磁耦合无线电能传输系统研究与前景展望

文/杨若冰 王琳

1 国内外无线电能传输技术研究现状

1.1 国外研究现状

从最近几年国外的很多探究理论与实践结果来看，重点的研究项目是不接触式功效传送，其核心是在一些较近距离的传送方面上。在发展历史中，美国研究者将一条两米长的线圈当作成实验器材，成功的运用到了“电磁共振原理”并点亮了一个工作功率为60W电灯泡，其后他们又提到一个能同时给很多用电器供电的方案。与传统的供电方式与其相比，其方案传输效率有了一定程度的提高。2012年9月，诺基亚与微软一同研发并推出了一款移动手机，它的奇特之处在于可以使用无线充电。

1.2 国内研究现状

与外国无线电能传送科技相比，国内对其探究的起点比较低，然而也获得了很是优异的科研成果。

国内研究的方向主要集中于感应式非接触无线电能的传输技术与磁耦谐振式无线电能的传输技术，此研究工作是由中国科学院电工研究所最开始展开探究的，2003年，重庆大学樊华、郑小林、皮喜田、彭承琳等展开了对能够应用在体内治疗装置上的无线电能传输技术的探索，这意味着无线电能传送科技在医疗仪器上的应用的一次较早探索。而东南大学在2006年间提出了相应的电厂耦合的光电机技术。到了2011年11月份在天津展开了中国首次“无线电能传送技术”的专题会议，同时在会议上达成了“天津共识”，此次会议对推动国内无线电能传输技术的研究与应用有着非同一般的意义。

2 磁耦合式无线电能传输技术研究

所谓无线电能的传输，有可称之为WPT技术，是依据能量在传输的过程之中，继能量存在形式多样性，在不采用导线进行连接的状态下通过电场等进行传到的一项新技术。无线电能的传输有安全、便携、环保、高效等特征。目前为止此项技术的探究重点包含：电（场）耦合式、磁（场）耦合式、机械波耦合方式（超声）以及电磁辐射方式（如太阳辐射）。其中最受专家们重视的为磁耦合电能传输技术，简称ICPT。ICPT技术是一项以电磁感应为技术原理的无线电能传输技术，此项技术主要采用了现代电子能量转换技术以及磁耦合技术，依附现代控制论以及微电子管控技能达到电能无线传送的目的。

2.1 磁耦合传输技术探究

2.1.1 磁耦合传输技术原理

磁耦合谐振式无限电能传输的基本工作原理：从其基础构造上看，它的重心构成部分即为两个线圈，每一个线圈都互为一个独立的系统，发射设施在左半部分，能源端与之相连，发射装置以电磁波的形式射出线圈。但是电磁波不能被发射出发射装置自身以外，其可以完成高效率能量的传输。

在能量传输中，存在着一个关于稳定性和可控性的提高问题，针对该问题的解决，可采取替换的模式。简单来讲即是运用较小的补偿电容和谐振线圈相应的等效电容进行替换。进行替换之后，即便是线圈在自谐振的频率上相对有所下降，但在系统的稳定性及可控性环节，却得到了大幅度的提高。

2.1.2 传输的水平

磁耦合式无线电能的传送技术作为一种中等距离的传输电能模式，许多的研究人员都对其展开了较为深入的探究，针对技术传输的水平探究重点展现在传输的效率与传输的距离上面，和系统的共振频率息息相关。通常的谐振频率一般选取13.56MHz的频率，需求相对高的系统需采用相对高端的频率段。

2.1.3 传输的特征

磁耦合式无线电能的传输系统在进行传输的过程中主要体现出以下特点：

（1）调频技术与频率分裂，频率分裂即为在整个的系统进行线圈传输的构造中，伴随着传输的距离减少，其传输速率会产生不同的值域。

（2）在传输的构造中加进中继谐振线圈以及接收终端的线圈。在所使用的设施中结合多个中继谐振线圈以及接收线圈，分别对传输的系统开展研究与分析，能够充分的显示系统未烧到弱导磁性的影响。

