关于磁耦合谐振式无线电能传输分析

杨 赫

（沈阳农业大学，辽宁 沈阳 111000）

关于磁耦合谐振式无线电能传输分析

杨 赫

（沈阳农业大学，辽宁 沈阳 111000）

磁耦合谐振式是一种无线电能传输系统，可以最大程度使无线电能传输技术发挥出来。磁耦合谐振式是利用空间线圈感应原理和等效电路分析原理，能够更好地分析出电压频率曲线以及电能传输情况。此外，根据空间分配原理，合理摆放空间线圈，分析出空心线圈数值与方向的关系，提出无线电能过耦合、临界耦合和欠耦合3种状态。文章以有关实验为基础，与其他实验结果进行比对，具体得出无线传输电能的现实性状态，并且提出有关建议。

无线电能传输；磁耦合谐振；具体分析

磁耦合谐振无线电能传输（Wireless Power Transmission，WPT）技术是当今世界应用最广泛的无线电传输技术之一。磁耦合谐振无线电能传输技术具有传输距离远、高效快捷以及不带有任何辐射的特点。具体来说，磁耦合谐振是以电磁场理论为依据，设计出多个相同谐振频率、高品质因数的电磁谐振系统，从而实现远距离，便捷的无线电能传输。但是，现在磁耦合谐振传输技术依然处于起步阶段，大量问题还没有解决。本文具体分析了磁耦合谐振式的无线电传输技术的原理和模型结构，阐述国内外发展情况以及应用发展领域。

1 工作理论以及模式类型

1.1 工作理论依据

第一，信号产生系统产生功率较大的电流，为整个无线电传输提供系统的动频率系数，形成正弦信号。之后产生的无线电传输信号经过相关设备传导到电源线之上，这个时候原有的电源设备之上就形成高强度的电磁场，产生谐振的现象。第二，电源线圈发生谐振现象并且形成电磁场之后，两者之间产生的电磁场的能量就会发生能量的转换，而在这一过程之中会有一部分的电磁能传输到接收端的负载线圈中，而接收端的负载线圈使用的部分电流，致使无线电能量可以传输到信号的终端。第三，在无线电的终端，电磁场中的能量和负载线圈之中的磁能之间的交换也是以谐振波震动为基础的，最终将无线电能量传输给负载的终端。

1.2 具体模型结构

无线电能传输模型结构是以两个谐振单元为基础构建的现代电能传输系统，被称作无线电能传输的基本结构，也成为两线圈模式。但是如果技术人员在两线圈结构之上，又增加一个中线圈就被称为三线圈结构，也是较高层次拓扑结构，第三，技术人员根据实际情况需求，有时会在基本的谐振线圈基础之上增加两种感应线圈，构建最高层次的4线圈模式。

2 国内外研究和发展情况

2.1 模型建造和无线电输出研究

目前磁耦合谐振WPT技术模型架构以及无线电能传输主要有两种方法。首先，耦合模型建构理论。这种方法首先需要技术人员建构耦合方程，建构独立的数据传输链条，然后就可以根据数据链条技术无线电的能量传输。根据磁耦合谐振WPT的方程式显示，谐振线圈电能传输的浮动值a，就可以分析出耦合方程之间的能量最大转换数值，从而确定无线电能的发送与接收装置之间最合理的能量装换数值，从而实现无限电能的高效传输。现在某些学者通过建构数学模型，使用高等数学的运算法则，分析出谐振频率震动的变化函数，从而对无线电能传输进行有效控制。此外，另外一些学者使用耦合模型理论研究WPT 技术，分析其中的数据和信息，构建出平面谐振系统的数据图形，从而指导实际的磁耦合谐振WPT系统的构建。其次，感应耦合模型建构理论。这种方法是以感应物理学为理论基础，研究无线电能量的接受设备的各种信号参数并且构建出等效电路数据图形。等效电路构成的无线电能传输的方程组，并且依据高等数学的法则解出无线电传输的频率和速率，分析出磁耦合谐振WPT系统的能量传输特点。

2.2 天线接受结构研究

无线电能量的接收装置是磁耦合谐振WPT系统的关键组成部分，是保证无线电能量传输高效率的保证。无线电能量的天线接收装置按照其线圈数量不同以及谐振种类不同，具体分为两大类，包括对称发射接收天线、非对称发射接收天线。两种无线电能量接收装置要分别匹配谐振线圈的3种模型结构，分别是二维空间螺旋模式、立体圆柱形线圈模式、圆环式构造线圈结构。此外，无线电能量的天线接收装置和谐振电量容纳机构匹配和构成方式也是当今学术领域研究的重点，并且有关学者还设计出单线圈谐振圆环模式和柔性圆环谐振线圈两种新型的谐振线圈结构。此外，有关学者还通过对WPT谐振线圈的结构进行分析，得出系统谐振波动频数与线圈工作频数大致相等的时候，无线电能量传输最为高效。

