基于磁共振技术的无线供电应用探析

摘 要：本文阐述了磁共振无线供电技术的结构和原理；同时，梳理了磁共振无线供电技术的现实应用情况，并分析该技术的应用特点和对策措施；目的是为无线供电技术推广和发展探索提供一点思路。

关键词：磁共振；无线供电；应用探析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.102

1 无线供电概述

无线供电是一种安全便捷的新型供电技术，它不需要电气设备与电源有物理上的直接相连，电能就可微距离无连接地输送给用电器。终端用电设备通过无直接连接方式取得电能的途径称为无线供电，所获取的电能是经过电磁能量之间的转换而来，能够提供这种电能供应转换的装置叫做无线供电装置。这种想法从19世纪上半叶电磁感应现象被发现之后就已产生。无线供电的形式有多种，如电磁感应、电磁共振和微波供电等，只是有的无线供电装置构造复杂，体大笨重，使用不够方便，需要经过中间转换装置才能实现与终端设备相连。

近年来，国内外许多研究机构和公司相继研发出短距离和微距天线供电技术和产品，以满足各种产品的需要这些无线供电模块。他们根据用户需求陆续开发各种功率范围的充、供电模块以适用于更广阔的空间，其效率高、体积小巧、重量轻、低廉、使用寿命长、使用简单方便，还可在水下给电子产品供电、充电；只需将发射器接上电源，便可在一定的空间范围内实现电器产品的无线充电或供电功能。目前已可满足多种低功率家用电器供电需求。

2 磁共振原理与结构

无线充电技术发展至今，主要经历了磁感应和磁共振模式。在磁感应模式下，充电板和充电设备间必须紧密耦合，且只能一对一充电；而磁共振标准为松散耦合，提供极大的空间自由度，它可为不含金属的多台设备同时充电工作。

2.1 磁共振原理

电磁共振无线供电经历电能转化为磁能和再由磁能转化为电能的过程。2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林.索尔贾希克（Marin Soljacic）和他的研究团队利用“WiTricity”技术的原理发明了“磁耦合共振”。

磁耦合共振供电技术把发射端与接收端的电磁线圈制作成磁共振体系，如果发射方生成的振荡磁场频率与接收方预设的固有频率一致，则接收方就会出现共振现象，并完成了电磁能量传递。根据磁共振特点，电磁能量传递只会在这个磁共振体系内部发生，对共振系统以外的任何其它物体不会产生影响效果。若只有发送方电磁线圈装置，给它供电并不会向外界发送电磁波，只会在其周围产生一个非辐射形式的电磁场。发送方电磁线圈装置主要任务是激发接收方电磁线圈共振联络装置，并以较小能量损耗方式进行能量传输。在磁耦合共振过程中，其电磁场强度与地球磁场强度类似，并不会对人和其他设备产生不良影响。

2.2 磁共振结构

磁共振无线供电系统主要由电能输送模块与电能接收模块两部分构成。电能输送模块包括交流直流电源部分、基准电压部分、驱动结构、控制保护装置、功率放大输出部分、振荡结构以及发射电磁线圈等构成；电能接收模块由接收电磁线圈、供电负载和高频整流滤波装置等构成。其基本原理与电磁感应供电工作方式相类似，只是磁耦合共振供电方式增加了一个高频驱动电源装置，应用具有电磁线圈和电容器的LC共振电路，而不是用普通电磁线圈构成两个输送与接收电能模块。当电源输送单元接通电源时，就会产生交变磁束使电能接收单元产生电动势，给用电设备供电输出电流提供源源不断的电能。

磁共振频率的数值会跟随供电和接收模块之间的距离大小发生改变。若输送距离发生变化，输送效率也会像电磁感应现象一样快速变小。因此，可通过调整控制电路装置的共振频率，以使两个模块电路产生共振现象。在通过调节控制回路装置的输送与接收频率，可实现电能输送距离增加到数米；同时，把两模块电路的电阻减小到最小值可实现提高传送效率的效果。而且这种供电装置的传输效率还跟输送接收电能的模块直径有关，当传输面积变大，传输效率就越高。当前的传输距离能够实现40cm左右，输送效率大约90%左右。磁共振无线供电系统基本工作原理结构图，如图1所示。

3 磁共振无线供电的应用

近年来，以磁共振充电为核心的Rezence标准已开始深入人心。众多知名的电子生产商进军无线供电领域，继诺基亚推出首款具备无线供电功能的手机Lumia920后，三星、HTC、飞利浦、LG等相继推出具备无线供电功能概念手机，戴尔推出Latitude Z系列笔记本电脑、海尔则推出了以“无尾电视”、“家用无线供电书桌”等为代表的无线供电家用电器系列，惠州明天科技发明的三维无线电源可在一定的空间里同时对多个家用电器无线供电，供电对象可以在该空间内的地面上、桌面上，甚至天花板上，真正实现家居生活。

