杨立新 无线供电技术方案及应用

基于磁耦合谐振式无线供电装置的研制

杨立新

（西南科技大学网络学院供用电技术专业 2014春班）

【摘要】：磁耦合谐振式无线供电技术提供了一种新的能量传输途径，主要是利用磁耦合共振原理实现能量的无线传输。与传统的有线电能传输相比，避免了用电设备主要通过导线连接获取能量过程中产生导线裸露、磨损、电火花等不安全供电因素；与其他无线供电技术相比，具有传输效率高、功率大、传输距离远、无方向性等特点。最重要的是能为一些特殊场合带来更方便的供电，如水下检测、油田矿井、高山沙漠、化工等。因此，磁耦合谐振式无线供电技术具有良好的应用价值和研究意义。

本论文通过对磁耦合谐振式无线供电技术的基本原理和传输机理的研究，构建了无线

供电系统的总体框架和等效电路模型，揭示了无线供电系统的传输特点及内在规律。

【关键词】：无线供电电波辐射感应耦合磁耦合谐振

目录

一、课题的研究背景及意义 (3)

二、国内外无线供电技术发展概述 (5)

（一）电波辐射式无线供电技术 (6)

（二）感应耦合式无线供电技术 (8)

（三）磁耦合谐振式无线供电技术 (9)

三、本课题研究的主要内容 (10)

四、参考文献 (10)

五、致谢 (11)

序言

本文首先介绍了无线供电技术研究背景及发展概况，然后主要介绍三种无线供电技术：电波辐射式无线供电技术、感应耦合式无线供电技术、磁耦合谐振式无线供电技术的基本原理及应用领域，并突出了磁耦合谐振式无线供电技术的特点及应用前景。

一、课题的研究背景及意义

无线供电技术[1][2][3][4]一直是人类研究的热门话题，主要是以非接触的方式对供电设备进行电能传输。与传统的有线供电相比，它避免了用电设备之间主要通过导线连接获取能量过程中产生电火花、导线裸露、磨损等不安全供电因素。无线供电技术的出现为一些特殊场合：比如，密封环境、旋转部件、水下监测等的供电开辟了新的供电途径；同时开拓了在感应电动汽车、高速磁悬浮列车馈电、医疗设备、消费电子及传感器网络等方面的应用[5][6]。随着无线供电技术理论的不断成熟和实验研究的不断深入，将会出现大量新的应用领域及相关的产品，为现代工业生产和人类日常生活提供了极大的方便。因此，对该技术的研究具有良好的研究意义和应用价值。

无线供电技术经历了从理论假设构想到实践应用的过程，对无线供电的研究可以追溯到十九世纪九十年代，当时是由美国科学家尼古．特拉斯根据其研究搭建了第一个无线电波传输试验系统，试图把能量传输到世界各地，为人类的生活起居提供照明[7]。到后来 1968年美国工程师 P Glaser 提出了一种使用微波电能传输技术的太阳能发电卫星[8]。该技术能利用无限的太阳能通过微波或激光传输转换成为地面人类所能利用的电能。20 世纪 80 年代后期，由加拿大团队提出了 SHARP 研究项目，试图建立一个用于转接远距离无线通信信号的长时间漂浮高空平台，并得到了一定的应用[9]。针对上述无线供电研究尚未成熟及能量传输的缺点：方向的不定性、效率较低、传输距离的限制、穿越障碍物的限制及对周围人和动物磁辐射较大，于是在 2006 年 11 月在美国物理学会工业物理论坛上首次正式提出了磁耦合谐振式无线能量传输技术，理论性分析了该技术在实现中距离能量传输的可能性，并在 2007 年 6 月由 MIT 的（Soljacic）教授所

