工程实践创新项目工作室

摘 要：针对传统无线传能装置基于静态的点对点传播，电能转化效率低下的现状，文中利用电磁谐振耦合技术，将主线圈能量通过谐振线圈进行传递，实现了动态情况下的无线电能传输。

关键词：电磁谐振;无线电能传输

1 项目背景

无线电能传输技术（Wireless Power Transfer Technology）又称无接触电能传输（Contactless Power Transmission）技术，早在1890年由著名电气工程师（物理学家）尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出，并做了非接电能实验，于1891年发明了“特斯拉线圈”。2007年，麻省理工学院（MIT）以物理学教授马林·索尔贾西克为首的研究团队试制出了无线供电装置，采用两米外的一个电源“隔空”点亮了一盏60 W的灯泡，效率可达40%，他们采用的就是非辐射电磁能谐振隧道效应，称作“Witricity”无线供电技术。

2 理论依据

无线电能传输轨道系统采用两个相同频率的谐振物体产生较强的耦合，利用线圈及放置两端的平板电容器组成谐振电路，实现能量的无线传输。该系统可利用磁场进行中等距离传输，辐射小，具有方向性，传输效率高且能量传输不受空间障碍物的影响。传输效果与频率线圈尺寸密切相关，但不足在于谐振耦合方式的安全实现较难，要想更好地实现谐振耦合，需要传输频率在几兆到几百兆赫兹之间，而这一段频率又是产生谐振最困难的波段。无线传能小车系统利用电磁感应方式设计，当发射线圈通入高频电流并在线圈周围产生交变的磁场时，处于一定距离的接收线圈将产生相应的感应电压，同时，与发射端和接收端并、串联的电容将完成充电。当发射线圈与接收线圈处于同一谐振频率时，驱动小车将在轨道上行使。

3 作品特点综述

目前的无线传能装置大多基于静态的点对点传播，将传输的电能进行存储转化，增加中间环节，使得电能的转化效率变低。我们的轨道系统完全摒弃了当前采用的低效方式，在负载两端直接连接接收线圈，将传递的能量转化为电能进行使用。我们利用电磁谐振耦合技术，将主线圈的能量通过谐振线圈进行传递，然后由接收端接收能量，由此实现了动态情况下的无线电能传输。该装备实现了整体共振，可将能量源源不断的传递，由此形成一个闭合的磁场回路，负载在该磁场中持续接收能量，转化效率大大提高，约为40%。该技术的重点在于磁场的传递和耦合，将所有谐振线圈的频率调到一个谐振点是我们的技术优势，也是我们克服的难题。由于负载是可以移动的，运动中的负载接收圈会对系统频率产生影响，在系统的某一区域频率分裂现象尤为严重，将导致系统的整体传输效率大打折扣。我们通过多次理论思考和实验摸索大大弱化了这个问题产生的影响，使系统整体稳定性大大提高。整体技术由我们自主摸索、实验，并转化应用，具有一定的先进性与科学性。基于以上硬件轨道系统，我们对整个系统增加了控制部分，使能量的传递切实可控。

无线传能轨道系统将Arduino控制板作为主控板，外加继电器、红外遥控装置、电源模块等部件实现了对无线传能轨道系统的控制。用遥控控制继电器的闭合与断开实现对线圈两端电压的切换，实现对小车速度的切换和定点起动、停止等。作品实物如图1所示。

4 未来展望

无线传能作为一种新型轨道交通方式，避免了目前轨道系统存在的部分不足，可在交通领域发挥巨大作用。与感應耦合无线电能传输技术相比，其能量传输距离更远，性能更加稳定;与微波无线电能传输相比，其能量损耗小，传输效率更高。其市场主要以轨道交通为主，经济效益超千万元。

无线电力传输供电是人类的梦想之一。随着无源式RFID电子标签和各种非接触式无线充电技术的推进，无线电力传输已经引起人们的极大兴趣。如果远程无线输电变成现实，那么我们就可以轻而易举地利用宇宙空间的射线作为能量来源，能量储备远超海水中的氢能。本世纪以来，能点亮灯泡的无线供电技术毫无疑问点亮了人们对无线生活的憧憬。