【文章內(nèi)容簡介】 求通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計與控制使系統(tǒng)不向外輻射電磁波，以免能量消耗在空間中，可以理解為利用的是電磁波的近場特性。如果系統(tǒng)中只有發(fā)射源而無接收端，則系統(tǒng)的損耗就是發(fā)射源自身的熱損耗和極少量的空間損耗，一旦在有效范圍內(nèi)有接收端，則開始傳輸能量；空間進(jìn)行能量交換的媒介是交變磁場對環(huán)境影響較小（電場則會發(fā)生危險）；無嚴(yán)格的方向性，采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，甚至可以做到無方向性。良好的穿透性，不受非金屬障礙物的影響。它與感應(yīng)式無線能量傳輸技術(shù)不同之處在于該技術(shù)融合了共振技術(shù)，不僅提高了能量的傳輸距離，而且提高了能量的傳輸效率。另外，該技術(shù)不像微波對人體產(chǎn)生危害，由于人體作為非磁性物體，暴露在強(qiáng)磁場環(huán)境中不會有任何影響，再則，該技術(shù)實現(xiàn)能量傳輸?shù)幕驹硎枪舱?，只有諧振頻率相同的諧振體才有可能受到影響，所以不必?fù)?dān)心其對人體及周圍物體產(chǎn)生危害。本文所研究的電磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開始探索的一個新領(lǐng)域。2006年11月，在美國物理學(xué)會工業(yè)物理論壇上,麻省理工學(xué)院(MIT)的Marin Soljacic首次提出了該技術(shù)[17]。MIT的研究者認(rèn)為，具有相同諧振頻率的物體組成耦合諧振系統(tǒng)(如聲音、電磁場、核子等)，可高效率的交換能量。相對于其他介質(zhì)，磁場更安全更適合于生活應(yīng)用，提出了以時變磁場為耦合媒質(zhì)的電磁諧振實現(xiàn)無線能量傳輸[18]。并作出實驗成功點亮7英尺()遠(yuǎn)的60W電燈泡，能量效率可達(dá)到40％。驗證了所提出的無線能量傳輸方式的可行性，實驗裝置如圖16所示。圖16 MIT無線能量傳輸裝置繼成功實現(xiàn)磁耦合諧振無線能量傳輸后，麻省理工學(xué)院的研究人員又提出兩種提高傳輸效率的諧振體結(jié)構(gòu)：隨時間周期性變化的耦合傳輸結(jié)構(gòu)[19]，和多接收端能量傳輸方式[20]，其數(shù)學(xué)模型都是耦合模理論的延伸。多接收端能量傳輸方式，一個大的源線圈向多個具有相同諧振頻率的小線圈傳輸能量。其總的工作效率高于向其中任意一個小線圈傳輸能量的效率。，成功研制電場耦合諧振無線能量傳輸實驗裝置如圖17所示，圖中兩個空心變壓器作為無線能量傳輸?shù)陌l(fā)射與接收端，變壓器與電極連接，成功的將800W電力用無線的方式傳輸?shù)?米遠(yuǎn)的距離[21]。圖17 美國內(nèi)華達(dá)州雷電實驗室的無線電力傳輸裝置：(1)通過大地電流耦合傳輸能量，通過獨立接地實驗和Ansoft有限元仿真否定了該傳輸機(jī)理；(2)電極之間的電場耦合傳輸能量；(3)變壓器線圈之間的磁場耦合傳輸能量。通過建立仿真電路和實驗結(jié)果分析，圖17所示的無線能量傳輸?shù)鸟詈蠙C(jī)理為電場耦合,仿真計算與實際測量對比如圖18所示。圖18 仿真計算與實驗測量數(shù)據(jù)（距離傳輸功率），無論是傳輸功率還是傳輸距離，都相對較高，但是電場耦合無線能量傳輸易受靜電干擾。東京大學(xué)的Takehiro Imura等研究者提出，將磁耦合諧振無線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用于電動汽車充電系統(tǒng)[22],如圖19所示。然后在2010年9月，Witricity公司宣布與德爾福汽車系統(tǒng)公司合作開發(fā)為電動汽車充電的無線能量傳輸系統(tǒng)。下一步并將與Delphi公司共同致力于基于電磁耦合諧振技術(shù)的電動汽車的研發(fā)。圖19 磁耦合諧振無線充電技術(shù)應(yīng)用于電動汽車國內(nèi)，清華大學(xué)、中科院電工所、南京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)、重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)、湖南大學(xué)、大連理工大學(xué)等也在對這一領(lǐng)域開展相關(guān)研究工作。