电磁场与电磁波论文

电磁场与电磁波

—电能的无线传输

姓名：李明

班级：电科1101班

学号：20113011

引言

电能的传输长期以来主要是由导线直接接触进行传输，随着用电设备对供电品质、可靠性、方便性等要求的不断提高，还有特殊场合、殊地理环境的供电，使得接触式电能传输方式，越来越不能满足实际需要；便携式电子设备和家电对快捷方便地获取电能的需求越来越强烈。因此，无线电能传输越来越受到人们的关注，并被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。

无线电能传输技术最早由著名电气工程师（物理学家）尼古拉·特斯拉提出，就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。按照电能传输原理的不同，无线电能传输分为：电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。通过该项技术可以实现以探讨将远程无线功率传输系统做成电子式互感器，研究其在高压测量方面的应用，还可以探讨更远的距离使将来室内电器实现无线化，所有室内电器设备都装有无接触功率传输系统，电气设备通过无接触功率接收装置远距离高效率的接收电能工作，而电能发射装置是可以装在墙壁内或者地板下的，使电气设备摆脱电线插座的束缚。此外，无线输电技术在特殊的场合也具有广阔的应用前景。例如可以给一些难以架设线路或危险的地区供电；可以解决地面太阳能电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题。深入了解其无线传输电能的意义和方向，具有十分积极的意义。

一、电能无线传输技术的简介

1.1电能无线传输的现状

1.1.1电能无线传输的研究现状

一、国外研究现状

国外对无线电能传输技术的研究较早，早在20 世纪70 年代中期就出现了无线电动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。20世纪90 年代初期，新西兰奥克兰大学对感应耦合功率传输技术（ICPT）进行研究，经过十多年的努力，该技术在理论和实践上已经获得重大突破。研究主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下工作的设备的供电问题，如电动汽车、起重机、手提充电器、电梯、传送带、运货行车，以及水下、井下设备。其能量等级、距离、效率等指标都在不断提高，目前实用设备己达200kW、数千米的传输距离和85％的以上的传输效率。

二、国内研究现状

国内在无线输电技术方面研究还处于起步阶段，近年来，中科院院士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行研究。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自2001 年便开始了对国内外非接触式电能接入技术相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯教授为首的课题组核心成员Patrick AiguoHu 博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。2007年2月，课题组攻克了非接触感应供电的关键技术难题，建立了完整的理论体系，并研制出了非接触电能传输装置，该装置能够实现600 至1000W 的电能输出，传输效率为70％，并且能够向多个用电设备同时供电，

即使用电设备频繁增减，也不会影响其供电的稳定性。

1.1.2电能无线传输技术的应用现状

一、短程无线供电技术现在已经商品化的非接触式充电系统, 其电能发射端的线圈(连接电源)与接收端的线圈(在电子产品中),处于两个分离的装置中, 电能通过感应线圈传送, 这类似一个线圈间耦合不紧密的变压器。最早使用变压器原理进行无线供电的产品是一些电动牙刷、电胡刀和无绳电话等。

二、中程无线供电技术我们了解频率介于75kHz 和约10GHz 之间的电磁波俗称无线电波,，可以用来传送广播和电视节目、进行通信和传真, 但是对其传输

电能的本领比较陌生。通常电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发、不易集中、定向性差,因而供电效率是个问题; 另外, 还有对空间造成电磁污染的担忧。有人认为电磁波可以无线传输较长的距离,但输送能量有限, 存在传输功率比较低( 甚至只有几微瓦到几毫瓦) 的问题。Powercast 公司的相关研究是利用电磁波损失小的天线技术, 借助二极管、非接触IC 卡和无线电子标签等, 实现效率较高的无线电力传输。

