电能无线传输.docx

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电能无线传输

题目：

电能无线传输技术

作者姓名：

学号：

系（院）：

机械与电子工程学院

专业：

电气工程及其自动化

指导教师姓名：

指导教师职称：

2012年4月28日

SuZhouUniversity

The2012undergraduategraduationthesis（Design）

Title:

WirelessPowerTransferTechnology

Author:

StudentID:

Department:

MechanicalandElectronicEngineering

Major:

ElectricalengineeringandAutomation

Instructor：

ProfessionalTitle:

April.28th,2012

摘要

为了实现电能的无线传输，使用的安全性、可靠性、方便性的提高，本文重点研究了电能无线传输技术。

电能无线传输就是借助于电磁场或电磁波进行能量传输的一种技术。

按照电能传输原理的不同，无线电能传输分为：

电磁感应式、电磁耦合共振式和电磁辐射式。

此项技术具有广阔的应用前景，例如实现无接点充电，“免电池”无线鼠标，以及解决地面太阳能电站、原子能电站的电能输送问题等。

目前该技术研究方向集中在系统谐振频率及原副边的补偿电路拓扑等方面，基本上还处在理论研究，有待进一步了解和开发。

关键词：

无线传输；电磁感应；电磁耦合共振；电磁辐射

ABSTRACT

Inordertoachievethewirelesstransmissionofelectricalenergy,security,reliability,improveconvenience,thepaperfocusesonelectricpowerwirelesstransmissiontechnology.Powerwirelesstransmissionisbymeansofelectromagneticfieldsorelectromagneticenergytransferofatechnology.Accordingtothedifferentprincipleofpowertransmission,radiotransmissionisdividedinto:

electromagneticinduction,electromagneticcouplingresonanceandelectromagneticradiationtype.Thistechnologyhasbroadapplicationprospects,suchasnon-contactcharging,thebattery-freewirelessmouse,andsolvetheterrestrialsolarpowerplants,atomicpowerstations,powertransmissionproblems.Thetechnologyresearchfocusedonthecompensationsystemresonantfrequencyandthesecondarysidecircuittopologyisbasicallystillinthetheoreticalstudy,pendingfurtherunderstandinganddevelopment.

KeyWords:

Wirelesstransmission；Electromagneticinduction；Electromagneticcouplingresonance；Electromagneticradiation

目录

绪论1

第一章电能无线传输技术的简介2

1.1电能无线传输的发展过程2

1.2电能无线传输的现状2

1.2.1电能无线传输的研究现状2

1.2.2电能无线传输的市场现状3

1.2.3电能无线传输技术的应用现状4

第二章电能无线传输的原理及特点5

2.1电磁感应式无线电能传输5

2.2电磁共振式无线电能传输6

2.3电磁辐射式无线电能传输7

第三章无线电能传输技术的应用8

3.1电磁感应式无线电能传输的应用8

3.2电磁共振式无线电能传输的应用8

3.3电磁辐射式无线电能传输的应用8

3.4Qi标准——无线电能传输的应用9

3.4.1Qi标准产生的背景9

3.4.2Qi标准与无线充电联盟9

3.4.3Qi标准的组成及基本原理9

第四章电能传输技术未来领域应用实例11

4.1短程无线供电技术的应用实例11

4.2中程无线供电技术的应用实例12

4.3远程无线供电技术的应用实例12

结论14

参考文献15

致谢16

绪论

电能的传输长期以来主要是由导线直接接触进行传输，随着用电设备对供电品质、可靠性、方便性等要求的不断提高，还有特殊场合、特殊地理环境的供电，使得接触式电能传输方式，越来越不能满足实际需要；便携式电子设备和家电对快捷方便地获取电能的需求越来越强烈。

因此，无线电能传输越来越受到人们的关注，并被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。

　　无线电能传输技术最早由著名电气工程师（物理学家）尼古拉·特斯拉提出，就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。

按照电能传输原理的不同，无线电能传输分为:

电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。

通过该项技术可以实现以探讨将远程无线功率传输系统做成电子式互感器，研究其在高压测量方面的应用，还可以探讨更远的距离使将来室内电器实现无线化，所有室内电器设备都装有无接触功率传输系统，电气设备通过无接触功率接收装置远距离高效率的接收电能工作，而电能发射装置是可以装在墙壁内或者地板下的，使电气设备摆脱电线插座的束缚。

