李開春 趙靜媛 高佳慧 王靜

摘要：磁耦合諧振式無線電能傳輸是一種利用線圈間高頻耦合諧振磁場實(shí)現(xiàn)能量無線傳輸?shù)男屡d技術(shù)。目前該技術(shù)在傳輸距離、效率和功率等方面還不能夠滿足實(shí)用化所提出的要求，仍存在一些問題有待于研究。其理論研究主要采用耦合模理論和集中參數(shù)電路模型的分析方法，對耦合體的動態(tài)過程、系統(tǒng)內(nèi)部能量分布規(guī)律的研究還不夠深入。另外由于工作頻率高于電力電子器件的一般使用頻率，磁耦合線圈的耦合系數(shù)較小并且處于諧振狀態(tài)，存在著功率器件難以滿足要求、系統(tǒng)損耗較大、效率較低等問題。本文從機(jī)理與模型、諧振線圈組、磁場驅(qū)動源、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面展開研究，為磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無線電能傳輸;磁耦合諧振;多耦合線圈

無線電能傳輸WPT（wire- less power transfer）技術(shù)可分為磁場耦合、微波輻射、激光發(fā)射、電場耦合和超聲波傳輸?shù)阮愋?，根?jù)離聲源的距離可分為近場耦合和遠(yuǎn)場耦合。磁場耦合包括磁耦合電感和磁耦合諧振，與電場耦合屬于近場耦合類型。微波輻射和激光輻射屬于遠(yuǎn)場輻射。與其他幾種無線電力傳輸方式相比，超聲波無線功率傳輸系統(tǒng)主要利用超聲波作為耦合介質(zhì)，通過發(fā)射/接收換能器的逆壓電效應(yīng)和直接壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能-機(jī)械能-聲能或聲能-機(jī)械能-電能的無線傳輸電力。電場耦合無線功率傳輸系統(tǒng)主要利用電場耦合機(jī)制的交互電場耦合來進(jìn)行無線功率傳輸，該技術(shù)具有良好的電磁兼容性，耦合機(jī)制的靈活性高，它主要應(yīng)用于短距離、低傳輸?shù)阮I(lǐng)域。但這種技術(shù)的傳輸功率較小，電場對人體有很大的危害。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者在逆變電路優(yōu)化、耦合機(jī)理補(bǔ)償拓?fù)洹⑤敵鲭妷赫{(diào)節(jié)、能量信號共享通道傳輸、諧振拓?fù)浜蛡鬏數(shù)确矫嫒〉昧舜罅康难芯砍晒?。磁諧振式無線輸電技術(shù)利用具有相同頻率的線圈，經(jīng)磁場耦合產(chǎn)生諧振來實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，該技術(shù)相對于電磁感應(yīng)式，傳輸距離遠(yuǎn)。

原理簡介：

諧振又稱“共振”。振蕩系統(tǒng)在周期性外力作用下，當(dāng)外力作用頻率與系統(tǒng)固有振蕩頻率相同或很接近時，振幅急劇增大的現(xiàn)象。產(chǎn)生諧振時的頻率稱“諧振頻率”。電工技術(shù)中，振蕩電路的共振現(xiàn)象。電感與電容串聯(lián)電路發(fā)生諧振稱“串聯(lián)諧振”，或“電壓諧振”;兩者并聯(lián)電路發(fā)生諧振稱“并聯(lián)諧振”，或“電流諧振”。為了進(jìn)一步說明“諧振”是如何在強(qiáng)磁耦合諧振式無線能量傳輸中實(shí)現(xiàn)的，下面以該理論的提出者——MIT實(shí)驗(yàn)室所使用的能量傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例，進(jìn)行說明。

圖2–1所示是一個簡單的電感耦合無線能量傳輸系統(tǒng)的示意圖。L1和L2分別為初級和次級螺線管線圈。根據(jù)電磁學(xué)理論，當(dāng)L1中流過交變電流后，其周圍將會產(chǎn)生交變的磁場。由于磁場耦合，L2中將會感應(yīng)出耦合的交變電流，提供給負(fù)載ZL。

在上述模型中，將線圈L1上單位電流所引起L2中的磁鏈稱為L1對L2的互感系數(shù)為 ，對于相對靜止的兩個線圈， ，在系統(tǒng)中，將由初級線圈產(chǎn)生的磁力線貫串到次級線圈中的數(shù)量定義為耦合數(shù)K，其表達(dá)式為 .

耦合系數(shù)K的值總是小于1，其具體大小與線圈的形狀，相對位置，距離，角度等外部因素有關(guān)。在沒有磁芯的情況下，電磁感應(yīng)耦合的K值一般隨距離變大而急劇變小，因此系統(tǒng)的能量傳輸效率較低。正是這個原因，基于諧振原理的強(qiáng)磁耦合方案才被提了出來。

基于脈沖驅(qū)動的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)主要包含了發(fā)射和接收LC諧振線圈回路、高頻脈沖驅(qū)動兩個模塊，系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖為如圖1所示：當(dāng)MOS管開關(guān)打開，電源高頻脈沖串流注入到發(fā)射器LC諧振線圈回路：當(dāng)MOS開關(guān)是關(guān)閉的，LC諧振發(fā)射回路是暫停的，通過Rs的電流是零，LC請振發(fā)射回路可以被視視為一個LC串聯(lián)電路，其等效電路為圖2所示的LC諧振發(fā)射線圈電路

為了便于分析和計(jì)算，當(dāng)MOS管開關(guān)閉合，如圖所示，可等效轉(zhuǎn)化為該系列偶合電路模型如圖，2所示，包括Rs，Rr分別為發(fā)射和接收線圈回路在高頻率下的損失電阻、Ls、Lr分別為各自的自感、Cs、C分別為各自的諧振電容，RL是負(fù)載的電阻，M為發(fā)射與接收線圈回路之間的互感，d為兩個線圈之間的距離反射阻抗里的反射的電阻會消耗電路的能量，而反射的電抗則影響諧振線圈本身諧振頻車，當(dāng)兩個諧振線圈越來越接近，互感系數(shù)M和電阻值就越來越大，影響詣?wù)窬€圈也就越來越明顯。

基于以上理論分析和參數(shù)設(shè)置，為實(shí)現(xiàn)磁耦合諧振式的諧振振式頻率適當(dāng)?shù)囊粋€無線電能傳輸系統(tǒng)，本文用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證磁耦合諧振式無線電能傳播系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率的分析是正確的。

結(jié)語：

本文提出一種磁耦合諧振系統(tǒng)電路模型，推導(dǎo)出了系統(tǒng)傳輸效率和傳輸功率的表達(dá)，得到了最大功率傳輸效率、傳輸條件和表達(dá)式，并進(jìn)一步分析了發(fā)射與接收諧振線圈的相關(guān)參數(shù)對系統(tǒng)傳輸效率和功率的影響。

了理論分析的正確性。

1.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)建模及優(yōu)化分析 史繼翠- 《湘潭大學(xué)》

2.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)功效同步研究，唐治德，楊帆，徐陽陽，- 《電工技術(shù)學(xué)報》

遼寧科技學(xué)院大創(chuàng)項(xiàng)目編號：7511118104

（作者單位：遼寧科技學(xué)院）