无线能量传输技术研究

无线能量传输技术简述（1 / 6） 小组成员： 无线能量传输技术简述 摘要： 无线能量传输技术近年来得到了极大的发展，在诸多领域得到了广泛的应用。该技术不依赖于有线的传输媒介，对于有线供电部署困难的场合具有重要的意义。本文将简要介绍了无线能量传输技术的发展、传输方式、国内外的研究现状以及传输中遇到的问题。 关键词： 无线能量传输、电磁感应、电磁共振、电磁辐射 1．引言 1.1技术背景 尼古拉•特斯拉创建了交流电系统后，又基于交流电系统提出了无线能量传输的构想，为此，他搭建了特斯拉铁塔实验平台，以研究无线远距离能量传输。后由于资金匮乏最终未能如愿，但这，足以启发人们对无线能量传输的探索。 随着科学技术的发展，基于特斯拉无线能量传输的构想，很多欧美学者展开研究工作，20世纪60年代，提出了利用微波将太阳能从卫星输送到地面的想法；70年代，利用电磁感应原理的电动牙刷研制成功；90年代，新西兰奥克兰大学成立研究中心，主要研究滑动式无线能量传输系统并获得重大进展，21世纪初，美国麻省理工学院研究人员提出了强耦合电磁共振原理，并实验成功引起世界注目；随后几年，诸多国家掀起了无线能量传输技术的研究热潮。 传统的电能传输方式存在很多不足之处，电源线、电源插头种类各异，不能 无线能量传输技术简述（2 / 6） 通用；插座也有形式和数量的限制；电线插头又存在老化损坏的现象，对人们的生命财产安全造成威胁，特别是在一些大功率应用的工业场合，如井下作业、石油和采炼等，接触中即使再微弱的火花都会造成难以估量的损失。而在这些场合，如果使用无线供电方式，就能消除潜在的安全隐患，因为无线能量传输技术能够在非接触的情况下将电能输送过去，这样得以保证系统安全、可靠以及灵活的运作。 1.2技术应用 无线输电技术应用领域非常广泛，概括起来有以下几个方面： ① 医学：把设备放置于体外，对体内设备进行无接触能量传输和控制； ② 地下作业：用于海底探测、化石能源采集等活动； ③ 电池充电：手机、笔记本电脑，太阳能电池板等用电设备的电池充电； ④ 机器驱动：对区域内用电设备直接供电，如电灯、机器人等。 1.3能量传输方式 无线能量传输主要通过三种方式： ①电磁感应式（InductivelyCoupledPowerTransfer），现已比较成熟，它是由原边线圈通电产生磁场，而副边线圈必须处于这一磁场之中才能有效传输能量，因此传输距离相对较近（数十毫米之内），属于近场无线能量传输技术，但电能传输的效率却很高，能够达到99%，工作频率较低，一般在几十KHz。电力传输过程中使用的变压器就是最直接的应用，变压器原副边线圈实际并未相接，通过互感耦合来实现能量的传递，这种技术要求发射端和接收端的位置保持固定，两侧线圈一旦出现位移情况，那么传输的稳定性以及效率都会骤然下降。 ②电磁共振式(MagneticResonantWirelessPowerTransfer)，基于相同频率的振 无线能量传输技术简述（3 / 6） 荡电路，只要振荡器设计合理，那么相隔一定距离（共振波长范围内）产生共振，能量通过电磁场为媒介相互传递，亦属于近场无线能量传输技术，传输距离相对较远（数十厘米到数十米），效率高，频率一般在MHz，因为共振波长数倍于振荡器尺寸，所以能量在传输过程中能够绕开或者穿透附近非磁性物体，不受其影响，也不具有特定的方向，并且磁场对周围人和其它生物几乎没有相互作用，安全性得以保证。 ③电磁辐射式，它利用微波（MicrowavePowerTransfer）或者平行激光束（LaserPowerTransfer）实现能量的定向传输，属于远场无线能量传输技术，传输距离最远（数千米），由于空气吸收以及电能光能之间的相互转换，导致传输效率非常低，频率最高，一般在GHz，这类点对点传输要求接收装置与发射装置之间不能有障碍，而且激光和微波对生物体会造成不同程度的伤害。 2国内外研究现状 2.1国外研究现状 2006年，美国麻省理工首先提出了磁共振式无线能量传输技术，团队成员使用两个空间螺旋状线圈作为发射端和接收端，隔着障碍物将两米外的一个60W灯泡点亮，谐振频率在9.9MHz左右。其后，美国威斯康辛大学设计了能够传输220W的无线装置，但是距离缩短至30cm，传输效率却明显提升。 日本东京大学在麻省理工研究的基础上，重点研究了不同线圈结构下传输效率、谐振特性、阻抗匹配等问题，并分析了系统传输特性随耦合系数、传输距离、工作频率、线圈内阻等参数的变化情况，研制出可以给电动汽车充电的展示装置，传输功率在100W左右，传输距离为20cm，效率达到96%。 