领导的研究团队，成功地完成了在 2.74 米外，点亮一只功率为 60 瓦特的灯泡实验[10]。

目前，无线供电技术在很多领域都有了广泛的应用，主要体现：

（1）在传动转轴部件上的应用：船舶柴油机曲轴、列车及现代汽车等的传动轴上都要通过传感器检测正常工作时的压力、温度、扭矩等参数，对传感器芯片供电若采用传统的有线传输方式将很难实现，而无线供电却能良好的解决这一难题。（2）在消费电子产品领域：无线供电技术能给人类日常生活消费电子产品带来极大方便，一般应用于小功率产品，比如：手机、笔记本、MP3 随身听、温度传感器、助听器、蓝牙耳机、电动牙刷，甚至汽车零部件和医疗仪器等[11]。

（3）在生活医疗领域：目前无线供电技术在医疗方面的应用主要有：人造官、心脏起搏器、人工耳蜗、助听器、医用体内微型机器人、人造耳等，它避免了传统植入电池对体内电子设备进行供电的各种不便及缺点（如电池的更换、取出和植入存在的伤口感染隐患等）。此外，在植入式医疗手术中利用外部电源无线供电不仅能为植入式医疗电子设备进行高效供电，而且配合无线射频技术还能有效的对电子设备进行检测和控制，还能大大减轻移植手术病人的痛苦，提供更舒适、安全的医疗质量。因此，无线电技术在医疗领域将会有着广泛的应用前景[12]。（4）在交通运输领域：对交通工具的节能、绿色环保、电气及自动化一直是人类研究的梦想，无线供电技术是最佳的选择方案。随着无线供电技术相关理论的不断发展和科研实验的不断深入，目前已经在高铁悬浮磁列车、城市公交、电动车等交通领域有所建树。比如，日本国土交通省（交通部）于 2009 年 10 月在奈良市，就针对充电式混合动力巴士组织过两次实际应用实验；2010 年 3 月在韩国首尔一座游乐园内试运行一种新型电车，这种电车在铺有电感应条的路面上行驶时可“无线”充电，不像传统电车需通过路轨或车顶电线获得电能[13]。（5）在新型无线传感器网络领域：随着工业、医疗、生物学等领域对无线传感器网络技术的不断发展，需要在检测区域内部署大量的微型传感器，并把监测到的数据信息，通过全局、自组织网络传输给观测者。无线供电技术解决了上述对大量传感器芯片的供电。

此外，这种新兴的无线供电技术不受周围恶劣环境及天气的影响，能有效解决海底石油、油田矿井、水下探测、及天然气生产设备的供电；与此同时，无线供电

技术也存在一些不足，比如：传输功率较小不能满足大功率输出，目前只能达到kW 级别，传输距离及效率还不太理想。另外，在无线供电过程中，磁辐射对周围环境是否造成伤害尚不明确，且对于大功率、长距离供电的研究成本较高。但随着技术的不断更新和科研人员不懈的努力，相信无线供电技术会不断发展并取得重大的突破，逐步取代传统的有线电能传输。

二、国内外无线供电技术发展概述

（一）电波辐射式无线供电技术

电波辐射式无线供电(Microwave Power Transmission)[14]主要是将电能转换成电磁波或激光的形式通过空间传播。其工作原理如图 1.1 所示：

图 1.1 电波辐射式无线供电系统原理框架图

通过电磁波或激光装置把电能转换成电磁波或激光，由发射天线以电磁波辐射的形式在空间自由传播，电磁波能量通过接收天线接收，然后通过电磁波转换器和整流滤波电路转换供给负载。此技术主要是通过电波的形式进行传输的，能实现长距离、大范围的电能传输，但其方向性不强，穿过障碍物能量会比较弱，长距离传输效率比较低且对周围会造成电波辐射危害。

电波辐射式无线供电技术的研究开始于二十世纪六十年代末，当时是由美国工程师 PGlaser 提出了一种使用微波电能传输技术的太阳能发电卫星。目前国内外对电波辐射式无线供电研究主要集中在卫星空间轨道、太阳能空间站、地面远距离大功率输电以及 E 行器等领域。

