共振耦合电能传输原理研究

马进 丁斌 王勇 葛伟 康铁峰/国网冀北电力有限公司张家口供电公司

共振耦合电能传输原理研究

马进 丁斌 王勇 葛伟 康铁峰/国网冀北电力有限公司张家口供电公司

在电磁学研究的早期，有线电力网还没有建立，曾经有很多人致力于建立远距离无线电力传输。这些努力获得了部分的成功。全向的电磁辐射模不适合这样的能量传输，因为大部分能量在自由空间浪费了。使用激光或高频天线的定向辐射模式，可有效地传输能量，即使是在远距离的情况下。然而，定向辐射模式要求一个无阻挡的直线空间和复杂的定向跟踪系统。近年来迅速发展的独立工作的电子产品应该重新审视调查这个问题。

无线电力传输；共振耦合；传输效率；强耦合

一、引言

由于现有的电力线网几乎无处不在，中距离的电力传输是非常有用的。现有的产品机制是依靠磁感应近场，其有效工作距离太近或者是传输能量太低。相对于上述的方法，我们研究了使用长寿命的共振电磁模式，其近场模式是缓慢消失模。这种模式可以有效地进行中距离无线能量传输。该方法是基于众所周知的共振耦合原理，电磁场消逝模的耦合共振尤为明显。这也将毫无疑问地导致两个近场物体的有效耦合。然而，这些解释远远没有搞清楚在中距离的情况下的物理机制。据我们所知，没有文献解释几倍于物体间最大尺寸的能量传输问题。在这篇论文中，我们详细的理论和数值分析表明，这种高效的中距离无线能量交换可以实现，只要采取合适方式，使设计系统工作于“强耦合”模式，同时能量传输和消耗在非共振物体上的尽可能少。

二、耦合率和耦合范围

沿着共振磁场切片图叠加（红/白/兰分别代表正/零/负电场）。表：对于波长、吸收、辐射和总损失率的FEFD计算结果。对于两种不同的亚波长环共振模式。

三、传输的效率

让我们再次考虑共振源s和设备d在外部物体e存在的情况下，从新研究共

是系统中对目标设备的扰动损失率，类似于我们定义的对源设备的扰动率。不同的瞬态机制可以被用来提取能量（例如稳态连续波，周期性的瞬态波提取等）。他们的效率由于复合系统参数的不同而不同。这里，我们假定稳态情况，例如接收设备场幅度是变化的时间平均能力是：

从能量转换的角度看，进入系统的时间平均能量：

请注意，反射能量，这种经常出现在系统和电路中的能量，在共振中被取消，并且不影响能量平衡计算。工作效率是：

四、总结

总而言之，我们提供了基于“强耦合”共振的机制用于中距离无辐射能量传输。尽管我们的考虑是基于静态图形，所有的结果可以被直接用于移动物体的动态问题，因为能量传输时间K-1（1-100uS对于微波应用）比任何宏观物体的运动都短。本文对于基本几何形状的共振分析已经取得了令人鼓舞的结果，进一步优化形状可以期望获得更优的结果。这为很多应用提供了可能。

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图1 半径为r的金属环连接距离为d的平行板（黄色）

图2 两个距离为D的相同负载金属环（黄色）

图3 效率关系