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1、基于強耦合的共振無線能量傳輸最早出版于《科學(xué)快訊》2007年6月7日2007年7月6日,科學(xué)期,317頁.5834。83-86我們使用強耦合系統(tǒng)的自諧振線圈實現(xiàn)了8倍于振蕩器半徑的中等距離內(nèi)的高效非輻射能量傳輸。實現(xiàn)了在超過2米距離傳輸60W功率的效率達(dá)到%40。我們設(shè)計了合理的能量傳輸模型（誤差在%5以內(nèi)），并且討論了該系統(tǒng)的實用性、確定了進(jìn)一步的研究方向。1物理學(xué)系，麻省理工學(xué)院，劍橋，碩士02139，美國。2電氣工程與計算機(jī)科學(xué)系，麻省理工學(xué)院，劍橋，碩士02139，美國。3物理與核科學(xué)實驗室系，麻省理工學(xué)院，劍橋，MA
2、02139，美國。電子郵箱：akurs@mit.edu早在20世紀(jì)初，電力網(wǎng)絡(luò)之前，NikolaTesla已經(jīng)在無線能量傳輸技術(shù)上花費了大量心血，然而，局限于標(biāo)準(zhǔn)的（如特士拉線圈）滿足不了大的電廠的需求，而淡出人們的視線。隨著近十年來，激增的自動化電子設(shè)備的使用（例如筆記本電腦、~~PDA）無線能量傳輸重新興起。輻射傳能雖然完全適用于信息傳輸，但是應(yīng)用于能量傳輸則存在一些問題：如果是全方位的輻射傳輸效率就很低，而單向輻射則需要一種不易受干擾的成熟的實時跟蹤機(jī)制。在最近的一篇論文里提出了關(guān)于能量傳輸?shù)牡脑敿?xì)方案。顯然，在兩個具有
3、相同頻率的振蕩器之間能進(jìn)行高效的能量交換，而極少受近場不相干振蕩器的影響。在耦合震蕩系統(tǒng)中（例如聲、電、磁、核），通常也是利用強耦合來實現(xiàn)的。如果通過強耦合系統(tǒng)進(jìn)行能量傳輸，那么其傳輸效率是可觀的。使用強耦合共振系統(tǒng)能確保能量在空間傳輸過程中不易受干擾且損失極小，進(jìn)而實現(xiàn)全方位的、高效的中場能量傳輸。上述的設(shè)計理念忽視了共振的物理本質(zhì)，而著重于它的一個物理特征：磁性共振。因為大多數(shù)的常見材料與磁場間沒有相關(guān)聯(lián)系，所以磁性共振特別適用于日常應(yīng)用。通過探究在MHZ頻率下非輻射（近場）磁性共振感應(yīng)，我們能識別在耦合共振系統(tǒng)中發(fā)生強耦
4、合的兩個共振體。表面上。這樣的能量傳輸使人聯(lián)想到使用磁感應(yīng)，然而，在中場距離通過普通的非振蕩感應(yīng)傳輸能量的效率是很低的。理論概述：有效的中場能量傳輸發(fā)生在兩個特定參數(shù)的強耦合共振體之間，用耦合模型來描述這種物理系統(tǒng)，得到如下線性方程：公式里的的參數(shù)表示不同的諧振體，我們定義變量am（t），物體的能量即為
5、am(t)
6、2，m表示獨立物體的振蕩角頻率，也表示物體內(nèi)在的衰變率（如由于被吸收和輻射的能量的損失），在這個系統(tǒng)中，物體從之前沒有耦合和驅(qū)動時的參數(shù)0-0變?yōu)閑xp{it0-it0}，下標(biāo)mn=nm表示兩個物體之間共振時的耦合
7、系數(shù)。Fm（t）表示驅(qū)動項。我們設(shè)計兩個物體間的傳輸方案，把它們分為驅(qū)動源和接收器。驅(qū)動源（S）有一個特定的驅(qū)動頻率，并且與接收器有同一個共振頻率系數(shù)。功從接收器（D）傳向與之相連的負(fù)載（比如電路中的負(fù)載阻抗），，比之無負(fù)載設(shè)備消耗功率D額外又消耗了W，因此，接收系統(tǒng)的整體功率消耗率為D`=D+W。能量傳輸功率主要取決于負(fù)載所消耗的能量，即2W
8、aD(t)
9、2，因此提高能量傳輸效率主要是負(fù)載所消耗的能量Eq即解決阻抗匹配問題。實驗證明：系統(tǒng)傳輸能量的最佳工作狀態(tài)是驅(qū)動源與接收器共振時，這時傳輸功率為：當(dāng)W/D=[1+(2/SD
10、)]1/2時的傳輸效率最大。顯然，提高能量傳輸效率的關(guān)鍵是使2/SD>1，即強耦合。比之電感耦合非共振體之間的能量傳輸效率提高了約2/D2（在106典型參數(shù)的情況下），而共振起著至關(guān)重要的作用。自諧振線圈的理論模型：實驗是由兩個自諧振線圈組成的系統(tǒng)。其中一個線圈C（驅(qū)動源線圈）與振蕩器相耦合，另外一個線圈（接收器振蕩線圈）與負(fù)載耦合（圖1）。自諧振線圈依靠分布電感與分布電容之間的相互作用實現(xiàn)共振。其中，線圈由長l的電子導(dǎo)線繞成n匝的螺旋體，半徑r，高h(yuǎn)。至今，仍然沒有關(guān)于有限長線圈螺旋結(jié)構(gòu)的確切的理論。而我們關(guān)于解決無限長線圈
11、的方案所依附的假設(shè)仍有缺陷。即使這樣，我們發(fā)現(xiàn)簡單的靜態(tài)模型描述的與我們的實驗結(jié)果相當(dāng)一致（誤差在%5以內(nèi)）。Fig.1.Schematicoftheexperimentalsetup.一個由半徑25cm的銅環(huán)組成的驅(qū)動電路，可以輸出頻率9.9MHZ的正弦波。圖中，S和D分別為驅(qū)動和接收線圈（與負(fù)載直接相連的輸出—燈泡）。各個物體間的直接耦合如圖中箭頭所示。調(diào)整線圈D與A的角度，以確保它們之間的直接耦合為0，再調(diào)整線圈S與D對齊，這樣B與A、B與S之間的耦合就可以忽略不計了。實驗開始時線圈兩端的電流必須為0，我們猜測線圈的共振
12、模型與導(dǎo)線長度大約成正弦關(guān)系。我們對最低的這個模式感興趣，因此，我們用s這個參數(shù)來表示，沿著導(dǎo)體的長度協(xié)調(diào)，使它在-1/2—1/2之間運行，然后，當(dāng)前的時間剖面有如下形式：I0cos(s/l)exp(it)。由此得出電荷的連續(xù)性方程，線性電荷密度剖面的形式是I0sin(s/l