此外，无线输电技术在特殊的场合也具有广阔的应用前景。

例如可以给一些难以架设线路或危险的地区供电；可以解决地面太阳能电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题。

深入了解其无线传输电能的意义和方向，具有十分积极的意义。

第一章电能无线传输技术的简介

1.1电能无线传输的发展过程

19世纪90年代后期，勒布朗相信可以感应传输电能,并申请了关于一个能传输3KHz电能的系统的美国专利。

1894年:

特斯拉分别在纽约的第五大道南35号的实验室和休斯敦街46号的实验室通过无线方式点亮了一个单极白炽灯,实验手段用到电力感应、无线共振感应耦合等技术。

同年钱德拉玻使用电磁波信号远距离点燃火药和触响铃铛,表明不用电线也能传递能量。

到了20世纪初，马可尼使用特斯拉的装置传输跨越大西洋的信号。

后期，新西兰奥克兰大学的约翰包尔斯教授领导的电力电子小组,开发出采用新的工程材料和电力电子技术的逆变器。

声称感应电能传输能够实现,第一个非接触式电能传输模型正在制造。

21世纪英国的Splashpower公司,采用耦合谐振平垫的方式来给一些消费类产品象灯、手机、PDA、iPod等提供能量。

2007年:

麻省理工学院的索尔贾希克领导的一个物理学研究小组,确认了约翰包尔斯教授在80年代的工作。

在2米的距离,使用两个60cm的线圈无线驱动60W灯泡,效率在40%左右。

2009年:

一个有此方面兴趣的公司联盟宣称他们正制订一个小功率感应充电的工业标准。

1.2电能无线传输的现状

1.2.1电能无线传输的研究现状

一、国外研究现状

国外对无线电能传输技术的研究较早，早在20世纪70年代中期就出现了无线电动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。

20世纪90年代初期，新西兰奥克兰大学对感应耦合功率传输技术（ICPT）进行研究，经过十多年的努力，该技术在理论和实践上已经获得重大突破。

研究主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下工作的设备的供电问题，如电动汽车、起重机、手提充电器、电梯、传送带、运货行车，以及水下、井下设备。

其能量等级、距离、效率等指标都在不断提高，目前实用设备己达200kW、数千米的传输距离和85％的以上的传输效率。

1995年1月，美国汽车工程协会根据Magne-chargeTM系统的设计，制订了在美国使用非接触感应电能传输技术进行电动汽车充电的统一标准—SAEJ.1773[4]。

通过对近年来国外无接触功率传输理论与实验的研究成果发现，目前无接触功率传输的研究绝大部分是近距离传输方面的研究，国外对带气隙的变压器模型的理论分析和应用设计已有不少成果，且有部分成果已经得到了实际应用，而对于远距离的无接触功率传输的研究，国外直到近几年才有相关实验成果的报道。

如美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克教授及其团队在2006年用所谓的“电磁共振原理”成功将2.13m外的60W的灯泡点亮。

2008年9月美国内华达州的雷电实验室成功的将800W电力无线传输到5m远的距离，日本也研究出远距离提供30W功率的实验装置。

二、国内研究现状

国内在无线输电技术方面研究还处于起步阶段，近年来，中科院院士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行研究。

重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自2001年便开始了对国内外非接触式电能接入技术相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯教授为首的课题组核心成员PatrickAiguoHu博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。

2007年2月，课题组攻克了非接触感应供电的关键技术难题，建立了完整的理论体系，并研制出了非接触电能传输装置，该装置能够实现600至1000W的电能输出，传输效率为70％，并且能够向多个用电设备同时供电，即使用电设备频繁增减，也不会影响其供电的稳定性。

目前国内主要的研究方向集中在系统谐振频率及原副边的补偿电路拓扑等方面，基本上都还处于理论研究，在应用领域最近两年才有所突破，但都还停留在实验室阶段。

1.2.2电能无线传输的市场现状

远距离无线功率传输有着巨大的应用潜力和广阔的市场应用前景。

例如可以探讨将远程无线功率传输系统做成电子式互感器，研究其在高压测量方面的应用，还可以探讨更远的距离使将来室内电器实现无线化，所有室内电器设备都装有无接触功率传输系统，电气设备通过无接触功率接收装置远距离高效率的接收电能工作，而电能发射装置是可以装在墙壁内或者地板下的，使电气设备摆脱电线插座的束缚。

