著名物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波后不久，美籍電氣學(xué)家尼古拉·特斯拉便提出利用電磁波攜帶能量實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸?shù)臉?gòu)想[1]。與傳統(tǒng)的用導(dǎo)線進(jìn)行電力傳輸方式相比，無線電能傳輸實(shí)現(xiàn)了電源與用電負(fù)載間完全的電氣隔離，不僅克服輸電導(dǎo)線帶來的空間限制、不易維護(hù)等問題，更可避免接觸放電等安全隱患，具有安全、可靠、靈活等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)[2]。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，電能無線傳輸延伸出幾種不同的傳輸方式：微波、無線電波、激光、超聲波、電磁感應(yīng)、諧振耦合，這幾種傳輸模式各有優(yōu)勢和不足[3-4]。電磁感應(yīng)式是過去20年來無線電能傳輸?shù)闹髁?，已有一些商業(yè)化產(chǎn)品面世，但其傳輸距離過短制約了它在更廣闊范圍的應(yīng)用。
    諧振耦合模式由MIT的M. Soljacic團(tuán)隊(duì)提出，并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了2 m、60 W的傳輸效果[5]，這表明該模式具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，奠定了無線電能傳輸技術(shù)在汽車充電、物聯(lián)網(wǎng)傳感器及醫(yī)療植入物供電等廣泛領(lǐng)域的實(shí)用化基礎(chǔ)，引發(fā)了近年來諧振耦合式無線傳輸技術(shù)的研究熱潮。
    目前，如何提高電能傳輸效率已成為研發(fā)實(shí)用化、低頻、小體積諧振耦合無線電能傳輸裝置的關(guān)鍵課題。耦合模理論(Coupling Mode Theory)表明，采用高無載Q值線圈可明顯提高諧振系統(tǒng)在低頻下的傳輸效率，促使超導(dǎo)諧振耦合系統(tǒng)設(shè)想的產(chǎn)生，但其高昂的成本不容忽視[6]。參考文獻(xiàn)[7]則提出采用阻抗變換電路改變負(fù)載等效阻抗的方法以提高系統(tǒng)的傳輸效率。PINTO[8]、TAK[9]和HUNTER[10]等人發(fā)現(xiàn)，采用不同模型，諧振耦合系統(tǒng)的能量傳輸效率均受諧振體距離和相對角度等諧振結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，在一定結(jié)構(gòu)條件下存在效率極值，這說明可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)諧振結(jié)構(gòu)來有效提高傳輸效率。例如，羅斌等人最近便采用單中繼線圈顯著增大了小信號、低頻率RLC 串聯(lián)諧振系統(tǒng)的能量傳輸距離，且發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的傳輸效率和負(fù)載功率對中繼線圈的橫向偏移和角度傾斜變化不敏感。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，線圈匝數(shù)與傳輸效率成負(fù)相關(guān)，而線圈半徑的增大對傳輸效率產(chǎn)生先提升后抑制的影響[11]。另外，串/并聯(lián)混合諧振電路、自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)等方法也被預(yù)期可用于提升或保持系統(tǒng)的最佳傳輸效率。
    本文通過實(shí)驗(yàn)探索了多負(fù)載線圈、單中繼線圈、隔磁材料貼附對諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸效率的影響。
1 多接收線圈結(jié)構(gòu)對傳輸效率的影響
    目前諧振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)多為單負(fù)載線圈結(jié)構(gòu)。由于發(fā)射線圈發(fā)射磁場并無完全的單向性，在以其為中心的球形空間內(nèi)均有一定程度的磁場分布，單線圈負(fù)載顯然無法接收整個(gè)磁場能量。采用多負(fù)載線圈結(jié)構(gòu)理論上可提高磁場能量接收率，從而有望提升系統(tǒng)傳輸效率。
    圖1給出了本文實(shí)驗(yàn)研究的單負(fù)載諧振結(jié)構(gòu)和雙負(fù)載諧振結(jié)構(gòu)的示意圖。其中單負(fù)載結(jié)構(gòu)只有接收端1位于發(fā)射端的右端，雙負(fù)載結(jié)構(gòu)的兩個(gè)接收端1與接收端2分別位于發(fā)射線圈軸線的兩個(gè)方向。

    實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率隨傳輸距離的增加呈現(xiàn)先增大后減小的演變行為。單負(fù)載系統(tǒng)和雙負(fù)載系統(tǒng)均在4 cm附近達(dá)到最大傳輸效率，小幅偏離最佳傳輸距離即可引起傳輸效率的快速下降，該結(jié)果同PINTO等人的理論研究結(jié)果一致[8-9]。極值兩側(cè)傳輸效率的對數(shù)值同傳輸距離近似成線形關(guān)系，此關(guān)系在圖2中體現(xiàn)得更為明顯。4 cm處系統(tǒng)最大傳輸效率從14.35%增加到45.7%。以上結(jié)果表明，通過增加接收線圈數(shù)量確實(shí)可提高發(fā)射磁場能量的利用率，提高系統(tǒng)的傳輸效率。值得指出的是，實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)考慮到多接收端對發(fā)射能量的分散作用，因此接收端的個(gè)數(shù)應(yīng)視接收電壓而定，以保證接收端電壓可驅(qū)動負(fù)載。
2 中繼線圈對傳輸效率的影響
    HAMAM[12]和RANGELOV[13]等人均從理論上提出附加中繼線圈可改善諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的性能。圖3是在發(fā)射線圈和接收線圈間同軸附加中繼線圈的諧振耦合系統(tǒng)的示意圖。為保證系統(tǒng)的諧振性，中繼線圈諧振頻率與系統(tǒng)固有諧振頻率相同。

