无线电力传输的原理及应用

2016-06-28广东省东莞市联升电线电缆有限公司广东东莞523920

中国新技术新产品 2016年10期

邱红（广东省东莞市联升电线电缆有限公司，广东东莞 523920）

无线电力传输的原理及应用

邱红
（广东省东莞市联升电线电缆有限公司，广东东莞 523920）

摘要：电力是现今应用最为广泛的基础性能源，在电力的输送中主要使用线缆进行传输，随着电子技术的不断发展，各种电子设备被应用于生产、生活中，其中所使用的大量的线缆严重困扰着电器设备的发展，在无线电力传输技术不断研发的同时，做好对于无线电力传输技术的应用是现今乃至今后一段时间电力传输技术发展的重点，本文将在分析无线电力传输技术原理的基础上对如何做好无线电力传输的应用进行分析。

关键词：无线电力传输；电磁感应；电磁共振；微波

无线电力传输是现今电力传输技术的重点也是热点，无线电力传输主要利用的是无线电来实现对于电力能源的传输，无线电从发展至今主要用于传播手机、广播、电视等信号，而无线电力传输则要求对电力进行无线传输，两者传输的原理相同，但在无线电中负载的能量不同，其中无线通信主要看中的是负载在无线电波中的信息，在接收端将所搭载的信息筛选出来即可，而无线电力传输则传输无线电波中所负载的能量，在提高传输距离的基础上要求较高的能源传输效率，以满足对于电力传输的需求。

1 无线电力传输发展的历史

无线电力传输这一想法在200多年前就已经诞生了，但是受制于当时的技术研发水平以及成本的限制使得无线电力传输这一技术发展较为缓慢，早在1836年，英国科学家尼古拉斯卡兰在研究中发现了电磁感应线圈这一电磁现象，在电力传输中通过改变一个线圈中的电流将会使附近另一个线圈的两端产生火花，之后麦克斯韦通过不断的研究，总结出一组严谨、简洁的方程，建立起了一套完整的电磁理论体系，从而为做好电磁的利用奠定了一个良好的开端。经过不断的研究，1888年，德国科学家赫兹在总结验证电磁波的基础上为促进无线电的诞生打下了良好的开端。无线电力传输最早是由尼古拉斯所发明的，其主要是将现在的低频高压电流转化为高频电流，而后将空气作为媒介来完成对于高频电流的传输，这一采用无线电来进行电力传输的构想不但能够方便地对电力进行传输，而且能够节省下大量线缆的成本，同时也提高了电力传输的效率，特斯拉为验证其无线电力传输的构想，在纽约的长岛建立了名为特斯拉线圈的电力发射塔，并试图以地球本身和大气电离层作为导体来进行电力的无线传输，但是这一尝试后因资金短缺而未能实现。时至今日，为了实现电力无线传输这一伟大的构想，各国都加大了对于无线电力传输技术的研发力度，并已经初见成效。

2 短距离的电磁感应的无线电力传输

现今，短距离的无线电力传输主要是利用电磁感应原理来实现的，其原理如图1所示。无线电力传输是通过电磁耦合的形式来进行的，通过在线圈中施加交变电流，根据电磁原理可以在线圈的周边形成一个交变的磁场空间，根据电磁感应原理在接收端中通过感应电势用以实现在接收端形成电流。这种依靠电磁感应来进行短距离传输的无线电力传输技术其最主要的传输效率依靠的是发射端和接收端之间的耦合系数和品质因数，需要在不断的研发中改进无线电力传输技术，使无线电力传输的发展应用成为可能。

电磁感应在进行无线电力传输中最早应用的是电动牙刷，通过在电动牙刷内部放置一个接收线圈，使得当牙刷放置在充电插座上时可以通过磁耦合原理来对电动牙刷的电池进行充电。而现今使用较多的充电垫也是利用这一原理，通过在充电垫内密布小型线圈阵列，从而在其周边建立起一个充电的磁场，实现磁场范围内充电功能，同时由于充电垫所产生的磁场较弱，因此在利用充电垫对电子产品进行充电时不会对周边的电磁物品造成影响，这种接触式无线电力传输技术具有成本较低、结构简单、安全可靠的优点，但是其发送的功率较低，且能够传输的距离较短，现今主要被应用于对小型便携式电子设备的充电中，需要在以后的研发中开发充电距离更远、功率更好的传输设备。

3 中程的电磁耦合的无线电力传输

图1 无线电力传输电磁耦合原理

图2 磁共振式无线充电技术的原理图

在中远距离上进行的无线电力传输主要依靠的是电磁共振耦合的原理，其主要是利用非辐射磁场来实现的，这一中程指的是无线电力传输的最远距离能够达到电磁感应线圈半径8倍及以上的距离，而超出这一距离，其传输效率与传输功率将随着距离的增大而在不断的衰减。为实现这一原理，需要采用两个线圈，这两个线圈一个是发射装置，其通过与电源部分进行相连，通过自振来向周边发射电磁波，从而在线圈周边形成一个非辐射的电磁场，而后接收端在其接收到与自身频率相同的电磁波时则需完成从电磁场到电能的转换，通过这一过程即可完成电能的高效传输。

4 远程的微波、激光的无线电力传输

通过对无线电波的研究，无线电波的波长的长短与其定向性成反比，为提高电波的定向性多采用的是短波的形式，同时为了实现对于无线电力的远距离传输，采用微波或是激光的形式来加以实现对于实现新能源的利用与传输有着十分重要的意义。各国都加大了在这一方向上的研究，都将研究方向放在了通过在太空中建立太阳能发电站来实现对于太阳能的采集和发电，而后采用无线电波、激光等的方式来对电能进行远距离的无线传输，将其传输回地面，从而实现对电能的高效利用。这一无线电力传输还有许多的技术问题急需解决，整个项目仍处于构想阶段。

5 无线电力传输技术发展应用现状

困扰无线电力传输技术最主要的就是无线电力传输的距离和传输的功率及效率，经过不断的研究和发展，现今在短距离的无线电力传输中电力传输的最高效率能够达到80左右，最近，俄罗斯圣彼得堡大学的研究人员推出一种新的无线电力传输（WPT）系统，通过此系统，最高可以确保在20cm的范围内实现高达80%的电力传输效率，而超出这一范围后其随着距离的增加，无线电力传输的效率降低幅度较小。这种新技术基于共振耦合原理，在同一频率的线圈共振条件下，一个共振的铜线圈可以转移能量到另一个二次谐振的铜线圈，且要求附近没有相同共振频率的其他物体，以保证其不受影响。同时，此种技术的安全性较高。

现今无线电力传输技术应用最多的领域主要是便携设备等无线充电，通过采用无线电力传输能将原先大量繁多的导线等都予以去除，从而方便快捷的实现对于电力的传输。现今，在无线双肩包充电领域中主要分为电磁感应式、磁共振式以及无线电波、电场耦合式等多种形式，这几种形式都具有各自的特点和应用的范围。现今在无线充电中应用最为广泛和成熟的主要是电磁感应式无线充电技术，其最主要的原理与变压器相似，通过交变电流所产生的磁场而使得在磁场中的另一线圈在一定的频率下产生电流，从而实现电能的无线传输，这种技术多应用于小型设备的电力传输。磁共振式无线充电技术的原理与声音共振的原理相同它是能够在电动汽车无线充电领域发挥重要作用的一种充电技术，磁共振技术的无线充电示意图如图2所示。