此外，无线输电技术在特殊的场合也具有广阔的应用前景。

例如可以给一些难以架设线路或危险的地区供电；可以解决地面太阳能电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题。

除了以上叙述的例子外，许多文献都还提到电动汽车的感应充电，以及在生物医学、工矿钻井、水下作业等领域中的应用。

1.2.3电能无线传输技术的应用现状

一、短程无线供电技术现在已经商品化的非接触式充电系统,其电能发射端的线圈（连接电源）与接收端的线圈（在电子产品中）,处于两个分离的装置中,电能通过感应线圈传送,这类似一个线圈间耦合不紧密的变压器。

最早使用变压器原理进行无线供电的产品是一些电动牙刷、电胡刀和无绳电话等。

二、中程无线供电技术我们了解频率介于75kHz和约10GHz之间的电磁波俗称无线电波,可以用来传送广播和电视节目、进行通信和传真,但是对其传输电能的本领比较陌生。

通常电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发、不易集中、定向性差,因而供电效率是个问题;另外,还有对空间造成电磁污染的担忧。

有人认为电磁波可以无线传输较长的距离,但输送能量有限,存在传输功率比较低（甚至只有几微瓦到几毫瓦）的问题。

Powercast公司的相关研究是利用电磁波损失小的天线技术,借助二极管、非接触IC卡和无线电子标签等,实现效率较高的无线电力传输。

三、远程无线供电技术从科学技术与实际应用相结合的角度来讲,无线供电和有线供电将会各有千秋。

如果作为地面长距离输电或者所有家用电器的长期供电,无线供电可能未必实用。

除铺设输电线路困难的地区之外,但有一个特殊科技领域的发展非常倚重无线电力传输技术,那就是太空领域了,比如人造卫星、航天器之间的能量传输等,而首当其冲的是未来太空太阳能发电站隔空给地球无线供电的研究摆在人们面前。

在外太空进行试验发电的国家有美、日、法、德、俄等。

来自美国国防部的一份报告称,建立空间太阳能电站的构想无论在技术方面还是在经济方面都是可行的。

太阳光是永恒不变的,太阳所释放的能量相当于当前全球所消耗能量的10万亿倍,美国国家航天学会副主席马克霍普金（MarkHopkins）说:

我们只需要开发其中一少部分,就足以应付我们当前和未来许多年的能源需求。

根据美国科学家预测,到2025年,美国有可能在太空建造100座太阳能电站,将会满足美国全国30%的电力。

而日本从20世纪80年代也已展开太空太阳能相关研究,目标是在2030年前向太空发射一颗对地静止卫星,这颗卫星将为地球上50万户家庭提供10亿W电能。

目前,日本宇宙航空研究开发机构的研究人员将微波和激光看作是传输太阳能的可能选择。

第二章电能无线传输的原理及特点

2.1电磁感应式无线电能传输

非接触感应电能传输技术早在100年前就已经为人所知，通常采用非接触变压器耦合进行无线电力传输。

它将系统的变压器紧密型耦合磁路分开,变压器原边绕组流过的是高频交流电，通过原、副边绕组的“电磁感应”将电能传输到副边绕组及用电设备，从而实现在电源和用电负载之间的能量传递而不需物理连接。

该系统主要由三个部分组成，即能量发送端、无接触变压器和能量接收端，系统框图如图2-1所示。

图2-1电磁感应式无线电能传输的原理图

下图2-2是非接触感应电能传输系统框图。

图2-2电磁感应式无线电能传输仿真图

特点：

利用非接触“电磁感应”来进行无线供电传输是非常成熟的技术，但会受到很多限制。

比如变压器绕组的位置，气隙的宽度，使得磁场会随着距离的增加而快速衰减。

如果要增加供电距离，只能加大磁场的强度。

然而，磁场强度太大一方面会增加电能的消耗，另一方面可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效。

