郭兆國 張海霞 郝艷玲

摘 要：19世紀(jì)70年代，電力的廣泛應(yīng)用和大力推廣普及拉開了第二次工業(yè)革命的序幕，世界的發(fā)展也由“蒸汽時(shí)代”走向了“電氣時(shí)代”。經(jīng)過一百多年的研究，電能技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，在當(dāng)今社會(huì)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)以及生活起著無可取代的作用。但電能的應(yīng)用多數(shù)情況依賴著電線而存在，電阻發(fā)熱等弊端對(duì)其應(yīng)用造成一定程度上的影響，為滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)電能應(yīng)用更高層次的要求，無線供電技術(shù)得到了廣泛重視。

關(guān)鍵詞：電磁耦合；無線供電技術(shù)；線圈；電磁感應(yīng)

1 無線供電技術(shù)的現(xiàn)狀

盡管無線供電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用看上去很美好，但目前相關(guān)研究仍舊處于起步階段，其在各領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用仍有一段較長的路要走。它雖然相對(duì)于傳統(tǒng)的有線供電方式有著不可比擬的優(yōu)勢，但是要將其付諸實(shí)踐，還存在眾多有待解決的問題，其中表現(xiàn)最為突出的有兩個(gè)，也是當(dāng)前無線供電技術(shù)亟須突破的技術(shù)難點(diǎn)。

其一，要將電能通過無線方式進(jìn)行傳導(dǎo)，依據(jù)電磁耦合原理，其至少需要進(jìn)行兩次能量轉(zhuǎn)換，由此引發(fā)的問題使其對(duì)電能的傳輸效率要求極高，同時(shí)其傳輸功率也受到極大限制。研究表明，隨著無線供電距離的增大，電能傳輸效率及其功率將難以得到有效保證。傳輸效率低、功率不足是當(dāng)前無線供電技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)難題。目前，無線供電技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用受此因素制約，尚停留在小功率、近距離的層面上，大規(guī)模、大功率、較遠(yuǎn)距離的無線供電設(shè)備仍舊處于理論研究中。可以說，不能有效解決無線供電傳輸效率及功率的障礙，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無線供電還只是一個(gè)幻想。

其二，信號(hào)干擾問題。長期以來，研究者為了提高電能使用的效率，將其轉(zhuǎn)化為電磁波、磁能等其他能量形式，在進(jìn)行有線供電時(shí)，雜波信號(hào)對(duì)電能使用產(chǎn)生的干擾作用不顯著，而在進(jìn)行無線供電時(shí)，這種信號(hào)干擾造成的影響則不容忽視。無線供電時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)是其有效傳輸?shù)年P(guān)鍵，但是這種供電條件下外部信號(hào)對(duì)其信號(hào)轉(zhuǎn)化和接收會(huì)產(chǎn)生干擾，它產(chǎn)生的信號(hào)也會(huì)對(duì)其他電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾以及光電干擾，造成不利影響，尤其在功率大、距離較遠(yuǎn)的情況下，信號(hào)干擾問題表現(xiàn)得尤為顯著，因此信號(hào)干擾問題也是當(dāng)前無線供電技術(shù)發(fā)展的一大瓶頸。

在面對(duì)目前無線供電的各方面問題時(shí)，還需要仔細(xì)研究、分析，需要通過不斷的改良、創(chuàng)新，探索不同模式的無線供電技術(shù)，構(gòu)建更完善的無線供電系統(tǒng)，強(qiáng)化其能量轉(zhuǎn)化和接收模塊功能，解決其在能量傳輸效率、功率、抗干擾能力以及供電距離等方面存在的不足，從而提升無線供電的安全性、穩(wěn)定性。

2 電磁耦合理論的無線供電技術(shù)

2.1 電磁耦合理論的無線供電技術(shù)的特點(diǎn)

