關于磁耦合諧振式無線電能傳輸分析

楊 赫

（沈陽農業大學，遼寧 沈陽 111000）

關于磁耦合諧振式無線電能傳輸分析

楊 赫

（沈陽農業大學，遼寧 沈陽 111000）

磁耦合諧振式是一種無線電能傳輸系統，可以最大程度使無線電能傳輸技術發揮出來。磁耦合諧振式是利用空間線圈感應原理和等效電路分析原理，能夠更好地分析出電壓頻率曲線以及電能傳輸情況。此外，根據空間分配原理，合理擺放空間線圈，分析出空心線圈數值與方向的關系，提出無線電能過耦合、臨界耦合和欠耦合3種狀態。文章以有關實驗為基礎，與其他實驗結果進行比對，具體得出無線傳輸電能的現實性狀態，并且提出有關建議。

無線電能傳輸；磁耦合諧振；具體分析

磁耦合諧振無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）技術是當今世界應用最廣泛的無線電傳輸技術之一。磁耦合諧振無線電能傳輸技術具有傳輸距離遠、高效快捷以及不帶有任何輻射的特點。具體來說，磁耦合諧振是以電磁場理論為依據，設計出多個相同諧振頻率、高品質因數的電磁諧振系統，從而實現遠距離，便捷的無線電能傳輸。但是，現在磁耦合諧振傳輸技術依然處于起步階段，大量問題還沒有解決。本文具體分析了磁耦合諧振式的無線電傳輸技術的原理和模型結構，闡述國內外發展情況以及應用發展領域。

1 工作理論以及模式類型

1.1 工作理論依據

第一，信號產生系統產生功率較大的電流，為整個無線電傳輸提供系統的動頻率系數，形成正弦信號。之后產生的無線電傳輸信號經過相關設備傳導到電源線之上，這個時候原有的電源設備之上就形成高強度的電磁場，產生諧振的現象。第二，電源線圈發生諧振現象并且形成電磁場之后，兩者之間產生的電磁場的能量就會發生能量的轉換，而在這一過程之中會有一部分的電磁能傳輸到接收端的負載線圈中，而接收端的負載線圈使用的部分電流，致使無線電能量可以傳輸到信號的終端。第三，在無線電的終端，電磁場中的能量和負載線圈之中的磁能之間的交換也是以諧振波震動為基礎的，最終將無線電能量傳輸給負載的終端。

1.2 具體模型結構

無線電能傳輸模型結構是以兩個諧振單元為基礎構建的現代電能傳輸系統，被稱作無線電能傳輸的基本結構，也成為兩線圈模式。但是如果技術人員在兩線圈結構之上，又增加一個中線圈就被稱為三線圈結構，也是較高層次拓撲結構，第三，技術人員根據實際情況需求，有時會在基本的諧振線圈基礎之上增加兩種感應線圈，構建最高層次的4線圈模式。

2 國內外研究和發展情況

2.1 模型建造和無線電輸出研究

目前磁耦合諧振WPT技術模型架構以及無線電能傳輸主要有兩種方法。首先，耦合模型建構理論。這種方法首先需要技術人員建構耦合方程，建構獨立的數據傳輸鏈條，然后就可以根據數據鏈條技術無線電的能量傳輸。根據磁耦合諧振WPT的方程式顯示，諧振線圈電能傳輸的浮動值a，就可以分析出耦合方程之間的能量最大轉換數值，從而確定無線電能的發送與接收裝置之間最合理的能量裝換數值，從而實現無限電能的高效傳輸。現在某些學者通過建構數學模型，使用高等數學的運算法則，分析出諧振頻率震動的變化函數，從而對無線電能傳輸進行有效控制。此外，另外一些學者使用耦合模型理論研究WPT 技術，分析其中的數據和信息，構建出平面諧振系統的數據圖形，從而指導實際的磁耦合諧振WPT系統的構建。其次，感應耦合模型建構理論。這種方法是以感應物理學為理論基礎，研究無線電能量的接受設備的各種信號參數并且構建出等效電路數據圖形。等效電路構成的無線電能傳輸的方程組，并且依據高等數學的法則解出無線電傳輸的頻率和速率，分析出磁耦合諧振WPT系統的能量傳輸特點。

2.2 天線接受結構研究

無線電能量的接收裝置是磁耦合諧振WPT系統的關鍵組成部分，是保證無線電能量傳輸高效率的保證。無線電能量的天線接收裝置按照其線圈數量不同以及諧振種類不同，具體分為兩大類，包括對稱發射接收天線、非對稱發射接收天線。兩種無線電能量接收裝置要分別匹配諧振線圈的3種模型結構，分別是二維空間螺旋模式、立體圓柱形線圈模式、圓環式構造線圈結構。此外，無線電能量的天線接收裝置和諧振電量容納機構匹配和構成方式也是當今學術領域研究的重點，并且有關學者還設計出單線圈諧振圓環模式和柔性圓環諧振線圈兩種新型的諧振線圈結構。此外，有關學者還通過對WPT諧振線圈的結構進行分析，得出系統諧振波動頻數與線圈工作頻數大致相等的時候，無線電能量傳輸最為高效。