匹兹堡大学主要研究医学领域，他们利用无线能量传输技术为可植入式设备 无线能量传输技术简述（4 / 6） 提供非接触充电，主要也是基于麻省理工强耦合磁共振原理，由于是应用于医学，属于小功率能量传输，因此，发射端和接收端螺旋状线圈尺寸都较小，特别是接收端只有几十毫米乃至几毫米，完全适合医学植入使用，但是传输效率很低，距离在90mm时传输效率为22.3%。 国际上还有很多知名大学或者组织机构致力于此项技术的研究，不列颠哥伦比亚大学主要研究小功率领域，他们利用电路耦合理论，经过一系列计算得出能够反应系统传输特性的表达式，包括传输功率、传输效率等，并进行了优化分析；华盛顿大学和卡内基梅隆大学利用电路耦合理论并结合实验分析验证了频率分叉现象，即在不同谐振补偿结构下，不同参数条件下，谐振频率点会出现分叉；三菱电机研究所则通过研究电磁材料，通过增大耦合系数的方式，提高能量传输功率和效率。 2.2国内研究现状 在无线能量传输技术研究的热潮中，国内已有不少组织机构投入这个领域，虽然中国在此领域起步较晚，但也获得了一定的研究成果。 2001年，西安石油学院的李宏发表了第一篇关于感应电能传输技术在矿井用感应电力机车上应用的可行性的文章。同年，重庆大学自动化学院孙跃教授开始了对无线电能传输技术及其应用的研究，并且重庆大学与国外的新西兰奥克大学展开了合作，与国内的海尔集团进行合作，进行深层次的学术交流与科技合作。2003年，重庆大学樊华、郑小林、皮喜田、彭承琳等对用于体内诊疗装置的无线能量传输方案进行了研究，这是比较早的一次对于无线能量传输技术在医疗仪器上的应用的探索。 随着技术的成熟与进步，越来越多的科研人员与科研机构以及高校开始了对 无线能量传输技术简述（5 / 6） 无线能量传输技术的研究，这项技术也越来越受到关注，且应用领域越来越广，特别在医疗方面，有着巨大地应用价值，比如基于药囊内窥镜的无线功能系统的研究以及基于无线供能技术的定点施药系统的设计等等研究。总而言之，国内的关于无线能量传输技术的研究在进一步的深入，在研究领域方面也在进一步的扩大。 3技术挑战 3.1电磁兼容 考虑到电子设备的多样性及电磁环境的复杂性，新技术、新产品的研发和普及过程，以及不可避免的会产生某些干扰，为了同现有无线电业务和平共处，避免产生不必要的频率干扰，就必须考虑电磁兼容问题。 电磁兼容即电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。电磁兼容包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值，不能对其他电子产品产生过大的影响,不影响其他电磁系统的工作，即电磁骚扰；另一方面，是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的电磁抗扰度，即电磁敏感性。 目前没有专门的频段划分给无线能量传输产品，其使用的频段广泛，覆盖低频段到微波段：如基于感应原理的无线充电国际标准规定的操作频率为110kHz～205kHz；MIT的电磁共振实验使用的是4MHz～9.9MHz短波频段；Powercast公司使用915MHz传输能量；采用微波方式的WPT多使用2.45GHz。如果WPT技术使用的频率不恰当，产品设计不够合理产生干扰，可能威胁到导航、移动通信、雷达、蓝牙及WiFi等其他通信系统。 无线能量传输技术简述（6 / 6） 3.2安全问题 无线能量传输系统的安全问题主要应考虑电磁场辐射下对人体的安全问题。无线充电国际标准发布的消息说，具有此标准的产品仅在终端盒充电器线圈里具有非常强的电磁场，在此以外的范围磁场非常弱。MIT也公布实验数据指出，共振状态下磁场强度仅相当于地磁场的强度，不会对人体构成危害。但是，对WPT系统对人体的辐射等问题仍应当谨慎对待。 4结语 无线能量传输作为一种新的能量传输方式，在诸多领域都有着很大的应用潜力，无线能量传输技术不仅能够应用于生物医学、海洋勘探、化石能源开采等方面，而且在还能够应用于人们的日常生活，很大程度上为人类带来便利。 参考文献 [1]杜秀.磁谐振耦合无线能量传输机理及实验装置研究[D].北京交通大学,2014.[2]张鹏翀.小功率无线能量传输系统关键技术研究[D].南京理工大学,2013. [3]邱一腾.基于无线能量传输的物联网能量均衡策略研究[D].大连理工大学,2013. [4]袁野.无线电磁能量传输与接收的若干问题研究[D].南京大学,2013. [5]李莎.基于磁耦合谐振的无线能量传输技术研究[D].河南师范大学,2013. [6]任大华.磁耦合谐振式无线能量传输系统传输特性研究[D].郑州大学,2014. [7]黄霞丽.无线能量传输技术[J].无线互联科技,2012,07:195-197. [8]沈娜,李长生,张合.磁耦合共振无线能量传输系统建模与分析[J].仪器仪表学报,2012,12:2735-2741.

