磁共振耦合无线能量传输技术国内外研究现状
时间:2018-04-25 20:10 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
| 磁共振耦合无线能量传输技术是由麻省理工大学的Marin Soljacic教授于2006年11月在美国AIP工业物理学论坛上首次提出的，他们基于理论方面说明了 1 麻省理工研究人员及实验装置 这一技术是可行的，并在第二年成功进行了实验。麻省理工的研究人员认为，具有相同谐振频率的物体组成耦合谐振系统(如声音、电磁场、核子等)，可以高效率的传递能量。相对于其他介质，磁耦合是最佳选择。实验中，研究人员采用两个稀绕铜螺线管，线管半径为30cm,线管高度20cm,导线半径3mm，匝数5.25，实际品质因数Q=950，在频率约为9.9MHz，收发端相距2.13m时，成功对一盏60W灯泡进行供电，效率达到60%。距离0.75m时，效率甚至达到96%[11]。这一成果极大促进了无线能量传输技术的发展，激发了人们投身研究的兴趣和希望。 继提出耦合谐振理论后，麻省理工的研究人员进一步对此进行研究，在2009年他们提出了一个三谐振体的模型，与二谐振体模型的不同之处在于在能量传输路径中加入了一个谐振体作为媒介以提高效率。其系统示意图如2，21804 2 三谐振体模型图 在新的模型中，发射线圈L1与接收线圈L3始终处于垂直平面内，并且以相同的频率进行旋转，两者之间不直接耦合，发射线圈L1首先与中间线圈L2进行耦合，L2再与接收线圈L3耦合，从而实现能量传输。通过调节L1和L3的旋转周期，使得L1、L3和L2的耦合能量相加为零，可以提高传输距离和效率[14]。 在2010年的应用物理学期刊上，麻省理工再次提出了多接收端能量传输方式,其模型如图1-3。论文网 3 多接收端模型 发射线圈使用一个大型线圈，直径113cm，接收线圈则为两个直径30cm的小线圈。理论研究和实验皆表明，多个接收线圈同时工作时，系统的总传输效率比单线圈工作时的效率要高。同时发现在距离相同的情况下，接收线圈分别置于发射线圈两侧时系统的总传输效率比同时置于一侧时要高[15]。 1.2.1.2不列颠哥伦比亚大学研究成果 不列颠哥伦比亚大学的工作人员主要探讨了磁共振耦合无线能量传输技术在小功率物件上的应用。他们采用四谐振体结构，进行了电路的数学分析，解析出系统传输效率和接收功率的数学表达式。在此基础上得到了系统传输效率最大时的条件，进而研究了各个线圈的品质因数、负载电阻、电源内阻对系统传输效率的影响。最后，以实验方式验证了理论[16]。 1.2.1.3日本东京大学研究成果 东京大学的研究人员研究了磁共振耦合无线能量传输技术在实际生活中的应用。文[17]中使用这一技术研究了电动车无线充电的相关问题，以双线圈模型为基础通过理论与实验相结合的方法，解决了系统传输特性与距离、耦合系数等参数之间的关系。文[18]进行了阻抗匹配方面的研究，使得系统工作在ISM可用频率范围内。文[19]研究了距离对传输效率的影响关系，对耦合系数、线圈损耗电阻进行了仿真。 4 电动车充电结构 1.2.1.4国外其它研究成果 美国匹兹堡大学的研究人员通过磁共振耦合式无线能量传输技术研究了体内植入式器件和医学方面所使用的传感器。他们将厚度为0.2mm-1mm的薄铜片粘贴在薄的圆筒形树脂绝缘材料上制成薄膜型螺旋线圈，用两个半圆铜片制成电容，需要改变电容大小时只要旋转使得两个半圆的重叠面积改变即可。实验时，效率为50%时收发端相距20cm[20-21]。卡内基梅隆大学的Seth Copen Goldstein 等人对多接收端结构进行了研究，他们同时考虑了所有线圈之间的互感系数，着重分析了这种结构的电路原理及可能性，并从理论和实验方面说明了强耦合时系统会出现频率分裂现象[22]。华盛顿大学的 Joshua R. Smith 等人从电路理论角度出发，分析了磁耦合谐振能量传输系统的最佳传输距离（临界耦合点），以及系统中出现的频率分裂现象和系统失谐现象，采用自适应调频技术适当解决了系统收发端相对位置改变时影响效率的问题，在实验过程中，收发系统相距0-70cm的范围内，任意移动接收端，系统仍能将效率保持在70%以上[23]。2010年，日本富士通公司利用磁耦合谐振无线能量传输技术实现了同时为几个设备充电的装置，且设备相对于充电器的位置没有任何限制。三菱机电研究所提出了采用负折射率材料来提高传输效率的方法。负折射率材料介电常数和磁导率均为负数，在发射和接收线圈之间分别放置两个负折射率材料制成的平板，以此来提高一定距离时的耦合系数，从而提高能量传输效率[24]。东芝公司的研究人员研究了当传输系统周围有金属障碍时对系统传输效率的影响[25]。 (责任编辑：qin) |