摘 要：我們發(fā)現(xiàn)，不論到什么程度，長(zhǎng)時(shí)間的電磁共振現(xiàn)象和漸變消散的場(chǎng)模式可用于在一定距離上傳輸能量，而且外界物體的存在對(duì)它幾乎沒(méi)什么影響。其原理是通過(guò)基于在強(qiáng)耦合的機(jī)制下的兩個(gè)共振線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)建立的模型在數(shù)值上應(yīng)用有限元的方法進(jìn)行分析，我們可以建立一個(gè)這樣的非輻射機(jī)制，在中程的距離上通過(guò)“強(qiáng)耦合”進(jìn)行無(wú)線能量傳輸。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程傳輸；信息；科技

1 介紹

早期都是依靠電線進(jìn)行傳輸?shù)模壳皯?yīng)用較多的是用銅、鋁等金屬做成的導(dǎo)線。電能的導(dǎo)線傳輸有很多不足之處：從大的方面說(shuō)，輸電線、電線桿、能量轉(zhuǎn)換器等復(fù)雜的輸電設(shè)備，耗費(fèi)了大量的空間、材料、金錢，并且犧牲了很大的安全性和效率；從小的日常生活方面說(shuō)，大量的充電器、導(dǎo)線、接口、插座等電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，給我們的生活帶來(lái)了極多的不方便，并帶來(lái)了很多的安全隱患。

輻射式傳輸，雖然非常適合于信息的傳送，但也引起了許多電能傳輸?shù)膽?yīng)用困難。如果全向發(fā)射，電能傳輸?shù)男蕰?huì)非常低。而單向發(fā)射需要不受干擾的傳輸空間和先進(jìn)的追蹤裝置。最近的一篇論文發(fā)表了關(guān)于利用共振體耦合通過(guò)非輻射的方式傳輸中等能量的可行性分析。更直觀地說(shuō)，就是兩個(gè)擁有相同諧振頻率的共振體會(huì)更有效地交換能量，相比之下，只有極少的能量耗散在其它非共振體。在耦合共振系統(tǒng)中（如：聲、電磁、磁、核）總有一套普遍的強(qiáng)耦合操作機(jī)制。用這種方式實(shí)現(xiàn)的中等電能傳輸幾乎能夠全向發(fā)射，并且高效，磁共振非常適合以上應(yīng)用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)物質(zhì)不與磁場(chǎng)發(fā)生反應(yīng)，所以與周圍物體的作用就被大大抑制。我們已經(jīng)能夠通過(guò)探測(cè)非輻射（近場(chǎng)）磁共振在兆赫頻率級(jí)的感應(yīng)，識(shí)別在兩個(gè)耦合磁共振中的強(qiáng)耦合域。匆匆一看，這種電能傳輸裝置好像是普通磁感應(yīng)的再現(xiàn)。然而，要注意到普通的非共振感應(yīng)對(duì)于中等電能供應(yīng)是非常低效的。

有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。在本實(shí)驗(yàn)中我們采用有限元法對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值分析，得到了滿意的結(jié)果。

2 原理及仿真

前面提到的能量傳輸裝置的耦合率和耦合范圍沒(méi)有考慮能量消耗，對(duì)于這里的諧振能量傳輸，著名的耦合摸理論是一種適當(dāng)?shù)姆治鼋Y(jié)構(gòu)。兩個(gè)諧振物體的場(chǎng)可以被近似為：

F（r，t）≈a1（t）F1（r）+a2（t）F2（r）

場(chǎng)的幅度分別應(yīng)滿足下面的低階方程：

兩個(gè)物體之間能量交換所用的時(shí)間很短，幾乎是完美的，如果耦合率比任何損耗的速率都大很多。任何無(wú)線傳輸能量的指標(biāo)可以表示為：

我們期望的最佳的系統(tǒng)（強(qiáng)耦合系統(tǒng)）是：

因此，要滿足能量傳輸需要的高Q=ω/2Γ則損耗速率Γ必須很小。中程非輻射耦合只能通過(guò)亞波長(zhǎng)的共振物體來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般亞波長(zhǎng)的共振經(jīng)常伴隨著高輻射Q。下面介紹一種電磁共振系統(tǒng)—容性加載的導(dǎo)電金屬環(huán)。圖1為一個(gè)半徑為r的金屬環(huán)兩頭接一對(duì)平行放置的小圓盤(pán)，中間填充空氣。連同與諧振模式相關(guān)的小環(huán)軸向平行的磁場(chǎng)。