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基于磁共振的无线能量传输充电技术的探索

作者：林盛 徐放 高庆忠 张杰

来源：《科技资讯》2015年第11期

摘 要：磁共振无线能量传输充电技术是一种不借助线路，依托磁场共振为设备原理的高效充电的技术。磁共振方式由高频电源，发射谐振器，接收谐振器和负载组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个固有的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量。但是由于应用环境的复杂多变，通过对耦合模型的分析，在保证发射端参数不变的前提下有半径对于接受端的影响是最大的，它能够最直接的影响传输效率。

关键词：WPT 磁共振 传输功率 固有频率

中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0042-01

无线电能传输WPT是不借助任何接触类的电器元件是电源和设备之间完成电能传输的方式。已知的无线电能传输技术，根据实现的方式和原理又可分为感应耦合式传输、电磁共振耦合式传输、无线电射频传输、微波传输和激光传输等。2007年7月6日，MIT的助理教授Marin Soljacic[1]领导的6人小组正式在科学杂志上发表了他们关于磁共振无线电能传输技术方面研究的文献，并且成功利用该成果点亮了2m外功率60w的灯泡，传输功率达到了40%。共振的优势在于可延长传输距离，该技术可望在电动汽车、工业机器人、航空航天、军事、无线传感器网络等领域大力发展。

1 基本原理

电磁共振的磁场强（近场）无线能量传输是多个学科交叉技术，其工作原理和传输的频段物理模型介于无线电波传输理论和传统电路模型之间，通过了解无线充能的这种基本原理和模型构造方便我们深入的进行探索。

一个电感和一个电容可以构成一个LC谐振电路，当电感或者电容的能量被激活的情况下，在不考虑能损的理想情况下，电能会周期连贯的以电感中的磁场和电容中的电场为媒介储存，这样能量周期交替储存过程在电路理论中被称为谐振。这个震荡电路电感附近的磁场在这样周期性储能变化中会产生一种交变磁场。当选取两个谐振器当发射端和接收端并调节震荡频率一致时，发射端一侧的谐振器磁场激发，磁场中的部分磁力线会在另一侧谐振器的电感线圈中交联，谐振电路电感激发的磁场是一个交变磁场，又电磁感应原理交变磁场的磁力线的交联部分通过另一侧谐振器电感线圈时，变化的磁场会产生电场。两个谐振器的谐振频率且相同，交变磁场产生的电场会储存于另一侧的谐振器电容中。 这样一个过程让发射端的谐振电路中的能量传输到了接收端一侧。 龙源期刊网

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无线电能传输技术的研究现状与应用

作者：陈建

来源：《科学与财富》2016年第34期

（新疆新闻出版广电局节传中心8104台）

摘 要：无线电能传输技术是一种利用电磁效应或者能量转化作用而实现的新型输电方式，并且有着安全可靠等诸多特点。但是我国的无线电能传输技术起步时间较晚，还没能够很好的进行普及，目前也只是英语与一些比较特殊的场合。本文就无线电能传输技术的研究现状以及应用进行了分析研究。

