電工材料在磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)中的應(yīng)用

王秀芳，王 豫，嚴(yán)仲明，何永海

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電工材料在磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)中的應(yīng)用

王秀芳1,2，王 豫1，嚴(yán)仲明1，何永海1

（1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)，四川 峨眉山 614202）

磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)是集應(yīng)用與研究于一體的前沿科技，內(nèi)容主要涉及電磁場(chǎng)、高頻電力電子技術(shù)和電工材料等多學(xué)科。介紹了磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)的基本原理和研究?jī)?nèi)容及其現(xiàn)狀，論述了電工材料在磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的應(yīng)用新進(jìn)展，重點(diǎn)討論超導(dǎo)材料、超材料在無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。展望了電工材料的發(fā)展對(duì)磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的促進(jìn)與優(yōu)化作用。

無(wú)線(xiàn)傳能；磁耦合諧振；綜述；超材料；超導(dǎo)材料；諧振線(xiàn)圈；傳輸效率

無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)是指不采用電纜線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，而直接通過(guò)空氣或真空介質(zhì)進(jìn)行傳輸電能的系統(tǒng)。能量的無(wú)線(xiàn)傳輸不是最近幾年才出現(xiàn)的，早在1890年[1]，塞爾維亞裔美籍科學(xué)家尼古拉·特斯拉就提出了無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)脑O(shè)想模型。在設(shè)想模型中，特斯拉將地球作為導(dǎo)體、距離地面約為60公里的電離層作為外導(dǎo)體，利用兩點(diǎn)之間的電磁波來(lái)遠(yuǎn)距離傳輸電力，發(fā)明了著名的特斯拉線(xiàn)圈。尼古拉·特斯拉被公認(rèn)為無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)拓者，自此人們開(kāi)始了對(duì)無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)的研究。

根據(jù)工作原理不同，無(wú)線(xiàn)傳能主要分為三種形式[2]：電磁感應(yīng)無(wú)線(xiàn)傳能、電磁輻射無(wú)線(xiàn)傳能和磁諧振耦合無(wú)線(xiàn)傳能，這三種傳輸方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。電磁感應(yīng)無(wú)線(xiàn)能可用于低功率、近距離傳輸，感應(yīng)傳能所能實(shí)現(xiàn)的功率等級(jí)還不能太高，目前最大為200 kW左右，與普通電源相比，效率較低，功率傳輸?shù)淖畲缶嚯x也不過(guò)150~500 mm[3-4]。電磁輻射(微波輻射)無(wú)線(xiàn)傳能可用于大功率、遠(yuǎn)距離傳輸，其功率至少在千瓦量級(jí)，但是微波波長(zhǎng)介于無(wú)線(xiàn)電波和紅外線(xiàn)輻射的電磁波，容易造成通信干擾，而且微波能量束難以集中、散射損耗大、定向性差等特點(diǎn)，使得微波能量傳輸系統(tǒng)效率比較低且微波強(qiáng)輻射會(huì)對(duì)人體以及其傳輸環(huán)境造成嚴(yán)重傷害，因此微波傳輸只在特殊場(chǎng)合下應(yīng)用。

磁諧振耦合無(wú)線(xiàn)傳能適于中等功率、中等距離傳輸,目前諧振耦合無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)功率在千瓦左右，最大傳輸距離達(dá)到了兩米，頻率在兆赫茲相比于微波傳輸使用范圍更廣，相比于感應(yīng)耦合傳輸距離更遠(yuǎn)。因此，磁諧振耦合無(wú)線(xiàn)傳能成為近年來(lái)國(guó)際上研究的熱點(diǎn)技術(shù)。

本文就電工材料在無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)展展開(kāi)討論，主要討論諧振線(xiàn)圈采用不同的材料時(shí)，對(duì)磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的影響。概述了由不同電工材料制作的諧振線(xiàn)圈在無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中應(yīng)用取得一些顯著成效，以及電工材料在無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

1 磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)

2007年6月，美國(guó)麻省理工學(xué)院馬林·索爾賈?？说热嗽囍瞥隽舜胖C振無(wú)線(xiàn)傳輸裝置。其裝置的諧振頻率是9.9 MHz，功率為60 W，傳輸效率為40%，裝置[5]如圖1所示。