三、远程无线供电技术从科学技术与实际应用相结合的角度来讲,无线供电和有线供电将会各有千秋。如果作为地面长距离输电或者所有家用电器的长期供电,无线供电可能未必实用。除铺设输电线路困难的地区之外,但有一个特殊科技领域的发展非常倚重无线电力传输技术,那就是太空领域了,比如人造卫星、航天器之间的能量传输等,而首当其冲的是未来太空太阳能发电站隔空给地球无线供电的研究摆在人们面前。在外太空进行试验发电的国家有美、日、法、德、俄等。来自美国国防部的一份报告称,建立空间太阳能电站的构想无论在技术方面还是在经济方面都是可行的。太阳光是永恒不变的,太阳所释放的能量相当于当前全球所消耗能量的10万亿倍, 美国国家航天学会副主席马克霍普金(MarkHopkins) 说:我们只需要开发其中一少部分,就足以应付我们当前和未来许多年的能源需求。根据美国科学家预测,到2025年,美国有可能在太空建造100 座太阳能电站, 将会满足美国全国30%的电力。而日本从20世纪80年代也已展开太空太阳能相关研究,目标是在2030年前向太空发射一颗对地静止卫星, 这颗卫星将为地球上50 万户家庭提供10 亿W 电能。目前,日本宇宙航空研究开发机构的研究人员将微波和激光看作是传输太阳能的可能选择。

二、电能无线传输的原理及特点

2.1电磁感应式无线电能传输

非接触感应电能传输技术早在100 年前就已经为人所知，通常采用非接触变压器耦合进行无线电力传输。它将系统的变压器紧密型耦合磁路分开, 变压器原边绕组流过的是高频交流电，通过原、副边绕组的“电磁感应”将电能传输到副边绕组及用电设备，从而实现在电源和用电负载之间的能量传递而不需物理连接。该系统主要由三个部分组成，即能量发送端、无接触变压器和能量接收端，系统框图如图2-1所示。

图2-1电磁感应式无线电能传输的原理图

下图2-2是非接触感应电能传输系统框图。

图2-2电磁感应式无线电能传输仿真图

特点：利用非接触“电磁感应”来进行无线供电传输是非常成熟的技术，但会受到很多限制。比如变压器绕组的位置，气隙的宽度，使得磁场会随着距离的增加而快速衰减。如果要增加供电距离，只能加大磁场的强度。然而，磁场强度太大一方面会增加电能的消耗，另一方面可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效。所以其有效传输距离只有几厘米，所以这种无线电力传输只能是短距离电能传输。

2.2电磁共振式无线电能传输

电磁共振式（又称WiTricity 技术）是由麻省理工学院（MIT）的研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。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）和他的研究团队取得了新的进展。他们给一个直径60 厘米的线圈通电，6 英尺（约1.9 米）之外连接在另一个线圈上的60 瓦灯泡被点亮了。这个实验中发送端和接收端的线圈组成一个磁共振系统，当发送端的磁振荡频率和接收端线圈的固有频率

相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。典型的电磁共振耦合无线输电系统如图2-3 所示。

图２-3 基于电磁共振的无线输电系统框图

整个装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置，与能量源相连，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，在周围形成非辐射磁场，即将电能转换成磁场；当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。在能量传输的过程中，电磁波的频率越高其向空间辐射能量就越大，传输的效率也就越高。

特点：根据共振的特性，能量传输是在一个共振系统内部进行，对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振，从而以很小的消耗为代价来传输能量。无线传输能量过程中的磁场强度不过和地球磁场强度相似，不会对人体和周围设备产生不良影响。这种新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，其有效传输距离为几十厘米到几米，所以这种传输形式是中程传输。

2.3电磁辐射式无线电能传输

该方式主要采用微波波段进行电能传输。微波是波长介于无线电波和红外线之间的电磁波。由于频率较高，能顺利通过电离层而不反射。宇宙空间对微波传输十分理想，几乎没有能量损耗，通过大气层时的损耗为2%。微波输电利用电磁辐射原理，由电源送出电力，通过微波转换器将工频交流电变换成微波，再通过发射站的微波发射天线送到空间，然后传输到地面微波接收站，接收到的微波通过转换器将微波变换成工频交流电，供用户使用。

远场一般指远远大于装置尺寸的几千米以上的传输距离。只要合理设计接收机形状，采用高精度定向天线或高质量的平行激光束就可实现远距离传能。通过

无线电波可以在微波范围内实现能量定向传输，接收端采用硅整流二极管天线可将微波能量转换回电能。在人体允许的能量密度1mW/cm2 范围内，在直径为10km 的空间中，传递能量可达750MW。无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小。因此，可以利用微波或激光来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺等问题有着重要意义。随着经济和社会的发展,能源消耗越来越大, 环境污染和电力需求的迅速增长使得人们越来越重视可再生能源的发展。其中太阳能以其能量高，取之不尽，用之不竭，全天候供应成为能量的最理想来源之一。

