[发明专利]非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输方法

说明书

本发明公开了磁耦合谐振式无线电能传输领域中一种非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输系统及方法，主要解决了磁耦合谐振式无线电能传输技术在对线圈尺寸要求较高的环境中的应用，及在频率分裂现象出现时传输功率较小的问题，该方法通过调整工作频率使得磁耦合谐振无线电能传输系统工作在输出功率较高的频率点。本发明准确的得出了系统处于过耦合状态得到较高输出功率所需要满足的条件，从而使磁耦合谐振式无线电能传输系统工作在输出功率较高的状态。

技术领域

本发明属于磁耦合谐振无线电能传输技术领域，涉及一种非对称线圈磁耦合谐振无线电能传输方法，尤其涉及一种通过改变磁耦合谐振无线电能传输系统的工作频率来提高过耦合状态下的输出功率的方法。

背景技术

自特斯拉提出无线电能传输理论之后，各国的科学家们对无线输电技术进行了大量的研究，但一直没有取得理想的成果。直到2007年MIT的科学家提出了磁耦合谐振式无线电能传输理论，并在2m左右的距离将60W的灯泡点亮，效率达到了40％。由于该技术具有效率高、传输功率大、电磁辐射小等诸多优点，且摆脱了电力线的束缚，该技术可以应用到军事、航天、矿井开采、医疗植入、家用电器、无线传感网络、电动汽车等领域，给人们的生活和工作带来了巨大的便利。因此，无线电能传输理论和应用技术得到了广泛的关注，成为研究热点。

目前国内外无线电能传输的实现有三种方式：

1.电磁感应式：其主要的理论基础是电磁感应定律。该技术使用了可分离的变压器的原理来实现了电能的无线传输。将传统变压器的两侧进行分离，当电流在一侧线圈中流动时，另一线圈能通过气隙或其他介质进行电能的感应耦合。

2.电磁辐射式：像射频信号一样直接采用电磁波进行电能的传输，该项技术根据使用媒介的不同可以分为微波电能传输技术和激光电能传输技术。其中，电磁辐射式无线电能传输技术主要是采用微波波段进行电能传输的。存在效率和传输方向性难以调节的缺陷，需要复杂的定位系统来保证发射和接收的定位的精准性，传输过程中若出现障碍物，其传输效率将会明显降低，辐射会对人体和其他生物造成不利的影响。

3.磁耦合共振式：其原理是利用磁场的非辐射近场耦合来传递能量，在很大程度上减小了对人体的伤害，延长了无线电能传输的距离，此方式传输效率高、距离远、功率大，是未来无线电能传输发展的主流方向。

频率分裂是磁耦合共振和感应式无线电能传输中普遍存在的现象，尤其在近距离能量传输时，频率分裂严重影响系统的传输功率。依据耦合系数大小及系统的工作模式，无线电能传输系统的工作区域可分为三种：强耦合、临界耦合、弱耦合区域。

研究发现当无线电能传输系统处于强耦合区域时，系统的传输功率在谐振频率两侧取得最大值，即出现频率分裂，随着传输距离的增加，耦合系数减小，频率分裂现象逐渐消失，当耦合系数达到临界耦合时，系统的传输功率在谐振频率处取得最大值，随着耦合系数进一步减小达到弱耦合区域时，系统的传输功率随耦合系数的减小而急剧下降，但系统最佳的传输状态始终是在谐振频率处，即是频率分裂只出现在强耦合区域。

因此无线电能传输系统的传输功率并非在谐振频率下一直处于最大值，而是在临界耦合状态处具有最大的传输功率和最优的传输距离。

综上所述，磁耦合共振无线电能传输系统的最佳工作状态是系统始终处于临界耦合状态，这样系统就可以在谐振频率处获得最大的传输功率和最优的传输距离。但是临界耦合状态所对应的传输距离是确定的，这就使得系统不可能始终处于临界耦合状态，而传输距离对耦合系数有着很明显的调节作用，随着传输距离减小，引起频率分裂，最终导致的系统传输功率急剧下降，严重阻碍了无线电能传输系统的普及和应用，为此，我们必须找到一种技术方法实现在频率分裂出现的时候获得较大的功率。

发明内容