但起步較晚，、如手機(jī)充電器等。重慶大學(xué)自動化學(xué)院孫躍教授也對無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并對系統(tǒng)的方向性進(jìn)行了分析[2325]。西安交通大學(xué)的王兆安教授和卓放教授等人對系統(tǒng)頻率分裂現(xiàn)象、負(fù)載電壓控制等進(jìn)行了研究[26]。無線電能傳輸技術(shù)是一項新的讓人充滿期待和憧憬的應(yīng)用型能量傳輸技術(shù)。由于電能的傳輸與設(shè)備的充電接口無關(guān)，所以如果這一技術(shù)一旦得到普及，不僅將使得電子產(chǎn)品不受插座和線纜束縛，充電更方便，而且將使不同品牌、不同接口的充電器不兼容的問題得到解決；同時沒有了電線和充電接口就增大了可利用空間，對環(huán)境起到了美化的效果；更為重要的是在易燃易爆環(huán)境和水下操作、油田井下等特殊場合時，該技術(shù)避免了有線時會出現(xiàn)的種種危險情況，有效的保證了人身財產(chǎn)安全。因而無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用范圍將十分廣闊，不僅在電動汽車、工業(yè)機(jī)器人、航空航天、軍事、油田礦井、水下作業(yè)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，而且在家用電器、醫(yī)療器械等民用領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景，對電磁理論和充電技術(shù)的發(fā)展同樣具有重要的科學(xué)意義。在中國科協(xié)成立五十周年的系列慶?；顒又校瑹o線電能傳輸技術(shù)還被列為“10項領(lǐng)域未來的科學(xué)技術(shù)”之一。本課題針對磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的基本特性進(jìn)行深入研究，在對其傳輸機(jī)理的研究的基礎(chǔ)上，建立磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)模型以及設(shè)計具體的傳輸系統(tǒng)電路，展開實驗，主要研究其頻率、距離以及方向特性，明確系統(tǒng)的這幾種基本特性。本課題的研究將為該技術(shù)在今后各個領(lǐng)域的應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。隨著傳輸距離、功率、效率的提高，在更多領(lǐng)域都將有實用價值。有朝一日，我們的家用電器、移動設(shè)備、醫(yī)療器械以及其他電子產(chǎn)品都將實現(xiàn)無線充電，我們不用再擔(dān)心沒帶充電器，家里再也不用看見密密麻麻的插頭，不僅方便而且節(jié)省資源。尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，比如心臟移植的患者，不用定期做手術(shù)取出電池，更加安全、快捷、方便。本課題進(jìn)行對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的基本特性的研究，主要內(nèi)容包括以下幾個方面：，研究該無線能量傳輸技術(shù)的內(nèi)在規(guī)律；，理論性的研究傳輸系統(tǒng)的幾個基本特性，如：距離、頻率以及方向特性等對系統(tǒng)傳能效率的影響；，分析各功能模塊在系統(tǒng)中發(fā)揮的作用；，設(shè)計具體實驗步驟驗證本文所提理論的正確性。第二章 磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)脑碇C振也就是指共振現(xiàn)象廣泛的存在于自然界中，如：樂器的音響共振擊碎玻璃杯，動物耳中基底膜的共振，電路的共振等等。諧振現(xiàn)象均可形象的轉(zhuǎn)化為LC振蕩電路來表述。磁耦合是載流線圈之間通過彼此的磁場相互聯(lián)系的物理現(xiàn)象。在近場區(qū)[27,28],電磁場能量在輻射源內(nèi)部及輻射源周圍空間之間周期性地來回流動，不向外輻射，即非輻射性磁耦合。