共振耦合電能傳輸原理研究

馬進 丁斌 王勇 葛偉 康鐵峰/國網冀北電力有限公司張家口供電公司

共振耦合電能傳輸原理研究

馬進 丁斌 王勇 葛偉 康鐵峰/國網冀北電力有限公司張家口供電公司

在電磁學研究的早期，有線電力網還沒有建立，曾經有很多人致力于建立遠距離無線電力傳輸。這些努力獲得了部分的成功。全向的電磁輻射模不適合這樣的能量傳輸，因為大部分能量在自由空間浪費了。使用激光或高頻天線的定向輻射模式，可有效地傳輸能量，即使是在遠距離的情況下。然而，定向輻射模式要求一個無阻擋的直線空間和復雜的定向跟蹤系統。近年來迅速發展的獨立工作的電子產品應該重新審視調查這個問題。

無線電力傳輸；共振耦合；傳輸效率；強耦合

一、引言

由于現有的電力線網幾乎無處不在，中距離的電力傳輸是非常有用的。現有的產品機制是依靠磁感應近場，其有效工作距離太近或者是傳輸能量太低。相對于上述的方法，我們研究了使用長壽命的共振電磁模式，其近場模式是緩慢消失模。這種模式可以有效地進行中距離無線能量傳輸。該方法是基于眾所周知的共振耦合原理，電磁場消逝模的耦合共振尤為明顯。這也將毫無疑問地導致兩個近場物體的有效耦合。然而，這些解釋遠遠沒有搞清楚在中距離的情況下的物理機制。據我們所知，沒有文獻解釋幾倍于物體間最大尺寸的能量傳輸問題。在這篇論文中，我們詳細的理論和數值分析表明，這種高效的中距離無線能量交換可以實現，只要采取合適方式，使設計系統工作于“強耦合”模式，同時能量傳輸和消耗在非共振物體上的盡可能少。

二、耦合率和耦合范圍

沿著共振磁場切片圖疊加（紅/白/蘭分別代表正/零/負電場）。表：對于波長、吸收、輻射和總損失率的FEFD計算結果。對于兩種不同的亞波長環共振模式。

三、傳輸的效率

讓我們再次考慮共振源s和設備d在外部物體e存在的情況下，從新研究共

是系統中對目標設備的擾動損失率，類似于我們定義的對源設備的擾動率。不同的瞬態機制可以被用來提取能量（例如穩態連續波，周期性的瞬態波提取等）。他們的效率由于復合系統參數的不同而不同。這里，我們假定穩態情況，例如接收設備場幅度是變化的時間平均能力是：

從能量轉換的角度看，進入系統的時間平均能量：

請注意，反射能量，這種經常出現在系統和電路中的能量，在共振中被取消，并且不影響能量平衡計算。工作效率是：

四、總結

總而言之，我們提供了基于“強耦合”共振的機制用于中距離無輻射能量傳輸。盡管我們的考慮是基于靜態圖形，所有的結果可以被直接用于移動物體的動態問題，因為能量傳輸時間K-1（1-100uS對于微波應用）比任何宏觀物體的運動都短。本文對于基本幾何形狀的共振分析已經取得了令人鼓舞的結果，進一步優化形狀可以期望獲得更優的結果。這為很多應用提供了可能。

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圖1 半徑為r的金屬環連接距離為d的平行板（黃色）

圖2 兩個距離為D的相同負載金屬環（黃色）

圖3 效率關系