基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究97297new

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1、第30卷第1期電工電能新技術(shù)Vol.30，No.12011年1月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyJan.2011基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸發(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、接收裝置是實現(xiàn)無線能量傳輸?shù)暮诵牟糠?。本文從磁場的角度對發(fā)射與接收天線的轉(zhuǎn)換效率進行分析，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天線的參數(shù)進行選擇，以達到最優(yōu)效果的傳輸。最后搭建實驗平臺，改變天線的參數(shù)，

2、通過實驗驗證理論的分析。理論及實驗表明發(fā)射、接收線圈的匝數(shù)及線圈半徑的大小對傳輸效率有重要的影響。關(guān)鍵詞:無線能量傳輸;諧振;天線;效率中圖分類號:TM133文獻標識碼:A文章編號:1003-3076(2011)01-0032-04受到空間障礙物的影響。1引言2基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸擺脫有形輸電介質(zhì)的束縛，實現(xiàn)電力的無線傳輸這一設(shè)想并不是一個新的研究課題。早在上世紀2.1工作原理初，NikolaTesla就曾耗費大量的時間與精力研究包共振系統(tǒng)由多個具有相同本征頻率的物體構(gòu)括無線傳輸在內(nèi)的各種長距離電力傳輸技術(shù)，雖然成，能量

3、只在系統(tǒng)中的物體間傳遞，與系統(tǒng)之外的物由于技術(shù)、資金等各方面的問題導(dǎo)致最終實驗失敗，體基本沒有能量交換，在達到共振時，物體振動的幅卻給后人留下了許多有價值的參考信息。2007年度達到最大。MIT的科學(xué)家在電能無線傳輸原理上有了突破性進基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)展，他們利用電磁諧振原理實現(xiàn)了中距離的電能無是耦合模型理論(CMT)。在耦合模型理論中，對于線傳輸，成功地在2m多距離內(nèi)將一個60W的燈泡由兩個物體1和2構(gòu)成的共振系統(tǒng)，設(shè)兩個物體的［1］點亮。電能的無線傳輸再一次被人們所關(guān)注。場幅值分別為a1(t)和a2(t)

4、，在無激勵源的情況利用傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)原理進行無線傳輸?shù)募夹g(shù)［2］［3］時，對一個存在損耗的系統(tǒng)，系統(tǒng)滿足方程:已為人所熟知，并且在一些場合得到應(yīng)用，然而利用daì1這種方法，傳輸距離比較短，傳輸?shù)墓β室埠苄。?］;??=－i(ω1－iΓ1)a1+ika2(1)dtí曾有人想過利用已經(jīng)普及的無線網(wǎng)絡(luò)進行電力傳da??2=－i(ω－iΓ)a+ika(2)輸，事實上這也是不可取的，利用這種全向型的天線?dt2221進行發(fā)射傳送，盡管發(fā)射功率可以達到數(shù)十千瓦，然式中，ω1、ω2是各自的固有頻率，Γ1、Γ2是固有而每臺接收機接收到的能量甚微

5、，效率太低，很不實損耗率，取決于物體的固有(吸收，輻射等)的損失，用。k是耦合系數(shù)。用矩陣形式表示即為:基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸，實際上是da=－iBa(3)將磁場作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，通過共振建立發(fā)射與接收dt裝置之間的傳遞通道，從而有效地傳輸能量。利用a1ω1－iΓ1－k其中，a=()，B=()。這種方式進行能量傳輸，不但可以提高傳輸?shù)墓β蔭2－kω2－iΓ2與效率，同時可以將傳輸?shù)木嚯x提高到幾米而不會對于共振系統(tǒng)，具有相同的共振頻率，可以認為收稿日期:2010-01-10作者簡介:黃輝(1986-)，男，江蘇籍，碩士研究生，

6、主要研究方向為電磁檢測、無線電能傳輸技術(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、電磁場數(shù)值分析理論及應(yīng)用研究、電力電子等。第1期黃輝，等:基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究33ω1=ω2=ω0，Γ1=Γ2=Γ，于是可求解得到B的特裝置在建立聯(lián)系之后，均達到自諧振狀態(tài)，同時只考征值，即系統(tǒng)的固有頻率慮線路的集中參數(shù)，并不計算雜散參數(shù)對電路的影ω=ω0－iΓ±k(4)響。其等效的電路模型如圖3所示。可見，由于耦合的關(guān)系使系統(tǒng)的固有頻率分開，之間的差別為2k。假設(shè)t=0時，已知a1(0)值，

7、且a2(0)=0，jωt代入e，為簡化計算，當(dāng)k>>Γ時，可以忽略損耗，求得在物體1、物體2中所含能量表達式為22w(t)=a(0)coskt(5){1122圖2等效電路模型w(t)=a(0)sinkt(6)21Fig.2Equivalentcircuitmodel可見，兩物體能量的交換最小損失發(fā)生在t=π/2k這一時刻。耦合系數(shù)k體現(xiàn)了系統(tǒng)的兩物體圖中Us為發(fā)射線圈感應(yīng)得到電壓，RtRr為發(fā)之間傳遞能量的速率，當(dāng)k>>Γ時，在t=π/2k這射、接收線圈等效電阻，LtLr為發(fā)射、接收線圈等效一時刻，除了比較小的損耗外，能量比較理想

8、地由物電感，Ll為單環(huán)線圈等效電感，CtCr為發(fā)射、接收線體1完全傳遞到物體2。圈等效電容，RL為負載電阻，d為兩天線線圈之間2.2實驗?zāi)Ｐ偷木嚯x?；诖艌鲋C振耦合的無線電力傳輸裝置系統(tǒng)模設(shè)發(fā)射線圈中電流為It，在近場區(qū)，圓環(huán)軸線上型如圖2所示。距