圖1 MIT無(wú)線(xiàn)傳能實(shí)驗(yàn)裝置

磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)是利用諧振原理[2]，具有相同諧振頻率的兩個(gè)或多個(gè)諧振線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生諧振實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的原理如圖2所示。該系統(tǒng)由電源、源線(xiàn)圈、發(fā)射線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈和負(fù)載線(xiàn)圈組成。電源給源線(xiàn)圈供電，電源的頻率為諧振頻率，則發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈為兩個(gè)諧振的物體，兩者通過(guò)交替耦合非輻射場(chǎng)的頭尾來(lái)進(jìn)行能量傳遞。由于只有相同諧振頻率的物體才發(fā)生能量交換，而對(duì)于外部空間環(huán)境中其他不在該諧振頻率上的物體，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈與它們幾乎無(wú)能量傳遞。因此，其他物體對(duì)該無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)幾乎無(wú)干擾和能量損耗，相對(duì)于其他的無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)，傳輸效率得到提高，能量損耗得到有效控制。

圖2 磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)原理圖

磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)是集基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究于一體，其設(shè)計(jì)方法以及理論模型都有待進(jìn)一步提高。基礎(chǔ)研究部分主要集中在以下幾個(gè)方面?；陔姶鸥蓴_和電磁輻射等原因，磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的諧振頻率一般在兆赫茲級(jí)，因此高頻、性能優(yōu)良的電源對(duì)磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)很重要。目前，電源中放大器主要采用E類(lèi)放大器。周佳麗等[6]分析了采用E類(lèi)功放的逆變電路對(duì)磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的影響。李艷紅、李陽(yáng)、于春來(lái)等[7-9]基于E類(lèi)功放分別設(shè)計(jì)了輸出頻率為1.2，2.52，1.05 MHz的高頻電源，孫文慧等[10]設(shè)計(jì)了頻率可調(diào)的諧振電源，最高頻率為1 MHz。磁諧振耦合無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)是通過(guò)同一諧振頻率的線(xiàn)圈來(lái)傳遞能量，因此諧振頻率是影響系統(tǒng)傳輸效率的另一個(gè)重要因素。研究人員為解決頻率對(duì)系統(tǒng)的影響，進(jìn)行了大量研究，主要集中于頻率自動(dòng)跟蹤、頻率分裂、頻率干擾和頻率控制等[11-19]。為使磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外研究人員設(shè)計(jì)了各種系統(tǒng)，主要有體內(nèi)植入器件的磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)的磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)、可移動(dòng)物體的無(wú)線(xiàn)傳能等[18, 20-34]。磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的核心器件為諧振線(xiàn)圈，圍繞諧振線(xiàn)圈的研究較多，比如線(xiàn)圈的放置位置，線(xiàn)圈的匝數(shù)、半徑，線(xiàn)圈的形狀等等對(duì)磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的影響[35-53]。

2 電工材料的應(yīng)用

磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中主要利用近場(chǎng)進(jìn)行能量的無(wú)線(xiàn)傳輸。近場(chǎng)傳能技術(shù)是不依賴(lài)于電磁波的傳播，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸主要依靠諧振線(xiàn)圈的電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量的相互交換，電磁能量不向空間輻射，不存在電磁波的傳播，模型類(lèi)似于機(jī)械波里的駐波，看似是波但不向外傳播。近場(chǎng)傳能技術(shù)中的場(chǎng)分布可以用靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)來(lái)近似。近場(chǎng)傳能技術(shù)所傳輸?shù)木嚯x一般在所傳輸電源信號(hào)的一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，具有實(shí)時(shí)傳播速度。而遠(yuǎn)場(chǎng)傳能技術(shù)主要依靠電磁震蕩電路作為波源，以電磁波的形式在空氣或真空中傳播，傳播速度為光速。由于頻率越高波長(zhǎng)越短，可能夾雜著遠(yuǎn)場(chǎng)輻射，因此在頻率較高的部分，傳輸過(guò)程中的能量損耗包括輻射損耗和歐姆損耗兩項(xiàng)。在頻率較低的部分可以忽略由于遠(yuǎn)場(chǎng)傳播所帶來(lái)的輻射損耗，則主要是歐姆損耗。也即主要決定于諧振線(xiàn)圈所用材料的損耗。傳統(tǒng)的線(xiàn)圈主要是利用銅線(xiàn)、銅膜、銅片作為諧振線(xiàn)圈，為了提高傳輸效率、增大傳輸距離，陸續(xù)出現(xiàn)了利用超導(dǎo)材料、超材料等構(gòu)成的諧振線(xiàn)圈。

