基于電磁耦合諧振式無線傳能技術的研究

孟慶輝，張永剛，姚善化

(1安徽工貿職業(yè)技術學院，安徽 淮南 232007 ； 2安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

基于電磁耦合諧振式無線傳能技術的研究

孟慶輝1，張永剛2，姚善化2

(1安徽工貿職業(yè)技術學院，安徽 淮南 232007 ； 2安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

磁耦合諧振式無線傳能傳輸技術是一種能在中等距離時能夠高效率進行能量傳輸的技術。所以它是目前國內外對此類技術的主要探索研究方向。文章主要通過理論推導、建立電路模型，電路仿真來探索能影響磁耦合諧振式無線能量傳輸的一些因素和對應的解決方法。

磁耦合諧振；無線能量傳輸；感應耦合；磁耦合電路模型

無線傳輸能量一直是科學家研究的熱點技術。最早在1899年塞爾維亞裔美籍發(fā)明家尼古拉·特斯拉研究出特斯拉線圈，完成了第一次無線能量傳輸實驗。此后世界上各國的科學家前赴后繼的在此技術投入了大量的精力來進行研究。并提出了很多有創(chuàng)意的設想。在1968年一個美國工程師P Glaser提出了一種利用太陽能的發(fā)電衛(wèi)星，它利用微波來來電能傳輸到地面，再將其轉換為日常生活所使用的電能。在上個世紀八十年代后期，加拿大的一個科研團隊嘗試搭建一個能在高空中漂浮的平臺。它利用超遠的距離無線通信信號的來進行轉接。但是因為其能量傳輸的方向無法確定、傳輸效率的低下、平臺本身的電磁輻射較大、傳輸距離達不到實際使用標準和其穿越障礙時衰減較大等缺陷而沒有成功。但經過科學家不斷在理論和實踐上繼續(xù)研究，并在2006年11月在美國物理學會工業(yè)物理論壇上首次正式提出了磁耦合諧振式無限能量傳輸技術。居于此理論與次年6月，成功地完成了一項遠距離點亮燈泡的實驗。雖然還存在一些問題，但是可以看出無線電能傳輸未來前景〔4〕。

1 磁耦合諧振無線傳能的基本原理及特點

無線傳能傳輸技術目前主要有三種方式來實現：電磁感應耦合式、電磁波輻射式和磁耦合諧振式〔1〕。它們的工作原理、傳輸距離、優(yōu)缺點和適用場合如表1：

表1 三種主流無線傳能技術比較

磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)的典型結構圖如圖1所示，它主要由發(fā)送端和接收端兩塊組成。發(fā)送端里有220V交流輸入，高頻電源， 發(fā)射天線和閉環(huán)控制部分1組成。接收端主要包括接收天線，閉環(huán)控制部分2，負載驅動電路和負載組成〔4〕。

首先由220V交流輸入給高頻電源供電，高頻電源輸出高頻正弦交變電流。高頻電流通過發(fā)射天線在其周圍空間產生對應的交變磁場，其諧振線圈感應到交變磁場而發(fā)生對應的諧振。而發(fā)射天線和接收天線中的與諧振線圈結構中的相關參數是一樣的。接收端的接收天線通過磁耦合諧振作用發(fā)生對應的諧振，并通過感應耦合作用來接收傳輸過來的電能。負載驅動電路將傳輸過來的電能進行整流濾波處理，再送給負載給其供電。當發(fā)送端和接收端之間的間距發(fā)生變化，或者改變其負載時，可以通過閉環(huán)控制部分1和2來調節(jié)其工作頻率，使該系統(tǒng)能夠一直處于最大的傳輸功率和傳輸效率的工作狀態(tài)。

圖1 磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)的典型結構圖

2 磁耦合諧振無線傳能的電路模型和傳輸特性

磁耦合諧振無線傳能的電路圖如圖2所示，該模型的發(fā)送端和接收端都采用了端LC并聯方式。R1、R2為線圈的損耗等效電阻，M為線圈互感，US為高頻交流電源〔2〕。

圖2 磁耦合諧振無線傳能的電路圖

圖3 聯合仿真電路圖

根據圖2電路模型，可以用網孔法列出方程：

(1)

若設Us=Us<0°，則(1)中2*2矩陣行列式為：

(2)

由此可解出發(fā)送端功率和接收端功率的絕對值為

(3)

(4)

而其傳輸效率η為

(5)

(6)

由上可得出，在發(fā)送端和接收端的諧振線圈共振條件下能夠影響傳輸效率的因素如下：

(7)

由此可看出，可通過提高共振頻率、線圈互感、功率因數等方法來提高效率。反過來在提高頻率時，會造成裝置線圈電阻上升，進而使功率因數下降。所以要大幅提高傳輸效率，要從整體是來協(xié)調各個變量〔5〕。

