电磁谐振耦合无线电能传输系统的工作原理分析

2015-11-30李可平

电子测试 2015年22期

关键词：谐振电能电磁

李可平

（广东省九0九广播电台，广东珠海，519000）

电磁谐振耦合无线电能传输系统的工作原理分析

李可平

（广东省九0九广播电台，广东珠海，519000）

文中主要分析了电磁耦合无线电能传输系统的基本原理、工作原理以及系统构成。

电磁谐振耦合；无线电能传输系统；工作原理

电磁谐振耦合无线电能传输技术是指利用两个或两个以上的具有相同谐振率以及高品质因数的电磁系统，当其处于谐振状态中时，彼此之间会进行强烈的能量交换，进而通过非辐射进场实现能量高效率传输的一种技术。该技术在社会生产实践中具有广阔的应用空间，具有重要的研究意义和实际应用价值。

1 电磁谐振耦合无线电能传输系统构成

电磁耦合谐振无线电能传输系统整个系统结构如图1所示。

图1 电磁耦合谐振无线电能传输系统结构

在上图所示的整个系统进行构造的过程中高频逆变、谐振耦合以及整流滤波技术关系整个系统建设的成败。首先，高频逆变技术。在上图所示的整个系统中，高频逆变技术的主要作用是能够将系统的直流电转变成高频电压，之后能够给发射线圈提供高频正弦波电流。同时，高频逆变技术在工作的过程中必须要能够满足以下几个方面的要求。第一，高频逆变的开关管部分必须要在高频下工作。第二，在高频逆变器工作的过程中当中，高频逆变器输出的电流应该具有降低波形畸变度的正弦波电流。第三，高频逆变器在工作的过程中应该尽量控制并降低高频逆变时造成的电能损耗，从而可以有效提高整个系统的工作效率。其次，谐振耦合技术。在整个系统发射线圈和接收线圈之间的谐振耦合是整个系统成立的基本条件，构成了整个系统中的核心部分。发射线圈以及接收线圈只有具有相同的谐振频率，才能够确保当有高频交变电流通过系统中的发射线圈时，发射线圈才能够向周围发射电磁能量，此时才能够使发射线圈和接收线圈之间产生共振现象，这时接收线圈才能够产生相同频率的感应电流，实现电能的传输工作，确保系统作用得到发挥。最后，整流滤波技术。由于在整个系统当中接收端所接收到的是高频的交流电能，导致整个系统的工作频率普遍会很高，因此，在系统建设时滤波电路中使用快恢复性的二极管更加科学。同时，在整个系统当中选用电容也应改采用瓷片电容为宜，因为从整体上来说瓷片电容的等效电感比较小，而且实践证明其工作效率很高，因此，瓷片电容很适合应用到高频滤波电路当中。

2 系统工作原理分析

当前，电磁谐振耦合无线电能传输技术的实现必须要依靠电磁感应耦合、磁耦合谐振以及电磁波辐射这三种方式。在这当中磁耦合谐振体系最为典型的构造原理是高频电源以及闭环控制，发射、接收天线以及负载驱动电路以及闭环控制构成。其中发射天线是单匝线圈接收线及谐振线圈构成高频电源并向发射天线输出对应的高频率正弦交变电流，其中单匝发射线圈指的是在高频正弦交变电流的作用下，在其所邻近的空间当中形成的交变磁场，因为谐振线圈无法感受到相应的交变磁场而出现谐振。需要指出的是，两个谐振线圈之间的构造参数必须是相同的，并且能够在磁耦合谐振的作用下一个谐振线圈会出现谐振，然后经过感应耦合的作用下能够将电能传输到接收线圈上，当接收线圈接收到电能时能够通过负载驱动电路展开整流滤波处理工作，最后对其直接负载供电，实现电能的无线传输。当发射接收线之间的距离以及负载出现相应的变化时，与其对应的闭环控制部分的调节体系工作频率可以确保其能够安全运行，确保工作安全，能够保证无线输电体系处于最大传输功率和最大的传输效率。

根据人们已知的耦合模型理论，假设一个物体m在外力的作用发生振动，并与另一物体n（两个或两个以上）产生共振现象，那么在物体m与物体n之间就会存在以下关系：

假设只有m和一个物体之间发生谐振，那么具体也就指的是反射线圈S以及接收线圈D；代表耦合系数，假如在进行研究时接收线圈直接与其负载体直接相连，那么在这种情况下接受线圈D的衰减率中就会包含了其自身的衰减率以及和负载引起的附加衰减率，因而整个线圈的总体衰减率就可以通过计算而得到，此时整个系统的发射线圈的衰减率可以使用进行表示。在进行研究的过程中，本文将传输的效率设定为负载得到的能量和谐振源提供的能量之间的比值。根据耦合理论可以得出当两个线圈能够实现完美共振时，那么这个事后的传输效率将会达到其最大的值，可以具体的表现为以下的形式：

图2 强磁耦合谐振式无线能量传输系统原理示意图

在上图所示的整个系统当中，A代表的是系统的中发射电路，S指的是整个系统中的发射线圈，D代表整个系统当中的接收线圈，B代表负载电路。在整个系统运行的过程中A作为发射线路是整个系统的激励源，并产生高频磁场，为整个系统提供高频信号。在这个系统在运行的过程中A、S、B、D之间的固有频率是一致的。在这个系统工作的过程中首先会有A产生磁场，然后S会产生谐振，之后会在线圈S以及线圈D之间产生耦合谐振，随后接收线圈D会把传递的能量传递给负载回路B。这就是整个系统实现无线电能量传输的过程。

在实际情形中，彼此之间有一段距离的两个电磁系统之间存在的耦合是弱耦合，但是如果在两个系统中间的确存在谐振率相同的情况，那么两个系统就可以在这个谐振频率下产生强电磁谐振。因此，在实际工作中整个电磁谐振耦合无线电能传输系统也正是对这一原理进行合理的利用，从而能够在发射端发出特定频率的电能时，如果接收端与发射端的频率是一致的，那么也就会产生谐振，如果线圈回路的电阻足够小，那么大部分电能就会传递到接收端。

通过文中上面的分析我们也就可以得出基于电磁谐振耦合无线电能传统系统是建立在电磁感应原理基础之上的。电磁谐振耦合无线电能系统的两个线圈在相同的频率之下能够产生以谐振线圈为中心的时变磁场，两个谐振线圈之间通过时变磁场不断的进行能量交换，这样就实现了电能的无线传输。