2.1 銅材料

銅具有較好的延展性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，具有較低的電阻率，常用于電纜、電氣設(shè)備和電子元件。因此，在無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中所用的線(xiàn)圈材料最多的是銅。為了適應(yīng)不同場(chǎng)合的應(yīng)用，諧振線(xiàn)圈有銅管、銅片、銅膜、銅線(xiàn)等不同形式，其中銅線(xiàn)的使用率最高。銅管相比于銅線(xiàn)可以避免高頻下銅線(xiàn)趨膚效應(yīng)的影響，王國(guó)東等[28]利用單匝銅管搭建了四線(xiàn)圈磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)實(shí)物模型，測(cè)量并分析了不同線(xiàn)圈間的距離對(duì)系統(tǒng)傳輸效率和負(fù)載電壓的影響，驗(yàn)證了四線(xiàn)圈理論結(jié)構(gòu)的正確性。Dionigi等[54]利用銅管搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要研究了具有偶數(shù)中繼線(xiàn)圈和具有奇數(shù)中繼線(xiàn)圈的磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的一些特性，從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了含有偶數(shù)和奇數(shù)中繼線(xiàn)圈磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)。翟淵等[24]利用銅管搭建了一個(gè)磁共振無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作頻率為7.7 MHz，傳輸功率為60 W，最大傳輸距離為80 cm，傳輸效率高達(dá)52%。并且通過(guò)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了傳輸功率、互感系數(shù)以及傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系，證實(shí)了理論模型的正確性。

為了適用不同場(chǎng)合的應(yīng)用，銅片和銅膜在磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的應(yīng)用也比較多。Zhang等[55]為了研究醫(yī)療傳感器和嵌入式設(shè)備中的無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)，利用螺旋薄膜線(xiàn)圈構(gòu)建了witricity傳能系統(tǒng)。系統(tǒng)中的螺旋薄膜線(xiàn)圈主要采用銅片和樹(shù)脂絕緣材料，線(xiàn)圈的厚度為0.2~1 mm。利用該系統(tǒng)做了動(dòng)物和人體大腦的無(wú)線(xiàn)傳能實(shí)驗(yàn)，得到較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[56]利用銅片制作了諧振線(xiàn)圈，線(xiàn)圈分為三部分，正面和反面采用同樣材質(zhì)的銅片。該系統(tǒng)可以在相距數(shù)十厘米處點(diǎn)亮5 W燈泡，同時(shí)驗(yàn)證了位置偏移對(duì)系統(tǒng)傳能的影響。Zhang等[51]采用銅片給出了含有中繼單元的傳能系統(tǒng)，系統(tǒng)的傳輸效率得到提高，傳輸距離變遠(yuǎn)。Lee等[40]利用銅膜制作了諧振線(xiàn)圈，在沒(méi)有外圍電路的情況下提高了傳輸效率。

由于磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)主要依靠?jī)蓚€(gè)或多個(gè)諧振線(xiàn)圈在同一頻率上諧振，而諧振線(xiàn)圈諧振頻率的產(chǎn)生主要有兩種形式。第一種是選用線(xiàn)圈和高頻電容器組成的諧振回路產(chǎn)生諧振頻率，第二種是利用線(xiàn)圈分布電容值和線(xiàn)圈電感組成諧振回路。因此，采用銅線(xiàn)制作諧振線(xiàn)圈研究磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單，這方面的研究特別多，有無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究，如兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)、三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)[43-45, 53]、四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)[46, 52]以及多線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)[43, 48-49, 52]，還有頻率分裂現(xiàn)象的研究[14, 27, 57]。