在某一個確定頻率下，具有相同諧振頻率的諧振物體間產(chǎn)生強(qiáng)耦合，從而有效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。導(dǎo)線繞制的線圈可視為電感與電容相連構(gòu)成諧振體，諧振體包含的能量在電場與磁場之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，產(chǎn)生以線圈為中心以空氣為傳輸媒質(zhì)的時變磁場；與該諧振體相隔一定距離的具有相同諧振頻率的諧振體感應(yīng)磁場，所感應(yīng)的磁場能同樣在電場與磁場之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，同時兩個諧振體之間不斷地有磁場能交換，因此產(chǎn)生以兩個線圈為中心以空氣為媒質(zhì)的時變磁場。兩諧振體內(nèi)電場能與磁場能振蕩交換的同時諧振體之間也存在著以相同頻率振蕩的能量交換，即兩諧振體組成耦合諧振系統(tǒng)。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，就是利用磁耦合和諧振技術(shù)來實現(xiàn)電能的無線傳輸。其理論基礎(chǔ)是耦合模式理論[28](CMT)，其主要思想是系統(tǒng)中具有相同諧振頻率的物體之間通過強(qiáng)耦合從而進(jìn)行高效率的能量交換，而偏離諧振頻率的物體之間相互作用則較弱。諧振耦合電能無線傳輸裝置如圖21所示，一個完整的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)，除2個發(fā)生自諧振的線圈外，還必須有發(fā)射功率源和接收功率設(shè)備。圖21 磁耦合諧振式無線傳能裝置圖上述圖21中，高頻振蕩電路和高頻功率放大電路用于產(chǎn)生高頻功率源；隔空傳遞能量的兩空心線圈分別是LS、LD(其中S代表發(fā)射線圈，D代表接收線圈)；所有四個線圈LLS、LD、LW均被設(shè)計成具有相同的諧振頻率，在磁場的作用下產(chǎn)生諧振，但由于功能不同，各個線圈的其它參數(shù)不完全相同，比如品質(zhì)因數(shù)、外形尺寸等。在此結(jié)構(gòu)中，L1與LS之間和LD與LW之間都是近距離耦合，LS與LD之間是遠(yuǎn)距離耦合?？招木€圈L1將能量感應(yīng)到與它相鄰的發(fā)射線圈LS上；電阻R1用于測量電流；LW、RL為負(fù)載回路，為減少負(fù)載回路電抗對接收線圈LD自諧振頻率的影響，LW做成單匝線圈，這樣負(fù)載回路感抗極小，也不存在高頻線圈匝與匝之間的雜散電容，容抗可忽略為0，故可認(rèn)為負(fù)載回路為純電阻回路，它反射到線圈LD的阻抗即為純電阻，單匝線圈LW從線圈LD上感應(yīng)到的能量給負(fù)載RL供電，從而完成整個能量的無線傳輸。耦合模公式體系是普遍適用的，可用于處理多種諧振模式或者傳輸模式的物理系統(tǒng)[16]。應(yīng)用耦合模公式建立磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)中，諧振體之間的耦合關(guān)系。磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)中，單個諧振線圈可等效為一個LC振蕩電路：圖22 諧振線圈等效電路圖在上圖LC電路中，電感周圍磁場中存儲的能量是磁能的形式ωm=1/2Ci2,而在電容器中存儲的是電能形式ωe=1/2Cu2。系統(tǒng)中的能量周期性的在電感L和電容C中間轉(zhuǎn)換。根據(jù)歐姆定律得到電路中各元件的電壓、電流關(guān)系如下： （21） （22）式中i——諧振電路的電流，方向如圖22；u——電路中電感兩端電壓，方向如圖22。對式（21）以及（22）進(jìn)行化簡，將式（22）兩邊同時乘以常數(shù)X=177。jω=177。j1/(LC)，然后與式（21）相加可得下式（23）： （23）將X的值代入整理可得： （24）式中： （25）a和a*稱為振蕩單元的簡正模。簡正模是多自由度運動的一些特殊的組合，是一些集體運動模式，它們彼此相互獨立。如果初始運動狀態(tài)符合某個簡正模式，則系統(tǒng)將按此模式振蕩，其他模式將不被激發(fā)；如果初始運動狀態(tài)是任意的，則該系統(tǒng)的運動將是各簡正模式按一定比例的疊加。