基于电磁耦合的无线供电技术探讨

郭兆国 张海霞 郝艳玲

摘 要：19世纪70年代，电力的广泛应用和大力推广普及拉开了第二次工业革命的序幕，世界的发展也由“蒸汽时代”走向了“电气时代”。经过一百多年的研究，电能技术的发展突飞猛进，在当今社会对现代工业生产以及生活起着无可取代的作用。但电能的应用多数情况依赖着电线而存在，电阻发热等弊端对其应用造成一定程度上的影响，为满足社会发展对电能应用更高层次的要求，无线供电技术得到了广泛重视。

关键词：电磁耦合；无线供电技术；线圈；电磁感应

1 无线供电技术的现状

尽管无线供电技术的实际应用看上去很美好，但目前相关研究仍旧处于起步阶段，其在各领域的实践应用仍有一段较长的路要走。它虽然相对于传统的有线供电方式有着不可比拟的优势，但是要将其付诸实践，还存在众多有待解决的问题，其中表现最为突出的有两个，也是当前无线供电技术亟须突破的技术难点。

其一，要将电能通过无线方式进行传导，依据电磁耦合原理，其至少需要进行两次能量转换，由此引发的问题使其对电能的传输效率要求极高，同时其传输功率也受到极大限制。研究表明，随着无线供电距离的增大，电能传输效率及其功率将难以得到有效保证。传输效率低、功率不足是当前无线供电技术发展的重点难题。目前，无线供电技术在生产生活中的应用受此因素制约，尚停留在小功率、近距离的层面上，大规模、大功率、较远距离的无线供电设备仍旧处于理论研究中。可以说，不能有效解决无线供电传输效率及功率的障碍，实现真正意义上的无线供电还只是一个幻想。

其二，信号干扰问题。长期以来，研究者为了提高电能使用的效率，将其转化为电磁波、磁能等其他能量形式，在进行有线供电时，杂波信号对电能使用产生的干扰作用不显著，而在进行无线供电时，这种信号干扰造成的影响则不容忽视。无线供电时产生的信号是其有效传输的关键，但是这种供电条件下外部信号对其信号转化和接收会产生干扰，它产生的信号也会对其他电气设备产生电磁干扰以及光电干扰，造成不利影响，尤其在功率大、距离较远的情况下，信号干扰问题表现得尤为显著，因此信号干扰问题也是当前无线供电技术发展的一大瓶颈。

在面对目前无线供电的各方面问题时，还需要仔细研究、分析，需要通过不断的改良、创新，探索不同模式的无线供电技术，构建更完善的无线供电系统，强化其能量转化和接收模块功能，解决其在能量传输效率、功率、抗干扰能力以及供电距离等方面存在的不足，从而提升无线供电的安全性、稳定性。

2 电磁耦合理论的无线供电技术

2.1 电磁耦合理论的无线供电技术的特点

基于电磁耦合理论研发的无线供电技术具有供电距离短、频率低、干扰小的特点。其一，基于电磁耦合理论，无线供电技术在原理上更为接近变压器，通过电磁感应进行工作，发射线圈与接收线圈之间的距离越远，所产生的磁感应强度就会不断减弱，能量的传输也就愈加困难，从而导致传输效率的降低。研究表明，在现有技术条件下，运用电磁耦合原理，进行无线供电的极限距离为10cm，如果要达到更为有效供电的标准，这个距离还会进一步降低。其二，建立在电磁耦合理论基础上的无线供电技术，目前采用千赫兹电磁频率，相较于电磁波式供电技术，其优势在于频率大为降低，从而很大程度上削弱了电磁辐射，降低了电磁干扰，提升了其使用的安全性，同时小干扰也使得该模式下的无线供电技术应用于含有多个电磁设备供电系统构建成为可能。

2.2 电磁耦合理论的无线供电技术的性能

通过电磁耦合原理进行无线供电，其优势之一在于结构得到简化，该模式下的无线供电技术结构相对来说十分简单，但是影响其传输性能的因素众多，各相关参数均会对其传输产生影响，而各参数之间的关系错综复杂，既互相联系，又对其他因素产生制约。

其一，耦合系数K。耦合系数是该模式下的无线供电技术的主要技术参数之一，线圈结构、材料性能直接决定了其大小，其主要影响因素为线圈材料、磁芯材料、圈间气隙大小以及绕组位置。

其二，在电磁耦合式无线供电系统中，影响电能传输效率的最重要因素是原线圈与副线圈之间的距离。随着距离的扩大，副线圈难以有效地接收到来自原线圈的磁动势，从而导致能量接收效率急剧降低。在无线供电系统运行中，发射端与接收端之间的距离难以保持恒定，即使是细微的变化，也会显著影响到磁动势的传输效果，进而使得整个系统难以保持稳定，因此需要选择合适的供电距离达到提高稳定性的目的。

其三，在电磁耦合式无线供电系统中，选取合适的磁芯材料可以很大程度上降低能量损耗，与此同时还能够提升其对磁能的接收能力，使得系统的传输效率得到提高。通常情况下，原线圈及副线圈材料或是磁芯材料的选取应遵循磁导率高、矫顽力小、电阻率高、磁损率小、最大磁感强度大的原则。

其四，电磁耦合系统的原副边耦合存在漏感。漏感无法参与能量的传输，也表明存储在漏感中的能量不能被传输到次级。在电磁耦合式无线供电技术系统中，理论上漏感应当是越小越好，但随着原副边线圈间的气隙增大，漏感也会随之增加，导致穿过次级线圈的磁通大量减少，次级的感应电动势随之减小，以达到降低电磁耦合式无线供电技术系统的传输效率。由此可见，调高原边线圈输入电流的变化率以增加磁通量的变化率，从而实现感应电动势的增加。

3 结束语

在当今社会发展中，电磁耦合理论的无线供电技术为人们的生活带来了许多便利，同时还减少了电线插座等束缚，使其更为美观化，也在很大程度上提高了用電的安全性。电磁耦合理论下的无线供电技术作为目前无线供电技术的方式之一，还需要我们在不断研究发展中充分利用其优点，以达到造福社会、造福人类的目的。

参考文献

[1]张开洪，颜禹，张欢韵，罗林.电场耦合式无线供电技术研究[J].电源技术，2015（5）：997-1000.

[2]姚明东.电磁耦合理论的无线供电技术探讨[J].科技风，2015（14）：59.