2.2 超導(dǎo)材料

超導(dǎo)材料是在低溫下電阻變?yōu)榱愕奶厥饨饘倩蚪饘倩衔铮⑦€具有若干特殊的物理特性，如邁斯納效應(yīng)、磁通量子效應(yīng)、約瑟夫森效應(yīng)，以及異常的比熱容不連續(xù)變化、異常的電磁波吸收特性等。這一類(lèi)物質(zhì)都定義為超導(dǎo)體。由于超導(dǎo)體可以達(dá)到電阻為零或很小，可以用于電流的無(wú)損傳輸，獲得有阻導(dǎo)體無(wú)法獲得的永久電流、產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)、很高的諧振值等，因此可以用在無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中，減少傳輸損耗中的歐姆損耗，具有顯著的效率優(yōu)勢(shì)。研究超導(dǎo)材料在無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的應(yīng)用由Sedgwick率先[58]提出，Wang等[59]給出了含有超導(dǎo)諧振電路的無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)，理論上分析了傳輸功率、傳輸效率和電磁場(chǎng)分布。2012年，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈在無(wú)線(xiàn)傳能中的應(yīng)用[60-64]，國(guó)內(nèi)的中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)展了高溫超導(dǎo)在磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能方面的應(yīng)用研究[65-66]。

把超導(dǎo)體應(yīng)用到無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的原理仍然是采用磁共振原理，采用兩個(gè)或多個(gè)諧振線(xiàn)圈來(lái)構(gòu)成無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)。目前研究的超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)主要分為純超導(dǎo)和超導(dǎo)-銅混合系統(tǒng)。若超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的發(fā)射線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈或者中繼線(xiàn)圈都采用超導(dǎo)線(xiàn)圈構(gòu)成，那么系統(tǒng)的總損耗可以大大降低，而傳輸效率可以大幅提高。但是，由于超導(dǎo)對(duì)工作溫度有一個(gè)嚴(yán)格的要求，即必須給超導(dǎo)線(xiàn)圈配備制冷系統(tǒng)，造成了超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍大大降低。因此，研究較多的是超導(dǎo)-銅的混合系統(tǒng)，一般接收線(xiàn)圈采用銅線(xiàn)圈，而發(fā)射線(xiàn)圈和中繼線(xiàn)圈則采用超導(dǎo)線(xiàn)圈。

按照超導(dǎo)線(xiàn)圈的構(gòu)型來(lái)分，主要分為螺旋型線(xiàn)圈和密繞型超導(dǎo)線(xiàn)圈，如圖3和圖4所示。

圖3 螺旋型超導(dǎo)諧振線(xiàn)圈

圖4 螺旋線(xiàn)圈的參數(shù)

圖5 密繞型超導(dǎo)線(xiàn)圈

螺旋型線(xiàn)圈主要分為平面螺旋線(xiàn)圈和立體螺旋線(xiàn)圈，圖3是一種立體螺旋線(xiàn)圈。螺旋諧振線(xiàn)圈不外加電容，利用線(xiàn)圈自身的電感和間隙電容構(gòu)成的諧振回路。圖3所示線(xiàn)圈的參數(shù)如圖4所示，根據(jù)公式（1）~（3），可以計(jì)算得到諧振線(xiàn)圈的電感、電容和諧振頻率。

因此，根據(jù)以上公式可以設(shè)計(jì)所需的螺旋諧振線(xiàn)圈。超導(dǎo)螺旋線(xiàn)圈的電容是利用的間隙電容，不用再外接電容。整個(gè)諧振線(xiàn)圈可以完全放入杜瓦制冷系統(tǒng)，省去外接電容的導(dǎo)線(xiàn)引入系統(tǒng)的歐姆損耗，提高系統(tǒng)的傳輸效率。但是由于利用的是間隙電容，不可能得到較大的電容值，同時(shí)線(xiàn)圈的匝數(shù)也受到一定限制，從而造成無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的工作頻率較高，功率也較小。

