無線電力傳輸的原理及應用

邱 紅（廣東省東莞市聯升電線電纜有限公司，廣東 東莞 523920）

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無線電力傳輸的原理及應用

邱 紅
（廣東省東莞市聯升電線電纜有限公司，廣東 東莞 523920）

摘 要：電力是現今應用最為廣泛的基礎性能源，在電力的輸送中主要使用線纜進行傳輸，隨著電子技術的不斷發展，各種電子設備被應用于生產、生活中，其中所使用的大量的線纜嚴重困擾著電器設備的發展，在無線電力傳輸技術不斷研發的同時，做好對于無線電力傳輸技術的應用是現今乃至今后一段時間電力傳輸技術發展的重點，本文將在分析無線電力傳輸技術原理的基礎上對如何做好無線電力傳輸的應用進行分析。

關鍵詞：無線電力傳輸；電磁感應；電磁共振；微波

無線電力傳輸是現今電力傳輸技術的重點也是熱點，無線電力傳輸主要利用的是無線電來實現對于電力能源的傳輸，無線電從發展至今主要用于傳播手機、廣播、電視等信號，而無線電力傳輸則要求對電力進行無線傳輸，兩者傳輸的原理相同，但在無線電中負載的能量不同，其中無線通信主要看中的是負載在無線電波中的信息，在接收端將所搭載的信息篩選出來即可，而無線電力傳輸則傳輸無線電波中所負載的能量，在提高傳輸距離的基礎上要求較高的能源傳輸效率，以滿足對于電力傳輸的需求。

1 無線電力傳輸發展的歷史

無線電力傳輸這一想法在200多年前就已經誕生了，但是受制于當時的技術研發水平以及成本的限制使得無線電力傳輸這一技術發展較為緩慢，早在1836年，英國科學家尼古拉斯卡蘭在研究中發現了電磁感應線圈這一電磁現象，在電力傳輸中通過改變一個線圈中的電流將會使附近另一個線圈的兩端產生火花，之后麥克斯韋通過不斷的研究，總結出一組嚴謹、簡潔的方程，建立起了一套完整的電磁理論體系，從而為做好電磁的利用奠定了一個良好的開端。經過不斷的研究，1888年，德國科學家赫茲在總結驗證電磁波的基礎上為促進無線電的誕生打下了良好的開端。無線電力傳輸最早是由尼古拉斯所發明的，其主要是將現在的低頻高壓電流轉化為高頻電流，而后將空氣作為媒介來完成對于高頻電流的傳輸，這一采用無線電來進行電力傳輸的構想不但能夠方便地對電力進行傳輸，而且能夠節省下大量線纜的成本，同時也提高了電力傳輸的效率，特斯拉為驗證其無線電力傳輸的構想，在紐約的長島建立了名為特斯拉線圈的電力發射塔，并試圖以地球本身和大氣電離層作為導體來進行電力的無線傳輸，但是這一嘗試后因資金短缺而未能實現。時至今日，為了實現電力無線傳輸這一偉大的構想，各國都加大了對于無線電力傳輸技術的研發力度，并已經初見成效。

2 短距離的電磁感應的無線電力傳輸

現今，短距離的無線電力傳輸主要是利用電磁感應原理來實現的，其原理如圖1所示。無線電力傳輸是通過電磁耦合的形式來進行的，通過在線圈中施加交變電流，根據電磁原理可以在線圈的周邊形成一個交變的磁場空間，根據電磁感應原理在接收端中通過感應電勢用以實現在接收端形成電流。這種依靠電磁感應來進行短距離傳輸的無線電力傳輸技術其最主要的傳輸效率依靠的是發射端和接收端之間的耦合系數和品質因數，需要在不斷的研發中改進無線電力傳輸技術，使無線電力傳輸的發展應用成為可能。

電磁感應在進行無線電力傳輸中最早應用的是電動牙刷，通過在電動牙刷內部放置一個接收線圈，使得當牙刷放置在充電插座上時可以通過磁耦合原理來對電動牙刷的電池進行充電。而現今使用較多的充電墊也是利用這一原理，通過在充電墊內密布小型線圈陣列，從而在其周邊建立起一個充電的磁場，實現磁場范圍內充電功能，同時由于充電墊所產生的磁場較弱，因此在利用充電墊對電子產品進行充電時不會對周邊的電磁物品造成影響，這種接觸式無線電力傳輸技術具有成本較低、結構簡單、安全可靠的優點，但是其發送的功率較低，且能夠傳輸的距離較短，現今主要被應用于對小型便攜式電子設備的充電中，需要在以后的研發中開發充電距離更遠、功率更好的傳輸設備。

