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無線電能傳輸技術(shù)因其獨(dú)特的傳輸優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)下國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題，磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transfer, MCRWPT）技術(shù)以其在近場(chǎng)區(qū)傳輸?shù)淖陨韮?yōu)勢(shì)成為當(dāng)前最為熱門的無線電能傳輸方式之一。

MCRWPT技術(shù)以能量諧振耦合原理通過高頻電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量傳遞，由于傳輸能量的大小不僅取決于磁場(chǎng)的大小，還與磁場(chǎng)的變化率、頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通密度等電磁參數(shù)有關(guān)，因此，諧振耦合系數(shù)是與諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)、自感大小和互感系數(shù)相關(guān)的函數(shù)。

在諧振匹配的狀態(tài)下MCRWPT系統(tǒng)可不受空間位置和障礙物影響而實(shí)現(xiàn)中距離無線電能傳輸。MCRWPT系統(tǒng)典型的工作原理如圖1所示，其中us為高頻逆變電源，C1為一次側(cè)諧振電路補(bǔ)償電容，C2為二次側(cè)電路補(bǔ)償電容，RL為二次側(cè)所接負(fù)載，一次側(cè)和二次側(cè)通過磁耦合諧振進(jìn)行能量無線傳輸。

MCRWPT系統(tǒng)傳輸?shù)碾姶篷詈蠙C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)決定系統(tǒng)的電磁耦合方式和能量傳輸形式，因此，電磁耦合機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)是MCRWPT系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分之一。

圖1 典型MCRWPT工作原理電磁耦合機(jī)構(gòu)是MCRWPT系統(tǒng)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用需求，MCRWPT系統(tǒng)的電磁耦合機(jī)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為不同的形狀、結(jié)構(gòu)和排列方式。

圖2 平面盤式耦合線圈WPT系統(tǒng)平面形線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度由內(nèi)到外依次減小，線圈中心磁感應(yīng)強(qiáng)度最大。平面形線圈具有體積小、易于集成化、品質(zhì)因數(shù)大和可植入性良好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、計(jì)算機(jī)、可植入式醫(yī)療設(shè)備、電動(dòng)汽車等設(shè)備的無線充電。圖2所示為典型的兩線圈結(jié)構(gòu)平面盤式耦合線圈WPT系統(tǒng)。

基于平面形線圈可拓展多種適合其他應(yīng)用場(chǎng)景的平面盤式和平面螺旋式線圈耦合結(jié)構(gòu)。2013年東南大學(xué)電氣工程學(xué)院提出一種平面螺旋耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將耦合系數(shù)與衰減率和匝數(shù)設(shè)計(jì)相結(jié)合進(jìn)行約束條件和設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效地提高WPT系統(tǒng)的傳輸效率，圖3所示為經(jīng)過匝數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)WPT系統(tǒng)。

圖4 多線圈結(jié)構(gòu)WPT系統(tǒng)

2018年天津大學(xué)提出一種多耦合機(jī)構(gòu)WPT系統(tǒng)，通過控制手段實(shí)現(xiàn)對(duì)二次側(cè)多負(fù)載設(shè)備進(jìn)行充電，并通過調(diào)整電容陣列實(shí)現(xiàn)諧振匹配以保證系統(tǒng)始終工作在較高傳輸效率下，圖4所示為多線圈形式的平面螺旋線圈結(jié)構(gòu)WPT系統(tǒng)。

圖5 雙繞線平面盤式線圈

2019年印度SRM科學(xué)技術(shù)研究所提出一種雙繞線型阿基米德螺旋線圈的自諧振WPT方法，利用高溫超導(dǎo)銅線圈在諧振頻率為25kHz下實(shí)現(xiàn)PTE為49.8%，圖5所示為雙繞線平面螺旋線圈。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)線圈結(jié)構(gòu)、增加傳輸通道上的介質(zhì)磁導(dǎo)率和改變線圈空間排列方式等方法能夠進(jìn)一步提高耦合機(jī)構(gòu)的耦合系數(shù)，從而提升傳輸效率。

圖6 U形陣列線圈WPT系統(tǒng)

2016年重慶大學(xué)提出一種U形排列方式的三線圈WPT系統(tǒng)，如圖6所示，與雙線圈對(duì)稱分布的耦合結(jié)構(gòu)相比，U形排列方式可以使傳遞效率提高10倍以上，在同樣的傳輸功率和PTE情況下，線圈尺寸減小66%，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證U形排列方式不但提高了傳輸功率和PTE，而且保證了電能傳輸方向上的清潔。