密繞型超導(dǎo)諧振線(xiàn)圈可以彌補(bǔ)螺旋諧振線(xiàn)圈的工作頻率較高、功率較小的問(wèn)題，但是密繞型超導(dǎo)線(xiàn)圈需要外接電容才能構(gòu)成諧振回路。而電容在杜瓦系統(tǒng)中不能工作，因此需要外接導(dǎo)線(xiàn)連接電容，一方面給無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)引入了損耗，另一方面無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的復(fù)雜性升高。因此急需在無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中引入超導(dǎo)電容器。目前，文獻(xiàn)[58]提出了一種圓柱形超導(dǎo)電容，圓柱的內(nèi)層和外層利用超導(dǎo)材料中間用空氣隔開(kāi)。中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究采用Kapton絕緣的雙層Bi2223/Ag帶制作了超導(dǎo)電容器，電容值為20.851 nF。但是采用超導(dǎo)帶材繞制的超導(dǎo)電容器的電容值較小，若要獲得大的電容值，需要的帶材較多，且所繞制出的超導(dǎo)電容器的體積較大。如何獲得與常規(guī)電容器相比擬的超導(dǎo)電容器，是超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。

按照超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)分，主要分為兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)、三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)以及四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，如圖6，7，8所示。

圖6 兩線(xiàn)圈超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)

圖7 三線(xiàn)圈超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)

圖8 四線(xiàn)圈超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)

超導(dǎo)材料需要工作在低溫環(huán)境下，所以一般的超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)是銅線(xiàn)圈和超導(dǎo)線(xiàn)圈混合使用。發(fā)射線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈或者中繼線(xiàn)圈都有可能采用超導(dǎo)線(xiàn)圈，這個(gè)主要看應(yīng)用的需求。

兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易設(shè)計(jì)，由于線(xiàn)圈的個(gè)數(shù)少，因此線(xiàn)圈之間的相對(duì)距離和相對(duì)角度可以自由調(diào)節(jié)，但是匹配系統(tǒng)參數(shù)的功能要稍微弱一些。Jeong等[58]制作了兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的螺旋超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)，仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量了無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的參數(shù)，表明在同等條件下，超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能的傳輸效率比普通無(wú)線(xiàn)傳能的傳輸效率高40%。Kim等[60]制作了高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈作為接收線(xiàn)圈的兩線(xiàn)圈無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)，定義為SUCPT，該系統(tǒng)可以減少接觸損耗，銅線(xiàn)圈與超導(dǎo)線(xiàn)圈相比，超導(dǎo)線(xiàn)圈可以提高系統(tǒng)的傳輸效率，超導(dǎo)接收線(xiàn)圈的功率傳輸效率是銅接收線(xiàn)圈的3.5倍，超導(dǎo)線(xiàn)圈的電流傳輸效率可以達(dá)到88%。Zhang等[66]研究了不同環(huán)境溫度下，發(fā)射線(xiàn)圈為銅線(xiàn)圈或HTS，接收線(xiàn)圈為銅線(xiàn)圈或HTS的7種不同組合方式的兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的傳輸效率。

三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)是在兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)中繼線(xiàn)圈。由于中繼線(xiàn)圈獨(dú)立于發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈而存在，若中繼線(xiàn)圈為超導(dǎo)線(xiàn)圈，則相對(duì)于普通的超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)，工作環(huán)境沒(méi)有太大要求，但是超導(dǎo)線(xiàn)圈具有很高的品質(zhì)因數(shù)，可以大幅度提高無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率。Chung等[64]采用三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，發(fā)射線(xiàn)圈為超導(dǎo)線(xiàn)圈，中繼線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈為銅管構(gòu)成的諧振線(xiàn)圈，當(dāng)中繼線(xiàn)圈和接收距離不同時(shí)，負(fù)載線(xiàn)圈上的電流和電壓值發(fā)生了改變，并且論證了發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)諧振線(xiàn)圈更適合作為發(fā)射線(xiàn)圈。文獻(xiàn)[59]采用螺旋線(xiàn)圈構(gòu)成的三線(xiàn)圈無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)，對(duì)比了中繼線(xiàn)圈分別為超導(dǎo)線(xiàn)圈和銅線(xiàn)圈時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的傳輸效率，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)中繼線(xiàn)圈具有較高的品質(zhì)因數(shù)，含超導(dǎo)中繼線(xiàn)圈的無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的傳輸效率明顯高于含銅中繼線(xiàn)圈的無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的傳輸效率。

