磁耦合谐振远程无线传输系统

李开春 赵静媛 高佳慧 王静

摘要：磁耦合谐振式无线电能传输是一种利用线圈间高频耦合谐振磁场实现能量无线传输的新兴技术。目前该技术在传输距离、效率和功率等方面还不能够满足实用化所提出的要求，仍存在一些问题有待于研究。其理论研究主要采用耦合模理论和集中参数电路模型的分析方法，对耦合体的动态过程、系统内部能量分布规律的研究还不够深入。另外由于工作频率高于电力电子器件的一般使用频率，磁耦合线圈的耦合系数较小并且处于谐振状态，存在着功率器件难以满足要求、系统损耗较大、效率较低等问题。本文从机理与模型、谐振线圈组、磁场驱动源、系统设计等方面展开研究，为磁耦合无线电能传输系统的分析与设计奠定了理论基础。

关键词：无线电能传输;磁耦合谐振;多耦合线圈

无线电能传输WPT（wire- less power transfer）技术可分为磁场耦合、微波辐射、激光发射、电场耦合和超声波传输等类型，根据离声源的距离可分为近场耦合和远场耦合。磁场耦合包括磁耦合电感和磁耦合谐振，与电场耦合属于近场耦合类型。微波辐射和激光辐射属于远场辐射。与其他几种无线电力传输方式相比，超声波无线功率传输系统主要利用超声波作为耦合介质，通过发射/接收换能器的逆压电效应和直接压电效应，实现电能-机械能-声能或声能-机械能-电能的无线传输电力。电场耦合无线功率传输系统主要利用电场耦合机制的交互电场耦合来进行无线功率传输，该技术具有良好的电磁兼容性，耦合机制的灵活性高，它主要应用于短距离、低传输等领域。但这种技术的传输功率较小，电场对人体有很大的危害。目前，国内外专家学者在逆变电路优化、耦合机理补偿拓扑、输出电压调节、能量信号共享通道传输、谐振拓扑和传输等方面取得了大量的研究成果。磁谐振式无线输电技术利用具有相同频率的线圈，经磁场耦合产生谐振来实现能量的传输，该技术相对于电磁感应式，传输距离远。

原理简介：

谐振又称“共振”。振荡系统在周期性外力作用下，当外力作用频率与系统固有振荡频率相同或很接近时，振幅急剧增大的现象。产生谐振时的频率称“谐振频率”。电工技术中，振荡电路的共振現象。电感与电容串联电路发生谐振称“串联谐振”，或“电压谐振”;两者并联电路发生谐振称“并联谐振”，或“电流谐振”。为了进一步说明“谐振”是如何在强磁耦合谐振式无线能量传输中实现的，下面以该理论的提出者——MIT实验室所使用的能量传输实验系统为例，进行说明。

图2–1所示是一个简单的电感耦合无线能量传输系统的示意图。L1和L2分别为初级和次级螺线管线圈。根据电磁学理论，当L1中流过交变电流后，其周围将会产生交变的磁场。由于磁场耦合，L2中将会感应出耦合的交变电流，提供给负载ZL。

在上述模型中，将线圈L1上单位电流所引起L2中的磁链称为L1对L2的互感系数为 ，对于相对静止的两个线圈， ，在系统中，将由初级线圈产生的磁力线贯串到次级线圈中的数量定义为耦合数K，其表达式为 .

耦合系数K的值总是小于1，其具体大小与线圈的形状，相对位置，距离，角度等外部因素有关。在没有磁芯的情况下，电磁感应耦合的K值一般随距离变大而急剧变小，因此系统的能量传输效率较低。正是这个原因，基于谐振原理的强磁耦合方案才被提了出来。

基于脉冲驱动的磁耦合谐振式无线电能传输系统主要包含了发射和接收LC谐振线圈回路、高频脉冲驱动两个模块，系统硬件电路结构图为如图1所示：当MOS管开关打开，电源高频脉冲串流注入到发射器LC谐振线圈回路：当MOS开关是关闭的，LC谐振发射回路是暂停的，通过Rs的电流是零，LC请振发射回路可以被视视为一个LC串联电路，其等效电路为图2所示的LC谐振发射线圈电路

为了便于分析和计算，当MOS管开关闭合，如图所示，可等效转化为该系列偶合电路模型如图，2所示，包括Rs，Rr分别为发射和接收线圈回路在高频率下的损失电阻、Ls、Lr分别为各自的自感、Cs、C分别为各自的谐振电容，RL是负载的电阻，M为发射与接收线圈回路之间的互感，d为两个线圈之间的距离反射阻抗里的反射的电阻会消耗电路的能量，而反射的电抗则影响谐振线圈本身谐振频车，当两个谐振线圈越来越接近，互感系数M和电阻值就越来越大，影响诣振线圈也就越来越明显。

基于以上理论分析和参数设置，为实现磁耦合谐振式的谐振振式频率适当的一个无线电能传输系统，本文用实验来验证磁耦合谐振式无线电能传播系统的传输功率和传输效率的分析是正确的。

结语：

本文提出一种磁耦合谐振系统电路模型，推导出了系统传输效率和传输功率的表达，得到了最大功率传输效率、传输条件和表达式，并进一步分析了发射与接收谐振线圈的相关参数对系统传输效率和功率的影响。

了理论分析的正确性。

1.磁耦合谐振式无线电能传输系统建模及优化分析 史继翠- 《湘潭大学》

2.磁耦合谐振式无线电能传输系统功效同步研究，唐治德，杨帆，徐阳阳，- 《电工技术学报》

辽宁科技学院大创项目编号：7511118104

（作者单位：辽宁科技学院）