所以其有效传输距离只有几厘米，所以这种无线电力传输只能是短距离电能传输。

2.2电磁共振式无线电能传输

电磁共振式（又称WiTricity技术）是由麻省理工学院（MIT）的研究人员提出的。

系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。

2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克（MarinSoljacic）和他的研究团队取得了新的进展。

他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.9米）之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡被点亮了。

这个实验中发送端和接收端的线圈组成一个磁共振系统，当发送端的磁振荡频率和接收端线圈的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。

典型的电磁共振耦合无线输电系统如图2-3所示。

图２-3基于电磁共振的无线输电系统框图

整个装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。

其中一个是发射装置，与能量源相连，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，在周围形成非辐射磁场，即将电能转换成磁场；当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。

在能量传输的过程中，电磁波的频率越高其向空间辐射能量就越大，传输的效率也就越高。

特点：

根据共振的特性，能量传输是在一个共振系统内部进行，对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。

当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。

这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振，从而以很小的消耗为代价来传输能量。

无线传输能量过程中的磁场强度不过和地球磁场强度相似，不会对人体和周围设备产生不良影响。

这种新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，其有效传输距离为几十厘米到几米，所以这种传输形式是中程传输。

2.3电磁辐射式无线电能传输

该方式主要采用微波波段进行电能传输。

微波是波长介于无线电波和红外线之间的电磁波。

由于频率较高，能顺利通过电离层而不反射。

宇宙空间对微波传输十分理想，几乎没有能量损耗，通过大气层时的损耗为2%。

微波输电利用电磁辐射原理，由电源送出电力，通过微波转换器将工频交流电变换成微波，再通过发射站的微波发射天线送到空间，然后传输到地面微波接收站，接收到的微波通过转换器将微波变换成工频交流电，供用户使用。

远场一般指远远大于装置尺寸的几千米以上的传输距离。

只要合理设计接收机形状，采用高精度定向天线或高质量的平行激光束就可实现远距离传能。

通过无线电波可以在微波范围内实现能量定向传输，接收端采用硅整流二极管天线可将微波能量转换回电能。

在人体允许的能量密度1mW/cm2范围内，在直径为10km的空间中，传递能量可达750MW。

无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小。

因此，可以利用微波或激光来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺等问题有着重要意义。

随着经济和社会的发展,能源消耗越来越大,环境污染和电力需求的迅速增长使得人们越来越重视可再生能源的发展。

其中太阳能以其能量高，取之不尽，用之不竭，全天候供应成为能量的最理想来源之一。

特点：

传输距离为几千米，属于远程传输

第三章无线电能传输技术的应用

3.1电磁感应式无线电能传输的应用

电磁感应式电能传输技术早已经为人所知，但因为效率太低，没能商业化。

随着功率变换技术、控制技术和磁性材料的发展，非接触电磁感应电能传输技术得到了迅速发展。

大功率方面的应用，比如20世纪90年代新西兰奥克兰大学所属奇思公司已将非接触感应电能传输技术成功应用于新西兰Rotorua国家地热公园的30KW旅客电动运输车。

德国奥姆富（WAMPELER）公司150KW载人电动火车，轨道长度达400m，气隙为120mm，是目前最大的非接触感应电能传输系统[3]。

小功率应用方面近几年发展迅速，主要是对便携式终端设备进行无线充电的研究。

2010年7月无线充电联盟，发布了Qi标准对便携式终端充电设备的生产和制造进行规范，其应用的就是电磁感应式无线电能传输原理。

3.2电磁共振式无线电能传输的应用

磁共振无线电能传输技术的应用非常广泛，小到几十毫瓦的生物植入电子器件，大到上千瓦的电动汽车或运动机器人都可以得到应用。

主要应用于：

植入电子器件：

如心脏起搏器、神经刺激器、全人工心脏等；交通运输以及水下、井下：

如电动汽车、磁悬浮、海底探测、井下设备等；驱动机器人：

如旋转关节、运动机器人等；电池充电：

如手机、电动牙刷、电动剃须刀、笔记本电脑充电等

3.3电磁辐射式无线电能传输的应用

日本已制造出卫星电站，位于地球静止轨道上，其发电能力达到500KW，距离地面36000km，微波输电就是把太阳能电池产生的直流电能，用微波管转换成微波波束，天线发射到地面接收站，再还原为交流电送到用户。

