人翻译)基于强耦合的共振无线能量传输

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1、基于强耦合的共振无线能量传输最早出版于《科学快讯》2007年6月7日2007年7月6日,科学期,317页.5834。83-86我们使用强耦合系统的自谐振线圈实现了8倍于振荡器半径的中等距离内的高效非辐射能量传输。实现了在超过2米距离传输60W功率的效率达到%40。我们设计了合理的能量传输模型（误差在%5以内），并且讨论了该系统的实用性、确定了进一步的研究方向。1物理学系，麻省理工学院，剑桥，硕士02139，美国。2电气工程与计算机科学系，麻省理工学院，剑桥，硕士02139，美国。3物理与核科学实验室系，麻省理工学院，剑桥，MA

2、02139，美国。电子邮箱：akurs@mit.edu早在20世纪初，电力网络之前，NikolaTesla已经在无线能量传输技术上花费了大量心血，然而，局限于标准的（如特士拉线圈）满足不了大的电厂的需求，而淡出人们的视线。随着近十年来，激增的自动化电子设备的使用（例如笔记本电脑、~~PDA）无线能量传输重新兴起。辐射传能虽然完全适用于信息传输，但是应用于能量传输则存在一些问题：如果是全方位的辐射传输效率就很低，而单向辐射则需要一种不易受干扰的成熟的实时跟踪机制。在最近的一篇论文里提出了关于能量传输的的详细方案。显然，在两个具有

3、相同频率的振荡器之间能进行高效的能量交换，而极少受近场不相干振荡器的影响。在耦合震荡系统中（例如声、电、磁、核），通常也是利用强耦合来实现的。如果通过强耦合系统进行能量传输，那么其传输效率是可观的。使用强耦合共振系统能确保能量在空间传输过程中不易受干扰且损失极小，进而实现全方位的、高效的中场能量传输。上述的设计理念忽视了共振的物理本质，而着重于它的一个物理特征：磁性共振。因为大多数的常见材料与磁场间没有相关联系，所以磁性共振特别适用于日常应用。通过探究在MHZ频率下非辐射（近场）磁性共振感应，我们能识别在耦合共振系统中发生强耦

4、合的两个共振体。表面上。这样的能量传输使人联想到使用磁感应，然而，在中场距离通过普通的非振荡感应传输能量的效率是很低的。理论概述：有效的中场能量传输发生在两个特定参数的强耦合共振体之间，用耦合模型来描述这种物理系统，得到如下线性方程：公式里的的参数表示不同的谐振体，我们定义变量am（t），物体的能量即为

5、am(t)

6、2，m表示独立物体的振荡角频率，也表示物体内在的衰变率（如由于被吸收和辐射的能量的损失），在这个系统中，物体从之前没有耦合和驱动时的参数0-0变为exp{it0-it0}，下标mn=nm表示两个物体之间共振时的耦合

7、系数。Fm（t）表示驱动项。我们设计两个物体间的传输方案，把它们分为驱动源和接收器。驱动源（S）有一个特定的驱动频率，并且与接收器有同一个共振频率系数。功从接收器（D）传向与之相连的负载（比如电路中的负载阻抗），，比之无负载设备消耗功率D额外又消耗了W，因此，接收系统的整体功率消耗率为D`=D+W。能量传输功率主要取决于负载所消耗的能量，即2W

8、aD(t)

9、2，因此提高能量传输效率主要是负载所消耗的能量Eq即解决阻抗匹配问题。实验证明：系统传输能量的最佳工作状态是驱动源与接收器共振时，这时传输功率为：当W/D=[1+(2/SD

10、)]1/2时的传输效率最大。显然，提高能量传输效率的关键是使2/SD>1，即强耦合。比之电感耦合非共振体之间的能量传输效率提高了约2/D2（在106典型参数的情况下），而共振起着至关重要的作用。自谐振线圈的理论模型：实验是由两个自谐振线圈组成的系统。其中一个线圈C（驱动源线圈）与振荡器相耦合，另外一个线圈（接收器振荡线圈）与负载耦合（图1）。自谐振线圈依靠分布电感与分布电容之间的相互作用实现共振。其中，线圈由长l的电子导线绕成n匝的螺旋体，半径r，高h。至今，仍然没有关于有限长线圈螺旋结构的确切的理论。而我们关于解决无限长线圈

11、的方案所依附的假设仍有缺陷。即使这样，我们发现简单的静态模型描述的与我们的实验结果相当一致（误差在%5以内）。Fig.1.Schematicoftheexperimentalsetup.一个由半径25cm的铜环组成的驱动电路，可以输出频率9.9MHZ的正弦波。图中，S和D分别为驱动和接收线圈（与负载直接相连的输出—灯泡）。各个物体间的直接耦合如图中箭头所示。调整线圈D与A的角度，以确保它们之间的直接耦合为0，再调整线圈S与D对齐，这样B与A、B与S之间的耦合就可以忽略不计了。实验开始时线圈两端的电流必须为0，我们猜测线圈的共振

12、模型与导线长度大约成正弦关系。我们对最低的这个模式感兴趣，因此，我们用s这个参数来表示，沿着导体的长度协调，使它在-1/2—1/2之间运行，然后，当前的时间剖面有如下形式：I0cos(s/l)exp(it)。由此得出电荷的连续性方程，线性电荷密度剖面的形式是I0sin(s/l