基于電磁耦合理論研發(fā)的無線供電技術(shù)具有供電距離短、頻率低、干擾小的特點(diǎn)。其一，基于電磁耦合理論，無線供電技術(shù)在原理上更為接近變壓器，通過電磁感應(yīng)進(jìn)行工作，發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離越遠(yuǎn)，所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)不斷減弱，能量的傳輸也就愈加困難，從而導(dǎo)致傳輸效率的降低。研究表明，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，運(yùn)用電磁耦合原理，進(jìn)行無線供電的極限距離為10cm，如果要達(dá)到更為有效供電的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)距離還會(huì)進(jìn)一步降低。其二，建立在電磁耦合理論基礎(chǔ)上的無線供電技術(shù)，目前采用千赫茲電磁頻率，相較于電磁波式供電技術(shù)，其優(yōu)勢在于頻率大為降低，從而很大程度上削弱了電磁輻射，降低了電磁干擾，提升了其使用的安全性，同時(shí)小干擾也使得該模式下的無線供電技術(shù)應(yīng)用于含有多個(gè)電磁設(shè)備供電系統(tǒng)構(gòu)建成為可能。

2.2 電磁耦合理論的無線供電技術(shù)的性能

通過電磁耦合原理進(jìn)行無線供電，其優(yōu)勢之一在于結(jié)構(gòu)得到簡化，該模式下的無線供電技術(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)來說十分簡單，但是影響其傳輸性能的因素眾多，各相關(guān)參數(shù)均會(huì)對(duì)其傳輸產(chǎn)生影響，而各參數(shù)之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，既互相聯(lián)系，又對(duì)其他因素產(chǎn)生制約。

其一，耦合系數(shù)K。耦合系數(shù)是該模式下的無線供電技術(shù)的主要技術(shù)參數(shù)之一，線圈結(jié)構(gòu)、材料性能直接決定了其大小，其主要影響因素為線圈材料、磁芯材料、圈間氣隙大小以及繞組位置。

其二，在電磁耦合式無線供電系統(tǒng)中，影響電能傳輸效率的最重要因素是原線圈與副線圈之間的距離。隨著距離的擴(kuò)大，副線圈難以有效地接收到來自原線圈的磁動(dòng)勢，從而導(dǎo)致能量接收效率急劇降低。在無線供電系統(tǒng)運(yùn)行中，發(fā)射端與接收端之間的距離難以保持恒定，即使是細(xì)微的變化，也會(huì)顯著影響到磁動(dòng)勢的傳輸效果，進(jìn)而使得整個(gè)系統(tǒng)難以保持穩(wěn)定，因此需要選擇合適的供電距離達(dá)到提高穩(wěn)定性的目的。

其三，在電磁耦合式無線供電系統(tǒng)中，選取合適的磁芯材料可以很大程度上降低能量損耗，與此同時(shí)還能夠提升其對(duì)磁能的接收能力，使得系統(tǒng)的傳輸效率得到提高。通常情況下，原線圈及副線圈材料或是磁芯材料的選取應(yīng)遵循磁導(dǎo)率高、矯頑力小、電阻率高、磁損率小、最大磁感強(qiáng)度大的原則。

其四，電磁耦合系統(tǒng)的原副邊耦合存在漏感。漏感無法參與能量的傳輸，也表明存儲(chǔ)在漏感中的能量不能被傳輸?shù)酱渭?jí)。在電磁耦合式無線供電技術(shù)系統(tǒng)中，理論上漏感應(yīng)當(dāng)是越小越好，但隨著原副邊線圈間的氣隙增大，漏感也會(huì)隨之增加，導(dǎo)致穿過次級(jí)線圈的磁通大量減少，次級(jí)的感應(yīng)電動(dòng)勢隨之減小，以達(dá)到降低電磁耦合式無線供電技術(shù)系統(tǒng)的傳輸效率。由此可見，調(diào)高原邊線圈輸入電流的變化率以增加磁通量的變化率，從而實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢的增加。

3 結(jié)束語

在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中，電磁耦合理論的無線供電技術(shù)為人們的生活帶來了許多便利，同時(shí)還減少了電線插座等束縛，使其更為美觀化，也在很大程度上提高了用電的安全性。電磁耦合理論下的無線供電技術(shù)作為目前無線供電技術(shù)的方式之一，還需要我們?cè)诓粩嘌芯堪l(fā)展中充分利用其優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到造福社會(huì)、造福人類的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]張開洪，顏禹，張歡韻，羅林.電場耦合式無線供電技術(shù)研究[J].電源技術(shù)，2015（5）：997-1000.

[2]姚明東.電磁耦合理論的無線供電技術(shù)探討[J].科技風(fēng)，2015（14）：59.