其參數(shù)分別為：半徑r，線直徑a，電容片間距d，相對(duì)介電常數(shù)ε，電感L，電容C，線圈面積A。共振系統(tǒng)中的損耗有兩部分組成：歐姆損耗Rabs和線圈中的輻射到自由空間的損耗Rrad。

我們可以用兩種獨(dú)立的方法來(lái)分析這種RLC電路的模式計(jì)算問(wèn)題。

數(shù)值上，采用三維有限元頻域仿真（可以在頻域解決Maxwell方程），導(dǎo)體的邊界可以用一個(gè)復(fù)數(shù)阻抗來(lái)模擬；從解析出發(fā)，有以下參數(shù)：

電感公式：L=？滋0r[1n（8r/a）-2]

電容公式：C=？著？著0A/d

同時(shí)需滿足亞波長(zhǎng)的限制，已及準(zhǔn)靜態(tài)公式：Rabs≈？濁·r/a

輻射阻抗：Rrad≈？仔/6·？濁0（r/？姿）4

由以上數(shù)據(jù)可以得出：諧振頻率：？棕=1/■

相關(guān)品質(zhì)因數(shù)：Qrad=？棕L/Rrad Qabs=？棕L/Rabs

通過(guò)調(diào)整電容值，進(jìn)而到諧振頻率，總的品質(zhì)因數(shù)對(duì)于一定的頻率具有最大值。

對(duì)于中心距離為D的兩個(gè)線圈1和2，它們的能量傳輸率：數(shù)值上，F(xiàn)EFD模式仿真和解析兩種方法對(duì)于κ給出的結(jié)果很一致。圖2為兩個(gè)相同半徑的金屬環(huán)中心距離為D，兩頭分別接一對(duì)平行放置的小圓盤(pán)組成的系統(tǒng)，連同與諧振模式相關(guān)的小環(huán)軸向平行的磁場(chǎng)。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，我們可以得出用有限元仿真得出的結(jié)果和解析的結(jié)果非常一致，可見(jiàn)這里采用有限元的方法是可行的，而且是恰當(dāng)?shù)?。同時(shí)，磁耦合共振子：一個(gè)包含了兩個(gè)磁共振子的系統(tǒng)，這兩個(gè)共振子的耦合區(qū)大部分都位于它們的磁場(chǎng)內(nèi)。這樣，即使兩者之間的距離幾倍于共振體的尺寸，它們也能識(shí)別這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的強(qiáng)耦合區(qū)。有耦合模理論可知，這種諧振耦合感應(yīng)的品質(zhì)因素比傳統(tǒng)的非諧振機(jī)制的品質(zhì)因數(shù)要高很多。這也是為什么利用諧振可以實(shí)現(xiàn)中程的能量傳輸，而一般的電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的都是近距離的能量傳輸。

3 能量傳輸?shù)男?/p>

下面我們考慮一個(gè)組合的系統(tǒng)，源是s，裝置是d，中間有一個(gè)外界物體e，接下來(lái)考慮基于諧振的能量傳輸?shù)男剩神詈夏＠碚摽芍?，我們關(guān)心的平均功率功率包括：有效的傳輸功率Pwork，輻射的功率Prad，源及負(fù)載吸收的功率Ps/d，外界物體吸收的功率Pe。則進(jìn)入系統(tǒng)的總的時(shí)間平均年的功率是：Ptotal=Pwork+Prad+Ps/d+Pe，于是工作效率為：？濁=■。由此，我們可以看出，影響效率的因素很多，我們應(yīng)研究影響磁耦合共振的無(wú)線電能傳輸?shù)母鞣N因素（比如線圈特點(diǎn)、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、傳輸距離、發(fā)射極與接受極之間的布局特點(diǎn)的影響），得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析各影響因素；綜合平衡各因素尋求最高效率，并降低該種輸電方式的成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

我們?cè)谶@里介紹一種基于“強(qiáng)耦合”共振機(jī)制的中程無(wú)線非輻射能量傳輸。同時(shí)，在數(shù)值分析上，我們采用了有限元的仿真，結(jié)果和解析的結(jié)果保持了很好的一致性?？梢钥闯?，采用共振這種方式比傳統(tǒng)的感應(yīng)方式效率要高很多，同時(shí)，受外界物體的影響很小。這種無(wú)線傳輸能量的技術(shù)有很好的應(yīng)用前景，要使它能更好地被人們利用，還需要進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]Matthew N.O.Sadiku“Numerical Techniques in Electromagnetic”（CRC Press，July21，2000）.