四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)是在兩線(xiàn)圈的基礎(chǔ)上把源線(xiàn)圈和負(fù)載線(xiàn)圈從發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈中剝離出來(lái)。四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)相比于兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠進(jìn)行電源匹配和負(fù)載匹配，在很大程度上隔離電源和負(fù)載對(duì)諧振線(xiàn)圈的影響。Kim等[63]研究了四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的同時(shí)包含銅線(xiàn)圈和HTS線(xiàn)圈，結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，在傳輸距離為0.3 m時(shí)，該系統(tǒng)可以傳送50%的電流和70%的電壓，有效地提高了傳輸效率。

相比于兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)和四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的自由度更多一些，方便調(diào)節(jié)阻抗匹配和優(yōu)化傳輸效率、傳輸功率。無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)需要所有的諧振線(xiàn)圈工作在同一個(gè)頻率點(diǎn)，那么如何保證多個(gè)不同的線(xiàn)圈在同一個(gè)頻率上，是多線(xiàn)圈系統(tǒng)遇到的一個(gè)難點(diǎn)。

除了上述所示的三種比較經(jīng)典的線(xiàn)圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究人員還研究了其他形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈作為發(fā)射線(xiàn)圈[65]，銅線(xiàn)圈作為接收線(xiàn)圈且兩個(gè)銅線(xiàn)圈的大小不一樣，給出了系統(tǒng)的傳輸效率，測(cè)量了線(xiàn)圈排列不同時(shí)，傳輸效率隨頻率的變化。

在超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中同時(shí)存在超導(dǎo)和銅兩種不同的線(xiàn)圈，其材料特性不同、工作環(huán)境不同、線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)不同，則兩種不同線(xiàn)圈的阻抗匹配顯得尤為重要，且線(xiàn)圈的寄生電阻在一定條件下必須被考慮進(jìn)去。

目前，超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)主要考慮應(yīng)用到電車(chē)充電系統(tǒng)上，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)研究了HTS天線(xiàn)在電車(chē)快速充電領(lǐng)域的應(yīng)用[61, 67]，在傳輸距離為25 cm時(shí)，傳輸效率提高了20%，應(yīng)用圖如圖9所示。

超導(dǎo)材料在磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的傳輸效率，以及提高比銅線(xiàn)更高的電壓和電流，但是超導(dǎo)材料必須在液氮下才能工作，也就是常溫環(huán)境下效果不明顯。隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，若出現(xiàn)常溫超導(dǎo)材料，那么超導(dǎo)材料在磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的應(yīng)用將大有作為。

圖9 超導(dǎo)無(wú)線(xiàn)傳能在電車(chē)快速充電應(yīng)用框圖

2.3 超材料

超材料主要是指那些根據(jù)應(yīng)用需求，人為地從原子或分子設(shè)計(jì)出發(fā)，通過(guò)嚴(yán)格而復(fù)雜的人工設(shè)計(jì)與加工制成的具有周期性或非周期性人造微結(jié)構(gòu)單元排列的復(fù)合型或混雜型材料。這類(lèi)材料可呈現(xiàn)天然材料所不具備的超常物理性能，即負(fù)折射率、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)介電常數(shù)等奇特性能。目前廣泛應(yīng)用和研究的超材料主要包括左手材料、電磁超材料、光學(xué)超材料和太赫茲波段超材料。主要應(yīng)用在傳統(tǒng)微波器件、隱身技術(shù)、天線(xiàn)罩以及特種天線(xiàn)上。

超材料的概念起源于左手材料，是前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago在1968年從理論上提出了一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料，但是在自然界未發(fā)現(xiàn)這種天然物質(zhì)。直到1999年P(guān)endry等介紹了一種金屬諧振環(huán)（SRR，Split-Ring Resonator)組成的人造材料。2001年，Smith等成功制作了世界上等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的人工材料，成為左手材料。