3 用Maxwell和Simplorer軟件進行電路仿真

Maxwell是一個三維電磁場仿真軟件，可以用它來分析渦流、位移電流、集膚效應和鄰近效應等。在這里可以用它來設計仿真出線圈的自感、互感和耦合系數等有限元的計算。最終做出一個發(fā)送端和接收端之間的磁耦合諧振Maxwell3D工程模型。

Simplorer是一個功能強大的跨學科多領域的高性能系統(tǒng)仿真軟件。它強大的仿真耦合技術將非SPICE線路仿真技術、框圖仿真技術和狀態(tài)機仿真技術集成在同一軟件之中，允許多工程領域模型同時進行仿真求解。同時提供了對外部仿真器的聯合仿真接口，能夠靈活地對現有其他軟件進行集成。

如圖3這是利用Maxwell和Simplorer這兩個軟件設計出來的一個聯合仿真電路。其中1是Maxwell3D工程模型,2是電壓源輸出功率，3是發(fā)送線圈的輸出功率，4是接收線圈的輸出功率。5和6是Mosfer管。在這個仿真電路中我們可以改變可能影響傳輸效率的各項參數，來進行研究能夠影響磁耦合諧振無線傳能效果的有那些關鍵因素〔3〕。

4 影響磁耦合諧振無線傳能效果的關鍵因素

由上文的磁耦合諧振無線傳能的電路模型可以看出，能夠影響無線傳輸效果，又可以被控制的關鍵因素主要有電源頻率、線圈間距、線圈線徑、線圈直徑、線圈匝數、諧振電容、線圈相對位置和負載類型等。

電源頻率，在其他參數都固定不變時，電源頻率為發(fā)送端或者是接收端頻率的1，1/2，1/3....時，傳輸效率最好。

線圈間距，在其他參數都固定不變時，發(fā)送端和接收端的距離不是越近越好，而是保持一定距離時傳輸效率最好。

線圈線徑，在其他參數都固定不變時，發(fā)現線圈線徑對傳輸效率影響很大。其線徑越大傳輸效率越好。

線圈直徑，在其他參數都固定不變時，線圈直徑越大，能量傳遞效果越好。其能傳輸的最大功率也越大。但是線圈直徑越大，其能量傳遞最大點也越遠。

線圈匝數，在其他參數都固定不變時，在近距離情況下線圈匝數越多傳輸效率越好。當距離增加到一定遠時，由于，接收端電壓衰減較快，線圈匝數較少時反而有較好的效果。

諧振電容，在其他參數都固定不變時，諧振電容的數值在一定范圍里越大傳輸效率越好。但是影響并不是很大。

5 結束語

本文介紹了磁耦合諧振無線傳能基本原理，搭建了一個磁耦合諧振無線傳能的電路模型，分析了其能影響傳能效果的關鍵因素。為該技術的未來研究方向提供有益的參考。

〔1〕范興明,莫小勇.張鑫.磁耦合諧振無線電能傳輸的研究現狀及應用〔J〕.電工技術學報,2013,(12):75-83.

〔2〕張獻,楊慶新,陳海燕,等.電磁耦合諧振式傳能系統(tǒng)的頻率分裂特性研究〔J〕.中國電機工程學報,2014,4(28):167-172.

〔3〕陳新,張桂香.電磁感應無線充電的聯合仿真研究〔J〕.電子測量與儀器學報,2013,28(1):434-440.

〔4〕周甜,萬隆君,徐軼群.磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)特性研究〔J〕.中國科技信息,2012,(24):43-44.

〔5〕張旭.感應耦合式電能傳輸系統(tǒng)的理論與技術研究〔D〕.北京:中國礦業(yè)大學,2011,4:34-38.

StudyontheWirelessPowerTransmissionbasedonMagneticCouplingResonant

MENG Qing-hui1，ZHANG Yong-gang2，YAO Shan-hua2

(1.HefeiVocationaltechnicalCollegeofIndustryandTrade,Huainan, 232001； 2.AnhuiUniversityofScienceandEngineering,Huainan,Anhui, 232001,China)

The magnetic coupling resonant in wireless transmission technology is a technique which can efficiently carry out energy transmission at medium distance. So it is the major research direction for this king of technology at home and abroad In this paper, a theoretical derivation and circuit model are established to explore some factors and corresponding solution that influence the magnetic coupling resonant in wireless energy transmission.

Coupled magnetic resonant; Wireless power transfer; Inductive coupling; Coupled magnetic circuit model

2017-09-05

2016年度安徽高校自然科學研究重點項目“基于電路模型的人工電磁材料近場耦合的研究”(KJ2016A195).

孟慶輝(1981-)，男，安徽淮南人，安徽工貿職業(yè)技術學院講師，碩士.研究方向：智能化電器.

1008-3723(2017)05-004-03

10.3969/j.issn 1008-3723.2017.05.002

TP27

A