特点：传输距离为几千米，属于远程传输。

三、无线电能传输技术的应用

3.1电磁感应式无线电能传输的应用

电磁感应式电能传输技术早已经为人所知，但因为效率太低，没能商业化。随着功率变换技术、控制技术和磁性材料的发展，非接触电磁感应电能传输技术得到了迅速发展。

大功率方面的应用，比如20 世纪90 年代新西兰奥克兰大学所属奇思公司已将非接触感应电能传输技术成功应用于新西兰Rotorua 国家地热公园的30KW 旅客电动运输车。德国奥姆富（WAMPELER）公司150KW 载人电动火车，轨道长度达400m，气隙为120mm，是目前最大的非接触感应电能传输系统[3]。小功率应用方面近几年发展迅速，主要是对便携式终端设备进行无线充电的研究。2010 年7月无线充电联盟，发布了Qi 标准对便携式终端充电设备的生产和制造进行规范，其应用的就是电磁感应式无线电能传输原理。

3.2电磁共振式无线电能传输的应用

磁共振无线电能传输技术的应用非常广泛，小到几十毫瓦的生物植入电子器件，大到上千瓦的电动汽车或运动机器人都可以得到应用。主要应用于：植入电子器件：如心脏起搏器、神经刺激器、全人工心脏等；交通运输以及水下、井下：如电动汽车、磁悬浮、海底探测、井下设备等；驱动机器人：如旋转关节、运动机器人等；电池充电：如手机、电动牙刷、电动剃须刀、笔记本电脑充电等

3.3电磁辐射式无线电能传输的应用

日本已制造出卫星电站，位于地球静止轨道上，其发电能力达到500KW，距离地面36000km，微波输电就是把太阳能电池产生的直流电能，用微波管转换成微波波束，天线发射到地面接收站，再还原为交流电送到用户。微波输电时，用于无线输电的微波束强度仅为5mW·/cm-2，比100mW/cm-2 的阳光强度小得多。

因此，微波无线输电十分安全，不会发生电离，不会使周围生物的基因发生变异。在微波接收器下面甚至可以种植蔬菜。但是地面接收天线面积很大，其功率密度低于安全标准，选 2.45GHZ 的微波时，对环境和生态影响不大，但对通信和雷达、射电天文干扰很大。微波输电技术的实际应用还有一些问题，大面积推广还需时日，但可以肯定，随着科技的发展，微波输电会有广泛的应用前景。

四、电能传输技术未来领域应用实例

4.1短程无线供电技术的应用实例

一、无接点充电插座。对用于手机的无接点充电器而言, 只要在充电座和手机中安装发射和接收电能的线圈, 便可实现无接点充电这不仅将摆脱线缆的束缚而且还将消除接口差异的限制, 因此无线充电器设计更加人性化并且减少资源浪费。

二、“免电池”无线鼠标。无线鼠标( 需要在专门配备的鼠标垫上操作) 这里的鼠标和配垫都有奥秘两者内部都安装了电磁感应线圈, 鼠标垫通过连接电脑的USB 接口即可获得电能,并由其感应线圈向鼠标内的感应线圈输送电能, 可以给鼠标进行无线供电并进行信号感应, 这里也涉及到了人们常讲的RFID( 无线射频识别)技术。

三、多功能家用电器无线供电“膜片”。用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电该特制塑料膜上面印刷有半导体感应线圈, 厚度约1mm、面积约20cm2、重约50g , 可以贴在桌子、地板、墙壁上, 可为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡或小型电机供电。使用前家用电器需要装上可接收电能的感应线圈, 然后放到相应位置即可得到无线供电。