（3）磁耦合式无线电能的传输系统只能在特定的水平角度的移动之下才可以达到较高速度的无线电能传送。

2.1.4 新材料应用

无线电能的传输最主要的即是达到传送的高速率、传输距离较长、传输的功率较大，但因为多种因素的限制，尚无法达到此目标。在磁耦合式无线电能的传输系统之中是运用附近的外界能量展开传输的，重点耗损分为辐射损耗与欧姆损耗。此状况下，提升速率首先需要降低欧姆耗损，运用超导的材料方可达到这一目的。

2.2 电磁感应式耦合电能传输

2.2.1 传输原理

感应耦合式无线输电系统是当今的一种全新电能传送方法，其组成原理分为三个方面组成：

（1）当代电力电子能量转变技术；

（2）电磁效应耦合原理；

（3）控制理论。

感应耦合式无线输送电系统的三个主要构造部分分别是发送端，接收端和无接触能量变压器，与传统电能传输系统相比，该系统多了两个变换器，分别是初级和次级。在没有任意物理方法链接的情况之下，这种传输方式能够将能量传送体现在了供电设备和用电线路上。

2.2.2 具体传输方式

能量输送端的三个重要构成成分分别是高频逆变装置、整流滤波电路和控制电路。发送端将产生的交流电能量先通过无接触变压器充当中间能量转变装置去传送到能量接收器上面。能量输出端与次级变压器相连，控制电路和输出整流滤波作为负载来供给工作中所消耗的能量，并且移动装置能够按照实际需要来灵活地调节。当系统在使用的时候，输出端就会发射出逆变装置在正常工作时所需要的交流电；在通过整流处理与滤波之后，交流电在经过逆变装置的成功转换后，将会成为高频的交流电，无接触变压器初级绕组再进行接收；在经过次级端口和变压器感应耦合的共同作用下，高频电流就会形成，装置所收到的能量可以让负载去按照装置正常工作时的实际需要去调整，负载的需求满足之后这个循环会停止。电磁感应耦合是系统能量传递借助的主要方式。

从分类的角度来看，该系统隶属于疏松耦合系统。该系统在正常工作使用过程中，如何提高它的传输效率就成为了一个重要的问题，一般来讲低频变换器是由高频变换器来替代的。该系统的核心构成部分是可分离变压器，该系统的稳定性和高效性都是由它的性能来决定的。虽然无接触传输电能系统的结构比较简单，但是它的技术却非常值得信赖，还具备制作成本低廉的优点，它的缺点是效率低、传输距离较短，所以它适用于便携的小型电子设备。

3 无线电能传输技术的应用前景展望

磁耦合式无线电能的传送技术在近些年的发展过程中中已获取了相对较为成功的鲜果，但在个别环节的探究尚还肤浅。

（1）针对磁耦合式无线电能的传送技术还未形成一个完善的设计手段；并且系统参数尚未展开科学有效的探析与校正；

（2）针对系统在应用过程和实际相联系的环节尚未完美解决；

（3）此技术还需要运用高强度磁场，但迄今为止尚未在如何降低磁场的危害上形成共识。

同时电磁耦合式传输方式在易携带家用电器方面应用比较广泛，同时人体内植入元器件和电动汽车等无线供电的领域逐步应用。随着人们对于电能使用的便携性、多样性等要求的不断提高和科研方面的更进一步深入，无线电能传输技术的发展涌现出了很多新特点，所以这项技术将会应用于更多的领悟，比如在航空航天、照明、太阳能电站等方面。

4 结论

随着无线电能传输技术的不断提高与发展，未来的人们在日常生活中使用的电脑设备、照相机以及手机等将逐步会摆脱电源线的束缚，移动电源线将会消失在我们的世界里，人们将再也不会为忘记带电源线而无法充电的问题烦恼。以后在大型的公共场合中也会安装无线充电设备，人们将不会为充电问题产生心理负担，无线电能传输将拥有着更为广阔的应用前景。然而在无线传输中，不管是哪种方式都需要去破解一些关键性的问题，譬如说电磁波是否会影响到人们的身体健康等。就目前该项技术的研究情况来讲，种种问题均还处于一个继续探索阶段，因此还需要更近一步进行研究。

参考文献

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