圖8 增加T形鐵氧體線圈結(jié)構(gòu)的WPT系統(tǒng)2018年韓國高等科學(xué)技術(shù)學(xué)院提出一種在線圈周邊增加T形鐵氧體來增強(qiáng)耦合機(jī)構(gòu)之間的互感系數(shù)從而增強(qiáng)系統(tǒng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度系統(tǒng)如圖8所示。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)加入T形鐵氧體后互感系數(shù)增加了30.4%，并成功地實(shí)現(xiàn)了以71%的PTE傳輸205W的電能。

2018年北京航空航天大學(xué)提出一種矩形平面多回路印制盤式線圈如圖9所示。多回路技術(shù)應(yīng)用多個(gè)不同大小的回路，可以根據(jù)耦合機(jī)構(gòu)之間距離調(diào)整耦合系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)在100mm和250mm傳輸距離下實(shí)現(xiàn)的PTE分別為88.7%和46.2%。

圖10所示為2007年MIT首次實(shí)現(xiàn)MCRWPT的成功實(shí)例，用兩個(gè)圓柱形螺旋線圈實(shí)現(xiàn)了在2m傳輸距離下以40%的PTE成功點(diǎn)亮了一盞60W燈泡。

圖11 分布式多線圈WPT系統(tǒng)2012年美國卡耐基梅隆大學(xué)提出一種適用于多負(fù)載場(chǎng)景的分布式多線圈WPT系統(tǒng)如圖11所示。圖中，心線圈為發(fā)射線圈，中間兩線圈為中繼線圈，遠(yuǎn)端兩線圈為接收線圈，線圈中間分布4個(gè)小功率負(fù)載，電能傳輸過程中弱導(dǎo)電物體對(duì)系統(tǒng)電能傳輸影響較小，并通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了在6.2ft（1ft= 0.304 8m）距離下為6個(gè)負(fù)載傳輸15mW功率電能。

2015年美國匹茲堡迪士尼研究中心通過在封閉金屬空間內(nèi)分布多個(gè)圓柱形螺旋線圈，封閉式諧振腔多負(fù)載WPT系統(tǒng)如圖12所示。使整個(gè)封閉空間分布磁場(chǎng)，可以為空間內(nèi)多個(gè)接收線圈同時(shí)提供電能，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了在140ft3（1ft3=0.028 316 8m3）的封閉空間內(nèi)的任何位置為一個(gè)直徑為3in（1in= 0.025 4m）的接收線圈實(shí)現(xiàn)PTE超過50%的電能供應(yīng)。

圖13 六自由度多線圈WPT系統(tǒng)

通過在傳輸通道上增加導(dǎo)磁介質(zhì)可以降低漏磁，提升系統(tǒng)傳輸性能。2016年韓國高等科學(xué)技術(shù)研究院設(shè)計(jì)了一種六自由度多方向發(fā)射線圈，六自由度多線圈WPT系統(tǒng)如圖13所示。

通過將線圈繞制在導(dǎo)磁鐵芯上可以同時(shí)給不同方向多個(gè)接收線圈傳輸電能，由于發(fā)射線圈分布在不同位置和方向，因此在線圈周圍形成一個(gè)球狀磁場(chǎng)，可以為磁場(chǎng)范圍內(nèi)多個(gè)接收線圈形成耦合實(shí)現(xiàn)電能傳輸，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以最大PTE為33.6%的情況下傳輸100W的電功率，為多負(fù)載電能無線傳輸提供一個(gè)可行方案。

圖14 圓柱形鐵氧體鐵心螺旋線圈WPT
2019年河南師范大學(xué)提供一種新型鐵氧體鐵心的螺旋線圈WPT系統(tǒng)如圖14所示，與空芯螺旋線圈相比，系統(tǒng)傳輸功率平均提高了80%，在PTE為35%時(shí)，傳輸距離可以從10mm提高到34mm。

圖15 帶長方體鐵心的雙線圈WPT系統(tǒng)2019年天津大學(xué)提出一種帶長方體鐵心的雙線圈WPT系統(tǒng)如圖15所示，由于磁性材料的限制，系統(tǒng)的最大工作頻率應(yīng)小于1MHz，若采用頻率更高、損耗更低的鐵氧體鐵心，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸性能。該系統(tǒng)有效地提高了電能傳輸?shù)墓β�、效率和距離，通過實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了將10.3W功率電能在20kHz工作頻率下傳輸7m的距離。（本文編自2020年第20期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“磁耦合諧振式無線電能傳輸特性研究動(dòng)態(tài)”，作者為賈金亮、閆曉強(qiáng)。)