2.3 系统控制方式研究

无线电能量传输受距离和负载影响较大，因此为保证无线电能量传输的时刻保持最高效的状态，需要对磁耦合谐振WPT系统进行时时调控。目前，无线电能量传输的调控手段主要包括频率调控方式和阻抗匹配调控方法。第一，频率调控方式。这种方式有3种理论研究内容。首先，由美国著名大学内的研究机构提出的利用有关设备计算出频率在受到传输距离以及负载的影响之下，产生的波动数值。然后与可以使无线电能量传输最大功率的谐波振动频率进行比对。若果实际较弱，就提高谐波振动的频数，防止则较少震动频数。其次，韩国顶级三星研究机构发明出谐波振动频数自适应系统，可以对谐波频数进行自动调节。最后，东南大学的黄学良教授根据高等数学法则，构造谐波振动频数的函数公式，根据函数公式可直接计算出应调整的谐波振动的频数，简洁方便。

3 应用现状以及发展方向

3.1 应用现状

磁耦合谐振WPT技术是最先进的一种无线电能量传输技术，可以保证无线电能量传输的高效和简洁。因此在社会生活之中应用范围广泛，并且主要集中于电车、医疗器械、电子行业等几个领域。首选，电车领域。磁耦合谐振WPT技术可以进行远距离的无线电能量传输，并且十分高效、便捷，可以扩大电车活动范围。美国著名科研机构通过对磁耦合谐振WPT技术的无线电传输的实验发现，WPT系统可以在30米的范围之内进行无差别的电能传输，而且传输有效率达到惊人的95%。其次，医疗器械领域。磁耦合谐振WPT技术的无线电接收装置可以根据实际需要进行设计，十分适合医疗电子设备的充电使用。新加坡微型电子设备研究机构就依据这样的设计理念，设计出一种卫星医疗设备的无线电充电装置，这种新型的磁耦合谐振WPT系统，可以快速地对医疗器械进行充电，并且更加简洁，同时材料十分充分，成本低廉，可以进行大规模地批量生产。最后，电子领域。磁耦合谐振WPT技术属于一种先进的无线电能量出书系统，能够对不同类型的电子设备的进行充电，并且可以抵抗多种磁场的压力具有广阔的应用前景。日本行业巨头东芝集团的研发机构，就利用磁耦合谐振WPT系统开发出各种高端电子设备的充电装置，占据广阔的市场，促进了公司的发展。

3.2 未来发展方向

磁耦合谐振WPT技术虽然已经得到不断地完善，但是依然具有广阔的探索领域。以下就是磁耦合谐振WPT技术应该拓展的几大领域。第一，设计大功率的电源供给装置。目前，磁耦合谐振WPT系统的电源功率较低，不能满足某些社会行业的工作需要，使其应用范围受到限制。第二，制定严格的行业规范。随着磁耦合谐振WPT技术不断向前发展，其必将走向产业化的道路。第三，营造安全的WPT电磁环境。磁耦合谐振WPT系统本质也是一种电磁设备，其具有非常巨大的电磁辐射，对人类的身体会产生一定的损害。第四，实现WPT系统智能化管理。目前磁耦合谐振WPT技术的应用需要人工进行操作，由此产生诸多的问题，要想解决这些问题就必须实现磁耦合谐振WPT系统的智能化管理，实现无人操控。一旦磁耦合谐振WPT系统实现智能化操作，具有自动识别和监控的能力并且可以和数据网络系统对接，就可以实现更大规模的推广，彻底走向产业的话的道路。

4 结语

磁耦合谐振无线电传输技术是一种先进、高效的电能传输技术，具有十分巨大的发展潜力。磁耦合谐振无线电传输技术相对其他无线电传输技术具有明显的优势，尤其是在距离、速度、效率等方面的优势更加明显。本文详细阐述磁耦合谐振无线电传输技术的使用原理和基本模型结构，同时总结国内外关于磁耦合谐振的无线电能传输技术的发展情况，提出无线电能应用技术在医疗、教育、航天、电子信息技术方面的应用。最后，希望有关技术人员加快技术创新，促进磁耦合谐振无线电能技术向更好的方向发展。

[1]商和龙.基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的分析与设计[D].济南：山东大学，2013.

[2]史继翠.磁耦合谐振式无线电能传输系统建模及优化分析[D].湘潭：湘潭大学，2013.

Analysis on the wireless power transfer of magnetic resonances

Yang He
（Shenyang Agricultural University, Shenyang 111000, China）

Magnetic resonances is a kind of wireless transmission system, which can take best advantage of the wireless power transfer technology. Magnetic resonance adopts the principle of the coil induction in space and the equivalent circuit analysis,which can better analyze the frequency curve of voltage and power transmission. In addition, according to the principle of spatial distribution, it puts space coil in suitable place, analyzes the relationship between the numerical value and direction of air-core coil, proposes three states of the wireless power：coupling, critical coupling and under-voltage coupling. In addition, based on the related experiment,we also compare with other experimental results,specifically get the practical condition of wireless transmission electricity , and put forward some relevant suggestions.

wireless power transfer; magnetic resonances; specific analyses

杨赫（1990— ），女，辽宁辽阳，硕士；研究方向：农业电气化。