它們是由L和C線性組成的，可以看成是兩個長度固定的朝相反方向旋轉(zhuǎn)的矢量。并且它們的模的平方和代表系統(tǒng)中所存儲的總能量，即： （26）同時a和a*還滿足： （27）設(shè)諧振電路電流i(t)=Icos(ω0t+Ф),則u=(L/C)(ω0+248。)代入方程組（25）并對a和a*求導(dǎo)可得: (28)因為a和a*為共軛復(fù)數(shù)，所以諧振電路可簡化為一個一階微分方程表示。以下分析應(yīng)用a及相關(guān)方程，不再區(qū)分兩者。電路自身電阻能量損耗相對于電磁振蕩能量很小，作微擾處理，方程引入損耗項： (29)式中τ0——諧振線圈損耗系數(shù)，求解過程如下：由公式(29)得|a|2隨exp(2t/tτ0)的規(guī)律而衰減，又能量遞減的時間變化率即為功率耗散： (210)諧振電路中，耗散功率與電磁振蕩能量的關(guān)系為： (211)式中Q——諧振電路的品質(zhì)因數(shù)。因此，τ0=ω/(2Q)，此式表明較低的損耗則意味著較高的品質(zhì)因數(shù)Q。由于發(fā)射與接收線圈參數(shù)一致，綜上所述可得能量傳輸過程中隨時間而變化的能量轉(zhuǎn)化圖，a1是發(fā)射端耦合模幅度，a2是接收端耦合模幅度：圖23 振蕩系統(tǒng)的能量交換的原理圖為簡化分析，本文僅對發(fā)生諧振耦合的兩收發(fā)線圈LS、LD進(jìn)行等效分析。由于空心線圈在高頻下的寄生電阻、電容不可忽略，且考慮到線圈L1感應(yīng)到LS的電壓及負(fù)載回路反射到LD的電阻，LS、LD的等效互感耦合模型如圖24所示。其中uin表示前級感應(yīng)電壓源；RS、RD、CS、CD分別為線圈LS、LD高頻下等效寄生參數(shù)，若線圈為理想，則可外串諧振電容代替CS、CD；RW為負(fù)載回路反射到LD的電阻，為計算方便近似取為RW ≈ RL；LS、LD為線圈電感量；M為互感；D為兩線圈之間的距離。若傳輸系統(tǒng)角頻率為ω，則兩線圈自阻抗分別為：ZS=RS+jωLS+1/(jωCS)，ZD=RD+RW+jωLs+1/(jωCS)，列出KVL方程可求出線圈LS、LD等效回路電流：圖24 線圈互感耦合等效模型 （212） （213）從式(212)、(213)可知，耦合后線圈LS、LD兩回路阻抗發(fā)生變化，LS耦合到LD的阻抗ZDS及LD耦合到LS阻抗的ZSD分別為ZDS=(ωM)2/ZS，ZSD=(ωM)2/ZD。因ZS、ZD均包含電阻和電抗，則反射阻抗ZDS、ZSD中也分別包含電阻和電抗。反射電阻在回路中會消耗能量，而反射電抗則會影響線圈本身自諧振頻率，特別是當(dāng)兩線圈距離靠近時，互感比較大，反射阻抗加大，影響更明顯。為減少反射電抗對諧振頻率的影響，可設(shè)法令線圈LS、LD處于自諧振狀態(tài)，這樣，兩反射電抗均為0，此時兩線圈回路的等效反射阻抗分別為:Z180。SD=(ωM)2/(RD+RW)，Z180。DS=(ωM)2/RS，則諧振耦合后LS、LD兩線圈為純電阻回路，其發(fā)射線圈回路等效阻抗ZSeql和接收線圈回路等效阻抗ZDeql分別為 （214） （215）則系統(tǒng)中線圈LS的輸入功率及負(fù)載電阻 RW上的輸出功率可分別表示為： （216） （217）那么兩線圈之間的傳輸效率為： （218）首先闡述了耦合諧振理論，應(yīng)用諧振理論是磁耦合無接觸電能傳輸?shù)淖畲筇卣?。然后對耦合模理論進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓酵评?，最終提出了磁耦合諧振式無線電能傳輸電路模型。同時對該模型作出了理論分析，得到該模型的電路簡化圖以及磁耦合諧振式無線傳能技術(shù)的傳輸效率。第三章 磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)幕咎匦匝芯繜o線電能傳輸?shù)男赎P(guān)鍵在于電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)，本課題通過理論與實驗結(jié)合的方法對傳輸系統(tǒng)的基本特性展開研究，重點研究發(fā)射線圈和接收線圈的實驗設(shè)計和裝置，其模型如圖31所示。圖31 無線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射和接收模