四、植入式医学器件的充电技术。目前, 心脏调节器、心脏除颤器等单植入式医疗装置市场已达数十亿美元, 这些植入装置需要电池供电, 当电池将耗尽时, 如果能通过无线供电方式充电则将避免动手术等大麻烦。日本东北大学小柳光教授, 在2007 年SSDM 国际会议上, 发表过使用电磁感应型无线供电技术成果, 他主持试制出可从外部向植入眼球的人工视网膜用LSI ( Large- Scale Integration 大规模集成电路)进行无线供电的系统。另外, 据2007 年7 月多家媒体报道,英国南安普敦大学的研究者成功地研发出一款能将振动转化为电能的“迷你发电机”, 可望将来能凭借心脏病人的心跳为自己的心脏起搏器供电，避免更换电池时动手术。据说这项技术也可能应用于手机MP3 等移动装置，仅靠人类的心跳就能无线充电。

4.2中程无线供电技术的应用实例

一、Powercast 无线充电器。它独特的电磁波接收装置, 能够根据不同的负载、电场强度来做调整, 同时还能维持稳定的直流电压。

二、感应电力传输技术( IPT) 。( 1) 日本太阪富库( DAIFUKU)公司的单轨行车和无电平自动运货车。这些设备当前已成功地用于许多材料运输系统中, 特别是在一些恶劣的环境下, 如喷漆车间等。( 2) 德国奥姆富尔(WAMPEI ER) 公司的

200kw 载人电动火车巳试车成功。该公司还成功地将感应电力传输技术用于电动游船的水下驱动。( 3) 新西兰奥克兰大学所属奇思( UNISERVICES) 公司基于电子与电气工程系的技术成功地开发了两项有关IPT 的实用项目: 一是高速公路发光分道猫眼系统, 目前正运行于新西兰惠灵顿大隧道中; 另一个是用Rotorua 国家地热公园的30 kw 感应电动汽车, 现已安全运行约2 年。

4.3远程无线供电技术的应用实例

一、关于微波传输电能。微波是波长介于无线电波和红外线辐射之间的电磁波, 目前已广泛应用于微波炉、气象雷达、导航和移动通信。微波送电是全世界的研究热点, 据报道1967 年美国空军同雷神公司合作进行了世界上首次电力微波传输试验, 成功地通过微波向模拟直升机提供电力。1994年, 科学家利用微波将5kW 的电力送达42m 远也取得成功。前面提到的法国皮格努莱特利用微波进行的无线输电试验——是把一部发电机发出的电能, 先通过磁控管转变为微波, 再由发射器将微波束送出, 40m 外的接收器接收后,由变流机将微波转换为电流, 然后将一个200W 的灯泡点亮。在留尼汪岛上的格朗巴桑村位于千米深的峡谷底, 过去居民利用安装在房顶上的太阳能电池, 但因日照时间短等原因电力不够用——2003 年无线供电技术使其成为世界上第一个利用微波技术供电的乡村——至于该技术的实用化商业推广不知何时实现——尚未见到最新的进展报道。

二、关于激光传输电能。激光方向性强、能量集中, 利用激光可以携带大量的能量, 可以用较小的发射功率实现较远距离的输电。有关研究选择激光的优势在于, 所需的传输和接收设备是微波所需的1/ 10, 不存在干扰通信卫星的风险——使用微波却存在这种问题。不足点之一是障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换, 使用激光不能像微波那样可以闯过云层, 射束能量可能会在中途丧失约一半。

结论

随着无线输电技术的不断发展与成熟，不但使人们未来生活有望摆脱手机、相机、笔记本电脑等移动设备电源线的束缚，享受由机场、车站、洒店多种场所提供的无线电力，还可用于一些特殊场合。从长远来看，该技术具有潜在的广泛应用前景。但是，每一种无线传输方式都有一系列关键问题需要解决。如电能传输能量大小及效率问题，能量传输所产生的电磁波是否对人体健康带来危害等等。

感悟：学完电磁场与电磁波这门课，我觉得我学到了不少的东西，纠正了以前的关于电磁场与电磁波方面的一些错误的认识，在课堂上，老师的巧妙的结合书本讲解了很多书上没有的东西，让我了解到了很多书本外的东西，拓宽了知识面，比如老式电视机的显像、在不同情况下选择发送的信号类型、信号屏蔽等。另外，老师诙谐，平易近人和善于引导学生学习给人留下深刻的印象，也别是老师对待一件事认真严肃的太对让我感触很深，以后一定也要做到那般。总的来说，这门课我很很喜欢。