2.3 系統控制方式研究

無線電能量傳輸受距離和負載影響較大，因此為保證無線電能量傳輸的時刻保持最高效的狀態，需要對磁耦合諧振WPT系統進行時時調控。目前，無線電能量傳輸的調控手段主要包括頻率調控方式和阻抗匹配調控方法。第一，頻率調控方式。這種方式有3種理論研究內容。首先，由美國著名大學內的研究機構提出的利用有關設備計算出頻率在受到傳輸距離以及負載的影響之下，產生的波動數值。然后與可以使無線電能量傳輸最大功率的諧波振動頻率進行比對。若果實際較弱，就提高諧波振動的頻數，防止則較少震動頻數。其次，韓國頂級三星研究機構發明出諧波振動頻數自適應系統，可以對諧波頻數進行自動調節。最后，東南大學的黃學良教授根據高等數學法則，構造諧波振動頻數的函數公式，根據函數公式可直接計算出應調整的諧波振動的頻數，簡潔方便。

3 應用現狀以及發展方向

3.1 應用現狀

磁耦合諧振WPT技術是最先進的一種無線電能量傳輸技術，可以保證無線電能量傳輸的高效和簡潔。因此在社會生活之中應用范圍廣泛，并且主要集中于電車、醫療器械、電子行業等幾個領域。首選，電車領域。磁耦合諧振WPT技術可以進行遠距離的無線電能量傳輸，并且十分高效、便捷，可以擴大電車活動范圍。美國著名科研機構通過對磁耦合諧振WPT技術的無線電傳輸的實驗發現，WPT系統可以在30米的范圍之內進行無差別的電能傳輸，而且傳輸有效率達到驚人的95%。其次，醫療器械領域。磁耦合諧振WPT技術的無線電接收裝置可以根據實際需要進行設計，十分適合醫療電子設備的充電使用。新加坡微型電子設備研究機構就依據這樣的設計理念，設計出一種衛星醫療設備的無線電充電裝置，這種新型的磁耦合諧振WPT系統，可以快速地對醫療器械進行充電，并且更加簡潔，同時材料十分充分，成本低廉，可以進行大規模地批量生產。最后，電子領域。磁耦合諧振WPT技術屬于一種先進的無線電能量出書系統，能夠對不同類型的電子設備的進行充電，并且可以抵抗多種磁場的壓力具有廣闊的應用前景。日本行業巨頭東芝集團的研發機構，就利用磁耦合諧振WPT系統開發出各種高端電子設備的充電裝置，占據廣闊的市場，促進了公司的發展。

3.2 未來發展方向

磁耦合諧振WPT技術雖然已經得到不斷地完善，但是依然具有廣闊的探索領域。以下就是磁耦合諧振WPT技術應該拓展的幾大領域。第一，設計大功率的電源供給裝置。目前，磁耦合諧振WPT系統的電源功率較低，不能滿足某些社會行業的工作需要，使其應用范圍受到限制。第二，制定嚴格的行業規范。隨著磁耦合諧振WPT技術不斷向前發展，其必將走向產業化的道路。第三，營造安全的WPT電磁環境。磁耦合諧振WPT系統本質也是一種電磁設備，其具有非常巨大的電磁輻射，對人類的身體會產生一定的損害。第四，實現WPT系統智能化管理。目前磁耦合諧振WPT技術的應用需要人工進行操作，由此產生諸多的問題，要想解決這些問題就必須實現磁耦合諧振WPT系統的智能化管理，實現無人操控。一旦磁耦合諧振WPT系統實現智能化操作，具有自動識別和監控的能力并且可以和數據網絡系統對接，就可以實現更大規模的推廣，徹底走向產業的話的道路。

4 結語

磁耦合諧振無線電傳輸技術是一種先進、高效的電能傳輸技術，具有十分巨大的發展潛力。磁耦合諧振無線電傳輸技術相對其他無線電傳輸技術具有明顯的優勢，尤其是在距離、速度、效率等方面的優勢更加明顯。本文詳細闡述磁耦合諧振無線電傳輸技術的使用原理和基本模型結構，同時總結國內外關于磁耦合諧振的無線電能傳輸技術的發展情況，提出無線電能應用技術在醫療、教育、航天、電子信息技術方面的應用。最后，希望有關技術人員加快技術創新，促進磁耦合諧振無線電能技術向更好的方向發展。

[1]商和龍.基于磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的分析與設計[D].濟南：山東大學，2013.

[2]史繼翠.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統建模及優化分析[D].湘潭：湘潭大學，2013.

Analysis on the wireless power transfer of magnetic resonances

Yang He
（Shenyang Agricultural University, Shenyang 111000, China）

Magnetic resonances is a kind of wireless transmission system, which can take best advantage of the wireless power transfer technology. Magnetic resonance adopts the principle of the coil induction in space and the equivalent circuit analysis,which can better analyze the frequency curve of voltage and power transmission. In addition, according to the principle of spatial distribution, it puts space coil in suitable place, analyzes the relationship between the numerical value and direction of air-core coil, proposes three states of the wireless power：coupling, critical coupling and under-voltage coupling. In addition, based on the related experiment,we also compare with other experimental results,specifically get the practical condition of wireless transmission electricity , and put forward some relevant suggestions.

wireless power transfer; magnetic resonances; specific analyses

楊赫（1990— ），女，遼寧遼陽，碩士；研究方向：農業電氣化。