    實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中繼線圈與發(fā)射線圈間距離d對系統(tǒng)傳輸效率影響明顯。隨著中繼線圈遠(yuǎn)離發(fā)射線圈，系統(tǒng)傳輸效率先后經(jīng)歷緩慢增加、快速增加和快速下降(直至平穩(wěn))的過程，而最大傳輸效率對應(yīng)的中繼線圈-發(fā)射線圈距離do則與傳輸距離l有關(guān)。
    此外還注意到，中繼線圈應(yīng)在發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生諧振后放置，否則，中繼線圈對系統(tǒng)傳輸效率的提升作用便不明顯，這與RANGLOV等人的理論分析結(jié)果一致[13]。
    進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，附加中繼線圈亦可明顯提高諧振耦合系統(tǒng)的傳輸效率，如圖4所示，且在較遠(yuǎn)距離下中繼線圈對效率的提升更加明顯，這與反射阻抗隨中繼距離變小而增大有關(guān)。其中中繼線圈均放置在各傳輸距離對應(yīng)的最佳位置處。由此可見中級線圈可起到增強(qiáng)磁場能量匯聚的作用。隨著傳輸距離的增加，無論是否附加中繼線圈，系統(tǒng)傳輸效率均逐漸減小。
    一般而言，線圈發(fā)射磁場的能量主要集中在以線圈軸線為軸、線圈面為頂面、發(fā)射角為?茲的錐臺空間內(nèi)。當(dāng)傳輸距離較小時(shí)，接收線圈即可覆蓋整個(gè)發(fā)射角，從而實(shí)現(xiàn)高的傳輸效率，此時(shí)附加中繼線圈所起到的能量匯聚作用對提高系統(tǒng)傳輸效率意義不大；增大傳輸距離時(shí)，傳輸線圈所覆蓋的發(fā)射角逐漸減小，因而傳輸效率逐漸下降，此時(shí)附加中繼線圈所產(chǎn)生的磁場能量匯聚作用可等價(jià)于減小傳輸距離，因而可有效提高系統(tǒng)的傳輸效率；若傳輸距離繼續(xù)增加到遠(yuǎn)場，接收線圈覆蓋發(fā)射角很小，導(dǎo)致傳輸效率極小，即使附加中繼線圈，由于線圈間距離大，傳輸效率提升效果有限。此時(shí)可考慮適當(dāng)增加中繼線圈數(shù)量，但由于中繼線圈存在能量損耗，不能無限增加，所以中級線圈數(shù)量應(yīng)存在最佳值。
3 隔磁材料對傳輸效率的影響
    圖5給出了不同厚度的錳鋅鐵氧體隔磁片對傳輸效率的影響曲線。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隔磁片貼附在接收端可提升傳輸效率，而貼附在發(fā)射端系統(tǒng)時(shí)傳輸效率反而有所降低，可見由于隔磁片的磁場屏蔽和能量吸收作用，發(fā)射線圈貼覆隔磁片能降低系統(tǒng)傳輸效率，其機(jī)制有待進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)亦表明，隔磁材料對諧振耦合系統(tǒng)電能傳輸效率的調(diào)節(jié)能力與隔磁材料的磁導(dǎo)率亦存在關(guān)聯(lián)，磁導(dǎo)率越高，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)中采用的硬的鐵氧體隔磁片磁導(dǎo)率為125，軟的磁導(dǎo)率為45(在1 MHz下的值)。從圖5中可以看出，高磁導(dǎo)率的隔磁片對效率的提升作用大于低磁導(dǎo)率。
4 綜合系統(tǒng)
    從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，添加多接收端、中繼線圈與隔磁片這3種方法都可以在一定程度上增加無線電能的傳輸效率。由圖6可知，構(gòu)建綜合系統(tǒng)，在系統(tǒng)中同時(shí)應(yīng)用上述方法，在傳輸距離l=5 cm時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率從原來的25.85%提高到了85.4%。

    本實(shí)驗(yàn)研究了多接收線圈、中繼線圈和隔磁片在提高低頻小線圈諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率中的作用規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，以上方法均可提高諧振耦合系統(tǒng)電能傳輸效率，其中多接收線圈和中繼線圈兩種方法的提升效果更加顯著。中繼線圈結(jié)構(gòu)可使雙線圈系統(tǒng)在較寬的傳輸距離范圍內(nèi)保持較高的傳輸效率。最后搭建了綜合系統(tǒng)，應(yīng)用上述方法，系統(tǒng)總的傳輸效率與原始系統(tǒng)相比得到了明顯的提升。
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