杨立新-无线供电技术方案及应用

基于磁耦合的谐振式无线供电装置的研制杨新(西南科学技术大学网络学院电力技术专业2014春班)【摘要】:磁耦合谐振式无线馈电技术主要利用磁耦合谐振原理来提供实现能量无线传输的新能源传输路径。 与传统的有线电力传输相比，在电气设备中主要通过引线连接来获取能量的过程中，与避免产生引线露出、磨损、电火花等不安全的供电要素的其他无线供电技术相比，具有传输效率高、电力大、传输距离远、没有方向性等特点。 最重要的是，在一些特殊场所能够提供便利的电力，包括水下检测、油田矿山、高山沙漠、化工等。 因此，磁耦合谐振式无线馈电技术具有良好的应用价值和研究意义。本文通过研究磁耦合谐振无线馈电技术的基本原理和传输机制，构建了无线电供电系统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和内在规律。【关键词】: 无线馈电电波辐射感应耦合磁耦合谐振目录1 .课题的研究背景和意义32、国内外无线供电技术发展综述5(1)电波辐射式无线供电技术6(2)电感耦合式无线供电技术8(3)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、谢十一序言本文首先介绍了无线馈电技术的研究背景和发展概况，并主要介绍了电波辐射式无线馈电技术、感应耦合式无线馈电技术、磁耦合谐振式无线馈电技术的基本原理和应用领域，强调了磁耦合谐振式无线馈电技术的特点和应用前景。一、课题的研究背景和意义无线供电技术1234一直是人类研究的话题，主要是以非接触方式向供电设备输电。 与以往的有线供电相比，避免了电气设备之间主要通过导线连接获取能量的过程中产生火花、导线露出、磨损等不安全的供电要素。 无线供电技术的出现是一种特殊情况：如密封环境、旋转部件、水下监测等供电开辟了新的供电渠道，拓展了感应电动汽车、高速磁悬浮列车供电、医疗设备、消耗电子及传感器网络等的应用56 . 随着无线供电技术理论的成熟和实验研究的深化，出现了许多新的应用领域和相关产品，使现代工业生产和人的日常生活变得非常便利。 因此，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，关于无线供电的研究可以追溯到19世纪90年代，当时美国科学家尼古拉斯基于其研究构建了第一个无线电波传输测试系统，将能量传输到世界各地，为人类的生活提供照明之后，到1968年，美国工程师P Glaser提出了采用微波电力传输技术的太阳能发电卫星8。 该技术利用无限的太阳能，能够转换成微波或激光传输中地面人类可利用的电力。 20世纪80年代后期，加拿大队提出SHARP研究项目，建立了用于中继电信号的长期悬浮高空平台，取得了一定的应用9。 上述无线供电研究还不成熟，能量传输缺点：方向不稳定，效率低，传输距离限制，障碍物通过限制，以及对周围人和动物的磁辐射大，2006年11月美国物理学会工业物理论坛首次正式提出了磁耦合谐振式无线能量传输技术。 理论分析了该技术实现中距离能量传输的可能性，2007年6月由MIT (soljacic )教授指导的研究小组在2.74米以外，成功地进行了使电力为60瓦的灯泡点亮的实验10。目前，无线供电技术在许多领域得到广泛应用，主要体现如下(1)应用于传动轴部件：船舶柴油机的曲轴、列车、现代汽车等传动轴用传感器检测正常工作时的压力、温度、扭矩等参数，给传感器芯片供电，采用传统的有线传输方式是很困难的，但无线电能使该问题得到良好的解决(2)消费电子产品领域：无线供电技术对人类日常生活的消费电子产品非常方便，一般应用于小电产品，如手机、笔记本电脑、MP3手机、温度传感器、助听器、蓝牙耳机、电动牙刷，以及汽车零部件和医疗设备等11。(3)生活医疗领域：目前无线供电技术在医疗方面的应用主要是人工官、起搏器、人工耳蜗、助听器、医用小型机器人、人工耳朵等，避免传统植入式电池给体内电子设备供电的各种不便和缺点(如电池的更换、取出和植入中存在伤口感染的危险等)。 此外，在植入式医疗手术中利用外部电源的无线供电，不仅可以有效地给植入式医疗电子设备供电，还可以结合无线无线无线技术有效地进行电子设备的检查和控制，大大减轻移植手术患者的痛苦，提供更舒适、安全的医疗质量。 因此，无线技术在医疗领域有广泛的应用前景12。(4)在交通运输领域，交通工具节能、绿色环保、电气和自动化一直是人类研究的梦想，无线供电技术是最佳选择方案。 随着无线供电技术理论的发展和科研实验的深化，目前正在建设高速铁路浮磁列车、城市客车、电动汽车等交通领域。 例如，国土交通省(交通部)于2009年10月在奈良市，对充电式混合动力巴士组织进行过2次实用实验，2010年3月在韩国首尔的游乐场试用了新型电车。 该电车在铺有感应线的路面上行驶时可以“无线”充电，不需要像以往的电车那样通过线路和屋顶的电线获得电能13。(5)新型无线传感器网络领域：随着工业、医疗、生物学等领域无线传感器网络技术的发展，需要在检测区域内配置大量微传感器，将监测到的数据信息通过全球、自组织网络传达给观测者。 无线馈电技术解决了对上述多个传感器芯片的馈电。此外，这种新兴的无线供电技术不受周围恶劣环境和天气的影响，能够有效解决海底石油、油田矿山、水下勘探、天然气生产设备的供电问题，同时无线供电技术也不足。 例如，传输功率较小时，不能满足最大功率输出，并且目前只能达到kW级。 传输距离和效率不太理想。 另外，在无线供电过程中，磁辐射是否会对周围环境造成损伤还不清楚，大功率、长距离供电的研究成本很高。 但是，随着技术的不断更新和科研人员的不断努力，无线电技术不断发展，取得了重大突破，相信将取代传统的有线电力传输。