电波辐射式无线供电技术还可以应用于一些特殊场合，比如：地面太阳能电站、水电站、风力电站、原子能电站的电能输送；输电线路架设比较困难的地区，高山、森林、沙漠、海岛、水下等；卫星空间轨道站；电磁波无人飞行器；无线电视台的搭建；城市密集供电等领域。因此对电波辐射式无线供电技术的研究意义非常重大。

（二）感应耦合式无线供电技术

感应耦合式无线供电技术( Inductively Coupled Power Transfer 简称 ICPT 技术[15]）是以可分离变压器或松耦合变压器为磁路结构进行电能无线传输，其工作原理如图 1.2 所示：

图 1.2 感应耦合式无线供电系统原理框架图

220V 市电压经过 AC/DC 整流滤波器后变成所需直流电，直流电经过高频逆变电路变成特定频率的交流电，此交流电通过发射线圈产生感应磁场，在邻近的接收线圈会在感应磁场中产生感应电动势，从而实现了能量的无线传输。其原理的实质是电磁感应，传输功率会比较大达到千瓦，但其传输距离会比较短，一般在厘米、毫米级别，还有由于系统是松耦合或可分离耦合气隙会比较大，使得漏磁和激磁比较大。

目前对感应耦合式无线供电技术研究比较成熟，早在二十世纪九十年代初，新西兰奥克兰大学功率电子学研究中心的波伊斯(John T.Boys)教授领导的课题组率先对感应耦合式无线供电技术进行初步的研究，该技术后来引起了日本、美国、韩国以及欧洲等国家的关注，现已研制出了相应的产品：如韩国首尔一座游乐园内试运行一种新型电车[13]，如图 1.3

所示：

图 1.3 韩国首尔一座游乐园内试行的一种新型电车示意图

这种电车在铺有电感应条的路面上行驶时可“无线”充电，不像传统电车需通过路轨或车顶电线获得电能；日本国土交通省（交通部）于 2009 年 10 月在奈良市，就针对充电式混合动力巴士组织过两次实际应用实验，如图 1.4 所示，供电线圈埋入充电台的混凝土中。车开上充电台后，当车载线圈对准供电线圈后（重合），车内的仪表板上有一个指示灯会亮，司机按一下充电按钮，就开始充电。

图 1.4 日本国土交通部进行混合动力巴士充电实验

目前国内对感应耦合式无线供电技术也进行了深入的研究，并在理论和应用方面都取得了重大的突破：

（1）重庆大学自动化学院研究小组在孙跃教授的带领下对感应耦合式无线供电机理及传输特性进行了研究分析，对传输系统的可靠性、稳定性、效率性进行了试验研究。该小组还研制出了一系列的 ICPT 供电系统[16][17][18][19][20]。

（2）中国科学电工研究所教授严陆光、徐善纲及其学生武瑛对无接触供电性能和悬浮列车无接触供电进行分析[21]。

（3）东南大学研究小组对电动汽车无线充电和无线输电技术对智能电网的影响

进行

了研究[22][23]

。

感应耦合式无线供电技术还被广泛应用于医学生物体供电、轨

道交通、移动设备和旋转设备供电等方面。

（三）磁耦合谐振式无线供电技术

磁耦合谐振式无线供电(Magnetic Resonant Power Transfer[24])技术主要是利用两个具有相同频率的谐振电路，通过磁场耦合实现能量从电源供给端向用电设备吸收端的无线传输。磁耦合谐振式无线供电技术与感应耦合式无线供电技术相比较，前者主要引入了谐振即共振技术，使发射线圈和接收线圈在相同频率下工作，不仅能量传输效率会大大提高，其传输距离也会大大增加。此技术主要利用近磁场谐振耦合，其辐射小，方向性要求不高，适合中等距离传输，传输效率较高并且能量传输不受空间障碍物（非磁性）影响，能量传输效果与系统频率及线圈的制作密切相关，但是对电源部分要求比较高，对于高频率、大功率实现较难。图 1.5 为磁耦合谐振式无线供电实验的原理示意图。在实验中，主要由 A、S 组成的发射回路和 D、B 组成的接收回路构成。工作原理：首先由发射回路激励源A 产生高频磁场，发射线圈 S 在外加激励下谐振，能量即由 A 传递到了 S。发射线圈 S 再通过磁场耦合把能量传输到 D。线圈 D 最后与负载回路 B 耦合，即能量最后传递到了负载回路 B 上。其中，A，S，D，B 的固有频率相同，S，D 之间是远距离传输[12]。