由電偶極子或磁偶極子產(chǎn)生的電磁振蕩以電磁波的形式向前傳播，傳播方向?yàn)檩S方向，電場(chǎng)沿方向振動(dòng)，磁場(chǎng)沿方向振動(dòng)，其散射的電場(chǎng)分量可以根據(jù)傅里葉技術(shù)的展開(kāi)公式表示為：

將該式代入到麥克斯韋方程式中，便可得到：

倏逝波在一般材料中傳播時(shí)，其電磁波的幅度隨著距離的增加而呈指數(shù)形式衰減，而倏逝波在超材料中傳播時(shí)，由于電磁波的波矢量與它的坡印廷矢量的方向相反，因此導(dǎo)致倏逝波在超材料中傳播時(shí)呈現(xiàn)出與一般材料中剛好相反的傳播效應(yīng)，即倏逝波的幅值在超材料中得到了放大。

磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)就是最大限度地利用了近場(chǎng)傳輸，也即耦合的倏逝波。而超材料可以放大或增強(qiáng)倏逝波。因此，不少學(xué)者開(kāi)展了超材料在磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[68-77]。

目前，應(yīng)用到無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的超材料主要有三種類(lèi)型：一種是基于開(kāi)口金屬環(huán)（SRR）的超材料，一種是基于螺旋線(xiàn)的超材料，最后一種是基于集總元件實(shí)現(xiàn)的超材料。

SRR超材料能產(chǎn)生很大的磁效應(yīng)，并且能實(shí)現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率。開(kāi)口金屬環(huán)的結(jié)構(gòu)原理如圖10所示。

圖10 開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)及其陣列示意圖

當(dāng)外界磁場(chǎng)垂直于金屬環(huán)面入射時(shí)，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)LC振蕩環(huán)路。其固有頻率為：

式中，r為SRR環(huán)開(kāi)口處的相對(duì)介電常數(shù)。

對(duì)于周期性放置的開(kāi)口金屬環(huán)陣列，其磁導(dǎo)率的具體形式為：

式中：表示開(kāi)口環(huán)在周期性陣列中所占面積比例；

為磁損耗。

當(dāng)不考慮材料的磁損耗時(shí)：

Wang等[78]制作了一個(gè)大小為58.5 cm×58.5 cm的超材料，由9×9個(gè)SRR環(huán)構(gòu)成。作者把超材料加入無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中作為中繼線(xiàn)圈，傳能系統(tǒng)的傳輸效率從17%提高到了47%，如圖11所示。采用磁偶極子理論分析了超級(jí)透鏡中繼單元的傳能系統(tǒng)的功率傳輸效率、傳輸系數(shù)和互感系數(shù)，建立了理論模型。

圖11 SRR結(jié)構(gòu)超材料中繼線(xiàn)圈

SRR結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超材料一般具有較高的諧振頻率，若想獲得較低的諧振頻率需要較大的體積。研究者提出了一種螺旋結(jié)構(gòu)的超材料，主要分為方形螺旋結(jié)構(gòu)和圓形螺旋結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變線(xiàn)圈的匝數(shù)可以獲得較低的諧振頻率，圓形螺旋單元結(jié)構(gòu)和等效電路如圖12所示。

（a）單元結(jié)構(gòu) （b）等效電路

螺旋線(xiàn)圈的等效電感可由下式得到：

其中，

螺旋線(xiàn)圈的等效電容包括兩部分，一是相鄰兩個(gè)導(dǎo)線(xiàn)之間的電容和連續(xù)導(dǎo)線(xiàn)之間的電容，由下式表示：