3 中程的電磁耦合的無線電力傳輸

圖1 無線電力傳輸電磁耦合原理

圖2 磁共振式無線充電技術的原理圖

在中遠距離上進行的無線電力傳輸主要依靠的是電磁共振耦合的原理，其主要是利用非輻射磁場來實現的，這一中程指的是無線電力傳輸的最遠距離能夠達到電磁感應線圈半徑8倍及以上的距離，而超出這一距離，其傳輸效率與傳輸功率將隨著距離的增大而在不斷的衰減。為實現這一原理，需要采用兩個線圈，這兩個線圈一個是發射裝置，其通過與電源部分進行相連，通過自振來向周邊發射電磁波，從而在線圈周邊形成一個非輻射的電磁場，而后接收端在其接收到與自身頻率相同的電磁波時則需完成從電磁場到電能的轉換，通過這一過程即可完成電能的高效傳輸。

4 遠程的微波、激光的無線電力傳輸

通過對無線電波的研究，無線電波的波長的長短與其定向性成反比，為提高電波的定向性多采用的是短波的形式，同時為了實現對于無線電力的遠距離傳輸，采用微波或是激光的形式來加以實現對于實現新能源的利用與傳輸有著十分重要的意義。各國都加大了在這一方向上的研究，都將研究方向放在了通過在太空中建立太陽能發電站來實現對于太陽能的采集和發電，而后采用無線電波、激光等的方式來對電能進行遠距離的無線傳輸，將其傳輸回地面，從而實現對電能的高效利用。這一無線電力傳輸還有許多的技術問題急需解決，整個項目仍處于構想階段。

5 無線電力傳輸技術發展應用現狀

困擾無線電力傳輸技術最主要的就是無線電力傳輸的距離和傳輸的功率及效率，經過不斷的研究和發展，現今在短距離的無線電力傳輸中電力傳輸的最高效率能夠達到80左右，最近，俄羅斯圣彼得堡大學的研究人員推出一種新的無線電力傳輸（WPT）系統，通過此系統，最高可以確保在20cm的范圍內實現高達80%的電力傳輸效率，而超出這一范圍后其隨著距離的增加，無線電力傳輸的效率降低幅度較小。這種新技術基于共振耦合原理，在同一頻率的線圈共振條件下，一個共振的銅線圈可以轉移能量到另一個二次諧振的銅線圈，且要求附近沒有相同共振頻率的其他物體，以保證其不受影響。同時，此種技術的安全性較高。

現今無線電力傳輸技術應用最多的領域主要是便攜設備等無線充電，通過采用無線電力傳輸能將原先大量繁多的導線等都予以去除，從而方便快捷的實現對于電力的傳輸。現今，在無線雙肩包充電領域中主要分為電磁感應式、磁共振式以及無線電波、電場耦合式等多種形式，這幾種形式都具有各自的特點和應用的范圍。現今在無線充電中應用最為廣泛和成熟的主要是電磁感應式無線充電技術，其最主要的原理與變壓器相似，通過交變電流所產生的磁場而使得在磁場中的另一線圈在一定的頻率下產生電流，從而實現電能的無線傳輸，這種技術多應用于小型設備的電力傳輸。磁共振式無線充電技術的原理與聲音共振的原理相同它是能夠在電動汽車無線充電領域發揮重要作用的一種充電技術，磁共振技術的無線充電示意圖如圖2所示。

結語

隨著技術的不斷進步與發展，無線電力傳輸技術將得到更為廣泛的發展與應用，無線電力傳輸技術將使人們擺脫有線充電所帶來的束縛，獲得更為便捷的充電服務，無線電力傳輸具有非常廣泛的應用前景，需要我們在不斷的研究中充分挖掘，更好的服務于社會。

參考文獻

［1］楊成英，陳勇.中程距離無線輸電的實現［J］.科技信息，2009（03）.

［2］曾翔.無線電力傳輸技術的研究［J］.硅谷，2010（10）.

［3］王毅君.關于數字家電用無線電力傳輸電源的若干研究［J］.中國新通信，2015 （11）.

中圖分類號：TP21

文獻標識碼：A