基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究.pdf

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1、万方数据第30卷第1期2011年1月电工电能新技术AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyV01．30，No．1Jan．201l基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究黄辉，黄学良，谭林林，丁晓辰(东南大学电气工程学院，江苏南京210096)摘要：发射、接收装置是实现无线能量传输的核心部分。本文从磁场的角度对发射与接收天线的转换效率进行分析，得到了天线的参数与效率之间的关系，从而可以有目的性地对天线的参数进行选择，以达到最优效果的传输。最后搭建实验平台，改变天线的参数，通过实验验证理论的分析。

2、理论及实验表明发射、接收线圈的匝数及线圈半径的大小对传输效率有重要的影响。关键词：无线能量传输；谐振；天线；效率中图分类号：TMl33文献标识码：A文章编号：1003．3076(2011)01-0032-041弓1-'-受到空间障碍物的影响。摆脱有形输电介质的束缚，实现电力的无线传输这一设想并不是一个新的研究课题。早在上世纪初，NikolaTesla就曾耗费大量的时间与精力研究包括无线传输在内的各种长距离电力传输技术，虽然由于技术、资金等各方面的问题导致最终实验失败，却给后人留下了许多有价值的参考信息。2007年MIT的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展，

3、他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输，成功地在2m多距离内将一个60W的灯泡点亮⋯。电能的无线传输再一次被人们所关注。利用传统的电磁感应原理进行无线传输的技术已为人所熟知，并且在一些场合得到应用，然而利用这种方法，传输距离比较短，传输的功率也很小¨。；曾有人想过利用已经普及的无线网络进行电力传输，事实上这也是不可取的，利用这种全向型的天线进行发射传送，尽管发射功率可以达到数十千瓦，然而每台接收机接收到的能量甚微，效率太低，很不实用。基于磁场谐振耦合的无线电力传输，实际上是将磁场作为传输的介质，通过共振建立发射与接收装置之间的传递通道，从而有效地传输能量

4、。利用这种方式进行能量传输，不但可以提高传输的功率与效率，同时可以将传输的距离提高到几米而不会2基于磁场谐振耦合的无线电力传输2．1工作原理共振系统由多个具有相同本征频率的物体构成，能量只在系统中的物体间传递，与系统之外的物体基本没有能量交换，在达到共振时，物体振动的幅度达到最大。基于磁场谐振耦合的无线电力传输的理论基础是耦合模型理论(CMT)。在耦合模型理论中，对于由两个物体1和2构成的共振系统，设两个物体的场幅值分别为口，(t)和口：(t)，在无激励源的情况时，对一个存在损耗的系统，系统满足方程口】【引：堕：一i(∞，一讥)口。+眠d——t=一‘‘∞l一‘』

5、l，口l+‘詹口2堕：一i(∞：一i厂：)口：+i玩。d——t2一‘【∞2一‘』．2)口2+‘Jc口1(2)式中，∞，、∞：是各自的固有频率，厂，、几是固有损耗率，取决于物体的固有(吸收，辐射等)的损失，屉是耦合系数。用矩阵形式表示即为：譬=一iB口(3)，。一、’，鼽n制止㈦0》对于共振系统，具有相同的共振频率，可以认为收稿日期：2010-01-10．作者简介：黄辉(1986．)，男，江苏籍，硕士研究生，主要研究方向为电磁检测、无线电能传输技术；黄学良(1969-)，男，浙江籍，教授，博士，主攻新型能量转换装置、电磁场数值分析理论及应用研究、电力电子等。万方数

6、据第1期黄辉，等：基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究33∞l=∞2=∞。，厂。=，2=F，于是可求解得到B的特征值，即系统的固有频率Ca)=∞o—iF±露(4)可见，由于耦合的关系使系统的固有频率分开，之间的差别为2_

7、}。假设t=0时，已知口，(0)值，且口：(0)=0，代人∥‘，为简化计算，当I

8、}>>厂时，可以忽略损耗，求得在物体1、物体2中所含能量表达式为fWl(t)=口l(O)2COS2kt(5)【埘2(f)=口l(0)2sin2肌(6)可见，两物体能量的交换最小损失发生在t=们r／2k这一时刻。耦合系数后体现了系统的两物体之间传递能量

9、的速率，当．i}>>厂时，在t=lr／2k这一时刻，除了比较小的损耗外，能量比较理想地由物体1完全传递到物体2。2．2实验模型．基于磁场谐振耦合的无线电力传输装置系统模型如图2所示。图1无线电力传输系统结构Fig．ISystemarchitectureofwirelesspowertransfer其中，高频电源由高频振荡电路与功率放大电路组成，高频振荡电路产生与发射装置所需谐振电流的频率相同的正弦信号，经功率放大电路将信号功率放大，通过一个线圈将能量感应到发射装置中。发射与接收装置实为两个具有相同结构的天线。发射天线中感应得到的交变电流，在其周围产生相同频率的交

10、变磁场，从而在接收线圈中