功率和能量的傳遞而不需要物理連接。[2]ICPT系統(tǒng)主要是由三部分組成：能量發(fā)射器，可分離變壓器，和能量接收器。然而，隨著距離的增加，該系統(tǒng)由于氣隙導致較低的傳輸效率。在交通運輸和通信領(lǐng)域，ICPT技術(shù)主要用于鐵路機車和電動汽車的充電裝置。

電磁共振功率傳輸?shù)脑硎悄芰靠梢酝ㄟ^兩個相同諧振頻率的LC諧振器進行轉(zhuǎn)移。諧振器是由一個小電容并聯(lián)或串聯(lián)的大電感線圈組成。同樣的共振頻率是能量轉(zhuǎn)移的必要條件。這種類型的系統(tǒng)的一個特點是，能量只能與相同共振頻率的對象交換。相對于ICPT，能量損失是很小的，以至我們可以獲得更大的頻率和更長的傳輸距離。

射頻功率傳輸主要通過功率放大器發(fā)射RF信號。高頻整流后，直流可用于負荷檢測器。盡管射頻功率傳輸?shù)膫鬏斁嚯x遠達10m，能量只有從很少的MW到約100MW的范圍內(nèi)。其主要目的是為便攜終端提供待機功耗。

MPT是首先從電子能量轉(zhuǎn)化來微波能量以及再發(fā)送出去的技術(shù)。微波能夠通過空間傳遞到目標位置。最后它可以通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源。

MPT技術(shù)適用于電力傳輸領(lǐng)域的大規(guī)模、長距離和非環(huán)境影響。當微波傳輸時，會對人體產(chǎn)生一些損害，因此，它是不適合于生物醫(yī)學領(lǐng)域。

2 電磁共振式無線能量傳輸系統(tǒng)

2.1 理論分析

從電子工程的數(shù)學觀點來看，有必要對系統(tǒng)參數(shù)和頻率之間的關(guān)系進行分析。所以簡化模型將被應用于基于熟悉的電路理論上。能量傳遞過程的分析可以由簡化模型給出，不需要復雜的計算。

兩個線圈和集中參數(shù)電容構(gòu)成諧振器。除了自耦合通量Ψ1，由兩個耦合和閉路線圈D和S產(chǎn)生的磁通Ψ2將彼此相交，這被看作是在傳輸線圈模型的電路理論中的互感。

因此，我們建立了如圖所示的等效電路：互感線圈系統(tǒng)由斷了的線封閉的S和D線圈組成。R1和R2是電線電阻而C1和C2是對應線圈D和S的電容器。

首先，從公式（10），當諧振器在它的諧振頻率下工作時，諧振器的Q值應當足夠高，以增加負載電壓。[3]

其次，從公式（11），最大的負載電流是由諧振器的電阻決定。因此，諧振器的電阻應被設計的足夠小。[3]

第三，從公式（12），為了在共振情況下提高互感，每個線圈的電阻應設置為最小，諧振頻率不應該太高。

2.2 能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖所示，一個最基本的無線傳輸電路。由電容C1、線圈L1與信號發(fā)生器構(gòu)成的系統(tǒng)發(fā)射器。接收器使用與發(fā)射器完成相同參數(shù)的電容及線圈，以保證二者的固有諧振頻率一致。負載是兩個小LED燈，與接收電路并聯(lián)。

不同形狀的線圈在計算電感時應用不同的公式。一個圓形線圈在這個系統(tǒng)中被應用。[4]所以電感可以用下面的公式計算：

2.3 實驗結(jié)果和分析

3 結(jié)束語

首先，保持其他參數(shù)不改變；系統(tǒng)將在諧振頻率控制下獲得最大負荷電壓。

第二，負荷電壓隨著傳輸距離增加而減少。在三種連接方法中，當串并聯(lián)型傳輸距離最遠時，串聯(lián)型已在近距離擁有最大負載電壓。

第三，一些特別值得注意地方是，在實驗過程中制作了第三個LC電路。該電路的所有參數(shù)與發(fā)射器和接收器完全一樣。當我把電路放在發(fā)射器和接收器（靠近發(fā)射器）之間的一個位置時，負載電壓增加。當發(fā)射器和接收器之間的距離達到30厘米時，增加第三線圈可以使LED（已經(jīng)不亮）再次亮起來。但如果線圈放置的位置出現(xiàn)錯誤，效果將是相反的：結(jié)果，負載電壓將降低。這一現(xiàn)象的合理解釋應該是第三個線圈使線圈匝間的高頻耦合效應增強。更詳細的原因還需要更深入的探索。

無線傳輸并非受非金屬物影響。它可以穿透如紙張和塑料的物品而無能量損失。但金屬物質(zhì)能夠引起的共振頻率偏移，因此它能對傳輸?shù)木嚯x和效率產(chǎn)生影響。在一些特殊情況下，如第三線圈的加入會對電路產(chǎn)生積極的影響。

參考文獻：

[1]Andre Kurs，AristeidisKaralis，Robert Moffatt，J.D.Joannopoulos，Peter Fisher，Marin Soljacic.Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances[J].Science，2007（317）：83-86.

[2]http：//wenku.baidu.com/view/cd94022db4daa58da0114abc.html[OL].

[3]Chunbo Zhu，Chunlai Yu，Kai Liu，Rui Ma.Research on the Topology of Wireless Energy Transfer Device[J].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，2008.

[4]Daqian Fang.Handbook of Electrical Calculations[J].Shandong Science and Technology Press，1994.

[5]Benjamin L.Cannon，ames F.Hoburg，DanielD.Stancil，Seth Copen Goldstein.Magnetic Resonant Coupling Asa Potential Means for Wireless PowerTransfer to Multiple Small Receivers[J].Power Electronics，2009（09）.

作者簡介：武天龍（1988-），男，山西人，廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心廠站自動化專責，碩士研究生。

作者單位：廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510000