二、国内外无线供电技术发展综述(1)电波辐射式无线供电技术电波辐射式无线供电(microwavepowertransmission ) 14 主要以将电能转换为电磁波或激光的形式在空间中传播。 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的原理框图用电磁波或激光装置将电能转换为电磁波或激光，用发送天线以电磁波辐射的形式在空间中自由传播，用接收天线接收电磁波能，用电磁波转换器和整流滤波器电路转换为负载。 该技术主要以电波的形式传输，可以实现长距离、广范围的电力传输，但其方向性不强，通过障碍物的能量弱，长距离传输效率低，给周围带来电波辐射危害。电波辐射式无线供电技术的研究始于1960年代末，当时美国工程师PGlaser提出了使用微波电力传输技术的太阳能发电卫星。 目前国内外对无线电辐射供电的研究主要集中在卫星空间轨道、太阳空间站、地面远距离大功率输电和电子行星等领域。电波辐射式无线供电技术在地面太阳能发电站、水电站、风力发电站、核电站电力输送等特殊情况下也能应用的输电线路铺设比较困难的地区、高山、森林、沙漠、海岛、水中等卫星空间轨道站电磁波无人机无线电站建设城市密集供电等领域。 因此，无线电辐射式无线供电技术的研究意义非常重大。(2)感应耦合式无线供电技术感应耦合式无线供电技术(inductivelycoupledpowertransfer简称ICPT技术15 )是将可分离变压器或松耦合变压器作为磁路结构来进行电能无线传输的技术，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的原理框图220V市的电压通过AC/DC整流滤波器成为必要的直流，直流通过高频逆变电路成为特定频率的交流，该交流通过发送线圈产生感应磁场，在相邻的接收线圈中在感应磁场产生感应电动势，实现了能量的无线传输。 其原理本质是电磁感应，传输功率相对较大且达到千瓦，但其传输距离相对较短，一般为厘米、毫米水平，并且系统可疏耦合或可分离耦合气隙相对较大，漏磁和励磁磁通相对较大。目前，感应耦合式无线供电技术研究比较成熟，20世纪90年代初，新西兰奥克兰大学电力电子学研究中心语音教授(John T.Boys )领导的课题组首次初步研究感应耦合式无线供电技术，该技术引起了日本、美国、韩国、欧洲等国家的关注如所示：图1.3韩国首尔游乐场试行的新型电车示意图该电车在铺有感应线路的路面上行驶时可以通过“无线”充电，不需要像以往的电车那样通过线路和屋顶电线获得电能的国土交通省(交通部)于2009年10月在奈良市对充电式混合动力客车组织进行了两次实用性实验车上充电座后，车的线圈碰到供电线圈后(重叠)，车内的仪表板上点亮灯，司机按下充电按钮后开始充电。图1.4国土交通省进行的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研究，在理论和应用方面取得了很大突破(1)重庆大学自动化学院研究小组在孙跃教授的指导下，对感应耦合式无线供电机制和传输特性进行了研究分析，对传输系统的可靠性、稳定性、效率进行了实验研究。 该组还开发了一系列ICPT供电系统1617181920。(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浮游列车无接触供电进行了分析21。(3)东南大学研究小组研究了电动汽车无线充电和无线输电技术对智能电网的影响2223。 感应耦合式无线供电技术广泛应用于医学生物供电、轨道交通、移动设备和旋转设备供电等。(3)磁耦合谐振式无线供电技术磁耦合谐振无线馈电(magneticresonantpowertransfer 24 )技术使用两个主要具有相同频率的谐振电路，通过磁场耦合实现了从供电侧到电气设备吸收侧能量的无线传输。 磁耦合谐振无线馈电技术相比于感应耦合无线馈电技术，前者引入了主要是谐振的谐振技术，以使传输线圈和接收线圈在相同频率下操作，不仅大幅提高了能量传输效率，而且大幅增加了传输距离。 该技术主要利用近场谐振耦合，辐射小，方向性要求不高，适用于中距离传输，传输效率高，能量传输不受空间障碍物(非磁性)的影响，能量传输效果与系统频率和线圈的制作密切相关，但对电源部分要求高，难以实现高频、大功率。图1.5是磁耦合谐振式无线馈电实验的原理图。 在实验中，主要由a、s构成的发送电路和由d、b构成的接收电路构成。 工作原理：首先，从发送电路的激励源a产生高频磁场，发送线圈s在施加激励下谐振，能量从a传递到s。 发射线圈s通过磁场耦合将能量传递给d。 线圈d最终耦合到负载电路b，即，能量最终传输到负载电路b。 这里，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图磁耦合谐振式无线供电技术由美国麻省理工大学(MIT )物理助理教授MarinSoljacic为首的研究小组于2007年底提出，成功点亮了2米以上的灯泡(60w )，当时在国内外引起了极大的关注。 国内知名大学也对该技术进行了理论和实践研究：图1.7是东南大学开发的传输距离70cm的接收功率约为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进行有效的无线能量交换。图1.6麻省理工大学(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馈电技术的发展比较成熟，在社会各个领域都体现了其具体价值。 目前已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基础、工厂用小型传感器的供电解决方案等。 在生物医学领域，25262728可用于某些体内设备(起搏器、医疗小型机器人等)的充电供电系统。与上述两种无线功率传输技术相比较，