图 1.5 磁耦合谐振式无线供电实验原理示意图

磁耦合谐振式无线供电技术最早是由美国麻省理工学院(MIT)物理学助理教授MarinSoljacic 为首的研究团队在 2007 年末提出的，并成功的点亮了 2 米以外的灯泡（60w），当时在国内外引起了重大的关注，如图 1.6 所示[10]。国内知名大学也对该技术进行了相应的理论和实践研究：图 1.7 是东南大学研制出了传输距离为 70cm 接收功率约为 600w 的磁耦合无线能量传输系统，该技术主要是在耦合磁场中，具有相同频率的谐振系统会进行高效的无线能量交换。

图 1.6 麻省理工学院(MIT)无线供电实验图 1.7 东南大学磁耦合无线能量传输实验

磁耦合谐振式无线供电技术发展比较成熟并在社会各个领域体现了其具体价值。目前主要应用于一些高端智能手机的无线充电器，笔记本电脑的无线供电底座，厂用小型传感器的供电解决方案等。在生物医学领域上[25][26][27][28]，可以用在某些体内仪器(如心脏起搏器，医用体内微型机器人等)的充电、供电系统中。

谐振耦合谐振式电能无线传输技术与上述两种无线电能传输技术相比，具有以下本质性的不同：1、与微波原理的电能无线传输技术相比，具有传输功率大、传

输效率高和无方向性的特点，且传输功率从以前的毫瓦级提高到千瓦级，传输效率也得到大大的提升，可达到 80%；2、与电磁感应原理的电能无线传输技术相比，传输距离大大提高，突破了电磁感应原理的无线传输距离仅在毫米等级以内的限制[29]。

以上主要介绍了三种无线供电技术的工作原理及应用领域，通过上述三种技术的对比及自身特点，最终选择磁耦合谐振式无线供电技术作为本论文的技术方案。主要是由于对小功率传输而言，它具有传输效率高、传输距离较远等特点，特别适合本论文负载为 20w 小灯泡的近距离无线供电实验设计。

三、本课题研究的主要内容

本论文主要研究的是一种基于磁耦合谐振式无线供电技术，即相同谐振体之间通过磁场耦合空间进行能量的无线传输。着重分析磁耦合谐振无线供电技术基本原理、传输特性及实验装置的设计方法，本课题研究的最终目的在于如何提高系统的传输效率、输出功率及传输距离。首先，通过理论研究和实验分析提出了相应的有效措施。最后，设计了一个高效、稳定的小功率短距离无线能量传输系统，根据其实验数据和实验波形图验证了提高传输效率、距离及输出功率方法的科学性和电路设计的合理性。

参考文献

[1]东华.无线供电解决方案[J]https://www.360docs.net/doc/7b5475073.html,/article/82433_3.htm.

[2]不用电线也能传电力[J]https://www.360docs.net/doc/7b5475073.html,/kjxw/nyjs/2008-02-03.

[3]张代兵韩大鹏.一种低功耗设备的无线感应供电技术[J].仪器仪表学报

2006(Z3).

致谢辞

首先，我要衷心感谢的是我的导师祝老师，在2014春班学习期间，老师的专业指导和无私奉献给了我莫大的帮助，特别是对本论文的完成，不管是选题还是内容的安排都给了我细心的指导和全面的分析。还有，老师严谨的治学态度、精益求精的工作作风、平易近人的人格魅力深深的影响着我，在此我向祝老师表示深切的感谢和祝福。

最后，我要感谢我的衣食父母在我学习、成长过程中给予的亲切关怀和无微不至的帮助，感谢你们！

再次，感谢所有关心、帮助过我的老师、同学、亲人、朋友，谢谢你们！