其中，

0是真空介電常數(shù)，是第一類(lèi)橢圓積分，則

且兩部分的等效電容的不相同：

若只考慮單面螺旋結(jié)構(gòu)，則：

由公式可以得到螺旋磁負(fù)超材料的諧振頻率：

文獻(xiàn)[69-70]采用螺旋磁負(fù)超材料作為中繼線(xiàn)圈，可以提高磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的傳輸效率。如圖13所示。田子建等[69]設(shè)計(jì)制作了諧振頻率為25 MHz的平面螺旋磁負(fù)超材料，仿真分析了含有不同周期排列的磁負(fù)超材料在無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中不同位置處的傳輸效率的大小，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了插入3×3磁負(fù)超材料的無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的傳輸效率提高了近30%，如圖13（a）所示。劉凌云等[70]設(shè)計(jì)制作了諧振頻率為13.56 MHz，有效磁導(dǎo)率為負(fù)的非正定磁介質(zhì)。通過(guò)數(shù)值仿真軟件，提取了電磁超材料的投射參數(shù)和反射參數(shù)。搭建了含有平面螺旋結(jié)構(gòu)的超材料的無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)磁負(fù)超材料可以使系統(tǒng)的能量傳輸效率得到顯著提高。

由于降低諧振頻率，需要提高超材料的等效電感和等效電容，于是人們直接在螺旋超材料添加了集總電容，如圖14所示。

圖14 含集總元件超材料

文獻(xiàn)[77]提出并制作了一種磁負(fù)超材料，這種磁負(fù)超材料由開(kāi)口諧振環(huán)單元與電容并接，即開(kāi)口處的間隙電容直接由集總電容來(lái)代替。該超材料的大小為三維的480 mm×480 mm×120 mm，諧振頻率為23.2 MHz。在傳輸距離為1.5 m時(shí)，加入超材料的無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的傳輸效率從59.3%提高到80.35%。

目前超材料還處于發(fā)展階段，造價(jià)較高，但具有人工可控、方便應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。由于超材料能夠建立均勻的電流分布，增強(qiáng)磁場(chǎng)，起到磁聚焦的效果，因此超材料在磁諧振無(wú)線(xiàn)傳能中可以增強(qiáng)兩傳輸線(xiàn)圈之間的耦合，提高傳輸效率，主要實(shí)現(xiàn)中繼線(xiàn)圈的功能，未來(lái)可以進(jìn)一步研究超材料線(xiàn)圈作為發(fā)射或接收線(xiàn)圈來(lái)應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的諧振線(xiàn)圈為切入點(diǎn)，圍繞構(gòu)成諧振線(xiàn)圈的材料進(jìn)行了綜述。重點(diǎn)介紹了磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及研究熱點(diǎn)。介紹了銅材料、超導(dǎo)材料和超材料在傳能系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其前景，綜述了超導(dǎo)材料和超材料在無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中的應(yīng)用形式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有望利用超導(dǎo)材料和超材料提高磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)的傳輸效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

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（編輯：曾革）

Application of electrical engineering materials in magnetic coupling and resonant wireless power transfer technology

WANG Xiufang1,2, WANG Yu1, YAN Zhongming1, HE Yonghai1

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Emei Campus, Southwest Jiaotong University, Emeishan 614202, Sichuan Province, China)

The magnetic coupling and resonant wireless power transfer (WPT) technology is the most advanced technology, that combines application and research. These subjects include the electromagnetic field, high-frequency power and electron technology and electric engineering material, etc. The main principles of resonant wireless power transfer technology are introduced and the research levels are discussed. New progresses are discussed on the electrical engineering materials used in magnetic coupling and resonant wireless power transfer system. The discussion is focused on the current research status and the development trend of the superconductor materials and metamaterials in the wireless power transfer system. Besides, this paper prospects the promotion and optimization on the magnetic coupling and resonant wireless power transfer system by the development of electric engineering materials.

wireless power transfer(WPT); magnetic coupling and resonant; review; metamaterial; superconductor material; resonant coils; transfer efficiency

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.001

TM24；TM26

A

1001-2028（2017）11-0001-11

2017-09-07

王秀芳

核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（No. 13zxnk06）；宜賓學(xué)院計(jì)算物理四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金資助項(xiàng)目（No. JSWL2014KF01）

王秀芳（1980－），女，山東人，博士，研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)傳能、材料， E-mail: wangxiufanghappy@163.com 。

2017-11-02 15:46

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