在日本，手机用户已可在东京等大城市的医院、连锁咖啡店使用无线充电。在北美，星巴克正在其连锁店中推广该项服务，加拿大的温莎机场和部分医疗中心均为等候人群提供无线供电服务。而在北京中关村的咖啡店里提供免费无线供电服务。

为加速的无线供电技术的推广及市场应用，无线供电产业链中的生产商、技术研发机构、集成商及终端应用商等，都积极参与其中，国际无线供电联盟（WPC）在大力开展国际标准应用推广，我国的通信、电子等相关行业部门也在牵头开展标准起草标准制定工作。

4 磁共振无线供电的特点与应对措施

利用电磁共振可穿透非金属，而不能穿透金属的特点，已生产出即时供电的电器设备，在水下工作运行防水和在金属密闭装置实现电磁抗干扰等方面效果表现都较好。选择一个合适供电频率在无线供电系统中发生共振，则电能发送方的电磁波频率对正常的通信、广播不会产生干扰或干扰较小，对人体或其他生物也不构成伤害，符合安全指标。但基于磁共振无线供电技术的原理，必须满足发送电磁线圈与接收电磁线圈有相同的谐振电磁频率，才能输送电能，因而在使用中出现了一些不足。这是目前电磁共振无线供电技术难以实用的重要原因。主要有以下两方面的问题：endprint

（1）电磁共振以“电—磁—磁—电”形式，在一个开放型的体系中完成供电电能的传输，一定会发生电磁能量辐射方面的损耗及漏磁现象，并且在远距离的状态下，效率可能会更低。因此，不符合节能的理念。

（2）在微小距离内产生电磁共振，还会有空振高压问题：接收模块在负载用电时产生的电压和空载时产生的电压相差很大，使得无线供电装置接收单元空载时，因电压的幅值发生突变，而把负载模块的电子元器件烧坏。

针对以上问题，我们可以探索采取以下措施进行完善和优化，

（1）探索和开发新型磁性损耗小的线圈材料，譬如，为了降低纵向漏磁场产生的涡流损耗、环流损耗和提高效率，就必须加大磁性材料的电阻率，并将其制成很薄的片状减小线圈导线的厚度等措施。另外，可通过改变共振线圈的尺寸和结构，以优化共振电路中的电容和电感值，使共振达到最佳状态。

（2）通过增加自动通断电智能控制检测单元，实现对接收电路空载时的保护。当自动通断电智能控制单元检测到受电设备中用的负载处于工作状态时，无线供电装置启动正常供电控制；当自动通断电智能控制单元检测到受电设备中用的负载处于处于非工作状态时，立即禁用无线供电装置供电。同时，为了实现对电路在通断电时产生的较大冲击电流对用电设备的破坏，可在装置中增加一个负载动态适应系统。

5 结语

随着无线供电技术的广泛应用和技术革新，无线供电所具备的创新、智能、便捷、安全等特性，成为当前最令人期待的前沿技术，并为相关产业的快速发展注入了新的活力。在科技日新月异的今天，用无线充电取代电线已是大势所趋。作为最有前景的技术之一，无线充电正渐入佳境、日益成熟。也许不久的将来，我们就会用到远距离供电或室内短距离供电的无线供电产品，当前的电线杆和高压线可能就会从我们生活中消失，各种插座、插板和插头将成为历史名词。人们可完全从需要的角度在家里放置各种家用电器设备，不需要再考虑其附近有无电源接入装置；人们在装修房屋的时也减少了布设电线而带来的工作量；像经常使用的平板电脑和智能手机等小件电子产不再为电池容量不够用发愁。目前市场上已经部分这样的无线供电技术原型产品，这些产品被广泛使用及性能被进一步发展完善只是时间问题。

参考文献：

[1]姜立中.无线供电的现实离我们有多远[J].无线电，2008（04）：4-6.

[2]武瑛，严陆光等.新型无接触电能传输系统的性能分析[J].电工电能新技术，2003，22（04）：10-13.

[3]陆涛.短距离智能无线供电系统的研制[J].科技致富向导，2012，09（02）：103-105.

[4]人民网-财经频道.无线供电新技术——直流共振方式[EB/OL].（2013-03-26）.http：//finance.people.com.cn.

作者简介：赵家敏（1976-），男，云南富源人，硕士，副教授，研究方向：建筑设备无线供电。endprint