基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)第30卷第1期2011年1月電工電能新技術(shù)AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyV01．30，No．1Jan．201l基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究黃輝，黃學(xué)良，譚林林，丁曉辰(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096)摘要：發(fā)射、接收裝置是實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量傳輸?shù)暮诵牟糠?。本文從磁?chǎng)的角度對(duì)發(fā)射與接收天線的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行分析，得到了天線的參數(shù)與效率之間的關(guān)系，從而可以有目的性地對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行選擇，以達(dá)到最優(yōu)效果的傳輸。最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改變天線的參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的

2、分析。理論及實(shí)驗(yàn)表明發(fā)射、接收線圈的匝數(shù)及線圈半徑的大小對(duì)傳輸效率有重要的影響。關(guān)鍵詞：無(wú)線能量傳輸；諧振；天線；效率中圖分類號(hào)：TMl33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003．3076(2011)01-0032-041弓1-'-受到空間障礙物的影響。擺脫有形輸電介質(zhì)的束縛，實(shí)現(xiàn)電力的無(wú)線傳輸這一設(shè)想并不是一個(gè)新的研究課題。早在上世紀(jì)初，NikolaTesla就曾耗費(fèi)大量的時(shí)間與精力研究包括無(wú)線傳輸在內(nèi)的各種長(zhǎng)距離電力傳輸技術(shù)，雖然由于技術(shù)、資金等各方面的問(wèn)題導(dǎo)致最終實(shí)驗(yàn)失敗，卻給后人留下了許多有價(jià)值的參考信息。2007年MIT的科學(xué)家在電能無(wú)線傳輸原理上有了

3、突破性進(jìn)展，他們利用電磁諧振原理實(shí)現(xiàn)了中距離的電能無(wú)線傳輸，成功地在2m多距離內(nèi)將一個(gè)60W的燈泡點(diǎn)亮?。電能的無(wú)線傳輸再一次被人們所關(guān)注。利用傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)原理進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)已為人所熟知，并且在一些場(chǎng)合得到應(yīng)用，然而利用這種方法，傳輸距離比較短，傳輸?shù)墓β室埠苄　А?；曾有人想過(guò)利用已經(jīng)普及的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電力傳輸，事實(shí)上這也是不可取的，利用這種全向型的天線進(jìn)行發(fā)射傳送，盡管發(fā)射功率可以達(dá)到數(shù)十千瓦，然而每臺(tái)接收機(jī)接收到的能量甚微，效率太低，很不實(shí)用。基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸，實(shí)際上是將磁場(chǎng)作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，通過(guò)共振建立發(fā)射與接收裝置之間的傳遞通道，

4、從而有效地傳輸能量。利用這種方式進(jìn)行能量傳輸，不但可以提高傳輸?shù)墓β逝c效率，同時(shí)可以將傳輸?shù)木嚯x提高到幾米而不會(huì)2基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸2．1工作原理共振系統(tǒng)由多個(gè)具有相同本征頻率的物體構(gòu)成，能量只在系統(tǒng)中的物體間傳遞，與系統(tǒng)之外的物體基本沒(méi)有能量交換，在達(dá)到共振時(shí)，物體振動(dòng)的幅度達(dá)到最大。基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)是耦合模型理論(CMT)。在耦合模型理論中，對(duì)于由兩個(gè)物體1和2構(gòu)成的共振系統(tǒng)，設(shè)兩個(gè)物體的場(chǎng)幅值分別為口，(t)和口：(t)，在無(wú)激勵(lì)源的情況時(shí)，對(duì)一個(gè)存在損耗的系統(tǒng)，系統(tǒng)滿足方程口】【引：墮：一i(∞，一譏)口。+眠d

5、——t=一‘‘∞l一‘』l，口l+‘詹口2墮：一i(∞：一i廠：)口：+i玩。d——t2一‘【∞2一‘』．2)口2+‘Jc口1(2)式中，∞，、∞：是各自的固有頻率，廠，、幾是固有損耗率，取決于物體的固有(吸收，輻射等)的損失，屜是耦合系數(shù)。用矩陣形式表示即為：譬=一iB口(3)，。一、’，鼽n制止㈦0》對(duì)于共振系統(tǒng)，具有相同的共振頻率，可以認(rèn)為收稿日期：2010-01-10．作者簡(jiǎn)介：黃輝(1986．)，男，江蘇籍，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶艡z測(cè)、無(wú)線電能傳輸技術(shù)；黃學(xué)良(1969-)，男，浙江籍，教授，博士，主攻新型能量轉(zhuǎn)換裝置、電磁場(chǎng)數(shù)值分析理論

6、及應(yīng)用研究、電力電子等。萬(wàn)方數(shù)據(jù)第1期黃輝，等：基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究33∞l=∞2=∞。，廠。=，2=F，于是可求解得到B的特征值，即系統(tǒng)的固有頻率Ca)=∞o—iF±露(4)可見(jiàn)，由于耦合的關(guān)系使系統(tǒng)的固有頻率分開(kāi)，之間的差別為2_

7、}。假設(shè)t=0時(shí)，已知口，(0)值，且口：(0)=0，代人∥‘，為簡(jiǎn)化計(jì)算，當(dāng)I

8、}>>廠時(shí)，可以忽略損耗，求得在物體1、物體2中所含能量表達(dá)式為fWl(t)=口l(O)2COS2kt(5)【塒2(f)=口l(0)2sin2肌(6)可見(jiàn)，兩物體能量的交換最小損失發(fā)生在t=們r(jià)／2k這一時(shí)刻。耦合

9、系數(shù)后體現(xiàn)了系統(tǒng)的兩物體之間傳遞能量的速率，當(dāng)．i}>>廠時(shí)，在t=lr／2k這一時(shí)刻，除了比較小的損耗外，能量比較理想地由物體1完全傳遞到物體2。2．2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停诖艌?chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸裝置系統(tǒng)模型如圖2所示。圖1無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．ISystemarchitectureofwirelesspowertransfer其中，高頻電源由高頻振蕩電路與功率放大電路組成，高頻振蕩電路產(chǎn)生與發(fā)射裝置所需諧振電流的頻率相同的正弦信號(hào)，經(jīng)功率放大電路將信號(hào)功率放大，通過(guò)一個(gè)線圈將能量感應(yīng)到發(fā)射裝置中。發(fā)射與接收裝置實(shí)為兩個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的天線。發(fā)射天線中感

10、應(yīng)得到的交變電流，在其周圍產(chǎn)生相同頻率的交變磁場(chǎng)，從而在接收線圈中