微波输电时，用于无线输电的微波束强度仅为5mW·/cm-2，比100mW/cm-2的阳光强度小得多。

因此，微波无线输电十分安全，不会发生电离，不会使周围生物的基因发生变异。

在微波接收器下面甚至可以种植蔬菜。

但是地面接收天线面积很大，其功率密度低于安全标准，选2.45GHZ的微波时，对环境和生态影响不大，但对通信和雷达、射电天文干扰很大。

微波输电技术的实际应用还有一些问题，大面积推广还需时日，但可以肯定，随着科技的发展，微波输电会有广泛的应用前景。

3.4Qi标准——无线电能传输的应用

3.4.1Qi标准产生的背景

现代生活中移动电话、笔记本电脑、照相机、摄像机等便携设备都使用了充电电池，但是必须通过电源转换器、充电器或电脑USB口等处充电。

这些设备使用的充电器千差万别，电源插口形式、设备插口形式、电压等级、电流容量均存在较大差异，因此往往每台设备都配有专用的电源转换器，这既产生了极大的浪费和污染，也没有从根本上解决设备便捷、及时充电的问题。

如果一个充电设备可供各种不同企业、不同品牌的便携终端充电，多个终端设备只需放置在同一个充电版上，就可以实现充电；公共场所安放几块充电版，就可以打消出门在外手机等便携终端设备忽然没电的顾虑。

Qi标准描述了人们不需要四处寻找插座和电线便可以随时随地、方便快捷地在无处不在的无线充电设备上进行充电的美好前景。

3.4.2Qi标准与无线充电联盟

2008年12月17日多家国际电子设备厂商联合成立了无线充电联盟（WirelessPowerConsortium），目标是制定一种在便携式电子产品——手机、音乐和视频播放器、电脑配件、照相机、遥控器、玩具、游戏、医疗及个人护理等各种电子设备中广泛采用的无线充电技术标准，即Qi标准。

该标准于2010年7月制订，2010年8月31日，无线充电联盟宣布已向其成员交付了Qi标准的第一部分，并将该标准引入了中国。

3.4.3Qi标准的组成及基本原理

目前WPC确定的Qi标准1.0版本是低功率技术规范，针对不超过5瓦特的电子设备。

针对不超过120瓦特的中等功率技术规范制定工作也已于2010年10月启动。

Qi标准1.0版包括三个组成部分，第一部分对无线充电器及接收器的界面进行定义。

第二部分和第三部分是对产品的表现要求和认证测试的要求。

只有获得认证的产品才能允许使用qi标识。

Qi标准下的无线充电设备包括可接公共电源的无线充电板和符合Qi标准的接收器两部分，后者可以内置在终端设备中，采用了目前主流的无线电能传输理论——电磁感应式无线电能传输原理。

充电板内是可分离变压器的原边绕组部分，副边绕组内置于便携终端设备中。

一块充电板内部可以有多个变压器原边绕组部分，这决定了一块充电板可同时为多少待充电设备充电的数量。

原边绕组和副边绕组分别和无线通信控制单元连接，对能量变换进行检测和控制。

其原理电路和某企业按照Qi标准规范制作的样品如下图。

图3-1Qi标准规范制作的样品

随着Qi标准的实施，将会有越来越多的带有Qi标志的产品投入使用。

试想随着无线电能传输技术不断提高，更多终端用电设备将使用无线输电技术提供电能，无线电能传输技术将得到更广泛的应用。

第四章电能传输技术未来领域应用实例

无线电传输技术的应用分为：

短程无线传输的应用、中程无线传输的应用、远程无线传输的应用。

其目的就是使电能传输方便，快捷，给人们提供便捷。

4.1短程无线供电技术的应用实例

一、无接点充电插座。

苹果公司、摩托罗拉公司、LG以及Panasonic联手NTTDoCoMo都在开发各自的无线充电器。

而对用于手机的无接点充电器而言,只要在充电座和手机中安装发射和接收电能的线圈,便可实现无接点充电这不仅将摆脱线缆的束缚而且还将消除接口差异的限制,因此无线充电器设计更加人性化并且减少资源浪费。

二、“免电池”无线鼠标。

鼠标的工作需要电力支持,有线鼠标通过与电脑的连接线来获得电力,而无线鼠标一般采用电池供电。

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