关键词：无线电能传输；研究现状；应用

随着电能传输技术的不断发展与进步，使得无线电能传输这门技术受到的关注程度也变得越来越高，并在某些场合中表现除了传统电能运输模式所无法比拟的独特优势，并大大的提升了整个电能传输郭恒中的安全性、可靠性与便捷性。但现阶段的无线电传输技术中扔存在着一些缺陷，这就要求相关的研究人员能够不断的进行深入的研究。

一、无线电能传输技术的发展现状

在进行电能传输的过程中，一般都是将电缆线作为整个传输的媒介。而在这一过程中经常会出现传输耗损、线路老化等诸多因素，并且对整个设备供电的安全性以及可靠性都有着很大的影响，并严重的缩短了设备的使用寿命。而且子啊矿底与海底等特殊的场合，这种传统电缆供电的方式所产生的缺点往往会带来非常严重的后果，甚至会造成爆炸与火灾等，从而带来了巨大的安全隐患以及经济损失。而在人们的日常生活中，大量的电源线存在也会给人们的生活带来巨大的不便。

而在19世纪中后期。著名的电气工程师尼古拉、特斯拉就提出了无线电能传输技术这一概念，并且还进行了相关的实验研究，但因为当时的电能传输技术以及财力等因素的限制，使得该技术仅仅存在于一个构想的阶段。而随着电磁波理论的进一步发展，古博等人在理论上进行了自由空间中波束导波传输能力的研究，并通过大量实验研究证实了其可行性。带了20世纪初期，日本工程师发明了一种可以进行无线电能传输的定向天线，并能够借助微波的形式进行能量的传送。而雷声公司的布朗等人则在此基础上又进行了大量的研究工作，并且设计出来了有着高效率与简单架构的半导体二极管天线，这也使得无线电能传输方式利用微波进行这一方式得到了广泛的研究。直到现阶段为止，已经可以利用微波进行电能的有效传输，并能够充分的实现大功率、远距离的无线电能输送。

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无线能量传输技术研究

作者：王枢

来源：《科教导刊·电子版》2017年第34期

摘 要 本文对无线能量传输技术的背景、方式、特点进行了研究，并分析了可行性。

关键词 无线能量传输 特点 可行性

中图分类号：TM724 文献标识码：A

1无线能量传输技术的背景

无线能量传输或无线功率传输，是指能量从能量源传输到店负载的一个过程，这个过程不是用传统的有线来完成，而是通过无线传输实现。

从上世纪末开始，电子信息技术的发展突飞猛进，当前还呈现出移动和无线通信网络日益融合的趋势，凭借新一代无线网络技术，人们可以“随时、随地”联网，可以利用蓝牙技术进行无线传输数据。而无线能量传输技术将使手机、笔记本电脑、电视等家用电器，乃至大型的电力系统实现“隔空”能量输送——不难猜想这会省去多少麻烦——这也必将会是生活空间中无线技术的又一轮革命。

无线能量传输技术不仅在工厂企业、能源、航天航空、军事、水下作业等领域有重要价值，而且在家用电器、交通设施、医疗卫生等民用领域也具有广泛的应用前景。在中国科技协会成立50周年的庆祝活动中，无线能量传输技术被评为“10项引领未来的科学技术”之一。

2无线能量的传输方式

目前，根据无线能量的传输方式，可将其分为三种：辐射式、电磁感应式以及电磁共振式。

2.1辐射传输式

辐射能量传输方式，主要是以微波的形式通过天线发送和接收能量，例如微波无线能量传输技术，就是利用微波转换装置把直流电转换成微波，然后通过天线发射；接收天线接收大功率微波束后，将其通过微波整流器重新转变为直流电。

2.2电磁感应传输式 龙源期刊网

电磁感应式传输是利用电磁感应原理，采用可分离变压器或松耦合变压器实现非接触感应式电能的传输。该技术是将两个电磁线圈放置在相邻的位置上，当其中一个线圈中流动的电流发生变化时，另外一个线圈中也产生感应电动势，从而实现能量的无线传输。