[发明专利]磁谐振耦合无线电能传输系统的实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及USB风扇技术领域，尤其涉及磁谐振耦合无线电能传输系统的实现方法。

背景技术

无线电能传输技术是指通过非接触的方式传输电能的方法。现有的无线能量传输技术主要有：感应耦合技术、磁耦合谐振技术、基于微波或光波的辐射技术。

其中，磁谐振耦合无线电能传输技术集合了电磁场、耦合模理论、高频电力电子、电磁感应理论等多学科的基础理论与应用技术，是国内外学术界和工业界开始探索的一个新领域，属于世界上电能输送领域的前沿课题。

磁谐振耦合无线电能传输技术是由美国麻省理工学院的Soljacic教授提出的。不同于远场的辐射损耗，它属于近场无损非辐射谐振耦合，虽然发射端和接收端之间的谐振耦合随两者距离的增加有所衰减，但从理论上说，未被负载吸收的能量会返回发射端，从而不会对效率影响太大。由于共振波长远远大于谐振器尺寸，所以附近物体对其影响有限，而且由于磁场和生物体之间相互作用很弱，所以对生物体是相对安全的。

此技术在继承了可远距离传输的电磁波式和近距离传输的电磁感应式无线电能传输技术优点的同时，又克服了其不足：

(1)传输距离方面：电磁波式传输距离最远，电磁感应式传输距离最短，磁耦合谐振式传输距离介于前两者之间，在保证高效率的同时，突破电磁感应式厘米、毫米等级限制；

(2)传输效率及功率方面：电磁波式因远距离传输在空气中损耗严重而效率较低，对应的传输功率也相对较低；电磁感应式在毫、厘级较高；而磁耦合谐振式传输效率在较远距离仅稍低于电磁感应式，功率在瓦至百瓦级，甚至更高。

(3)对周围环境影响：大功率的电磁波式无线电能传输时产生的电磁波辐射，会对周围环境产生较大影响；电磁感应式近似一个变压器的松耦合，对周围环境影响较小；磁耦合谐振式是一种非辐射性磁耦合，在近场区内，仅对与其谐振频率相匹配的物体产生强耦合作用，而偏离谐振频率的物体影响很弱。

磁谐振耦合无线电能传输机理的深入研究对今后该技术在各个领域的应用具有重要的理论指导意义。由于该技术比微波无线电能传输技术效率高，比感应耦合无线电能传输技术传输距离远，所以相较于其他两项技术，该技术更具研究意义和实用价值。

 磁谐振耦合无线电能传输技术是由美国麻省理工学院的Soljacic教授提出的。 2006年11月，美国MIT的研究人员提出了可中距离传输的无线电能传输技术，并随后通过实验进行了验证了以40％的传输效率，点亮了两米多外的60 w灯泡。其理论依据在于：如果两个振荡电路具有相同的谐振频率，那么在波长范围内是通过近场瞬逝波耦合的。感应器产生的驻波在远远小于损耗时间内，允许能量高效地从一个物体传输到另一个物体。不同于远场的辐射损耗，它属于近场无损非辐射谐振耦合，虽然发射端和接收端之间的谐振耦合随两者距离的增加有所衰减，但从理论上说，未被负载吸收的能量会返回发射端，从而不会对效率影响太大。

磁耦合谐振式无线电能传输利用谐振原理，使得其在中等距离(传输距离一般为传输线圈直径的几倍)传输时，仍能得到较高的效率和较大的功率，并且电能传输不受空间非磁性障碍物的影响。相比于感应式，该方法传输距离较远；相比于辐射式，其对电磁环境的影响较小，且功率较大。正是由于这些优点，使其得到越来越多的研究。目前国内外已有文献对无线电能传输技术进行总体的概述，国内外一些高校和研究部门也相继开展了感应式和谐振式无线电能传输的研究工作，取得了有意义的成果。

传输水平具体反映为传输功率、传输距离和传输效率，与系统谐振频率密切相关。关于系统谐振频率的选择，很多研究使用13．56MHz频率，保证系统工作在工业科研医疗所允许频段。而其它的研究系统频率从90．79kH到80MHz不等。总体来说处于比较高的频段。

 尽管磁耦合谐振式无线电能传输技术已经取得了长足的进展，但目前仍有不少问题尚待解决。主要表现为如下几个方面：

（1）理论上，针对该技术，系统性的分析和设计方法并未被完整地提出，谐振频率、电感值、电容值等参数并没有一套成型的理论进行选择设计。系统参数的敏感性分析并没能得到有效的开展。系统对频率变化非常敏感，而当该系统中的某一部分的参数发生改变时，系统的传输特性的变化情况，以及如何进行校正，并没有得到深入的研究。

（2）与耦合谐振式无线电能传输技术研究应用相关的问题，如高效高频发射源的制作、线圈的选择、阻抗匹配、恒压输出、电容补偿、导电／导磁物质的干扰问题等，都还没能得到切实地解决。

（3）与实际应用联系紧密的问题有待解决，如何将技术应用到实际需要实验研究。