无线电能传输技术及应用

1、无线电能传输技术及应用无线电能传输技术及应用姓名：李灏姓名：李灏专业：机械电子工程专业：机械电子工程学号：学号：SX1505101主要内容主要内容13无线电能传输技术简介无线电能传输技术简介磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性2无线电能传输在植入医疗器械中的应用无线电能传输在植入医疗器械中的应用无线电能传输技术简介无线电能传输技术简介电能的无线传输这一概念的提出最早可以追溯到电能的无线传输这一概念的提出最早可以追溯到19世纪世纪末期。末期。1893年，年，Nikola Tesla在芝加哥举行的世界博览会在芝加哥举行的世界博览会上首次展示了通过无线方式供电的荧光照

2、明灯。上首次展示了通过无线方式供电的荧光照明灯。1891年Tesla向外展示无线传输原理无线电能传输无线电能传输(wireless power (wireless power transfer,WPTtransfer,WPT),),又称为无接触又称为无接触式电能传输式电能传输(contactless (contactless power transfer CPT)power transfer CPT)，指的是，指的是电能从电源到负载的一种没有经电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式过电气直接接触的能量传输方式。无线电能传输一直是人类的梦。无线电能传输一直是人类的梦想。想。20

3、07年，美国麻省理工学院年，美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology) MIT)的的Marin Soljacic教授等教授等人基于磁耦合谐振原理在人基于磁耦合谐振原理在中等距离无线电能传输中等距离无线电能传输方面取得了新方面取得了新进展进展。他们。他们“隔空隔空”点亮了点亮了1盏离盏离电源电源2m开外的开外的60W灯泡灯泡，效率达，效率达到了到了40%，并在，并在Science杂志上发表了其研究成果，杂志上发表了其研究成果，引起了引起了世界世界轰动。轰动。随后，世界各地的研究人员随后，世界各地的研究人员对无对无线电能传输开展了越来越多线电能传

4、输开展了越来越多的的研究研究。无线电能传输技术简介无线电能传输技术简介MITMIT无线电能传输装置和实验组成员无线电能传输装置和实验组成员无线电能传输技术简介无线电能传输技术简介无线电能传输电磁辐射式无线电波激光电场耦合式磁场耦合式谐振式感应式超声波等无线电能传输分类无线电能传输分类无线电能传输技术简介无线电能传输技术简介空间太阳能发电站空间太阳能发电站SHARPSHARP项目中微波供电样机项目中微波供电样机微波辐射式无线电能传输及相关应用微波转换装置DC/AC无线发射与聚焦系统无线接收微波转换装置AC/DC能量输入能量输出无线电能传输技术简介无线电能传输技术简介感应耦合式无线电能传输及相关应

5、用 感应式无线电能传输技术就是利用了法拉第电磁感应定律，将输感应式无线电能传输技术就是利用了法拉第电磁感应定律，将输入线圈与输出线圈临近放置，使输入线圈流入交变电流，进而产生交入线圈与输出线圈临近放置，使输入线圈流入交变电流，进而产生交变磁场，变化的磁场在输出线圈感应出电动势，完成无线电能传输，变磁场，变化的磁场在输出线圈感应出电动势，完成无线电能传输，整个过程是电能一磁场能一电能的转化方式。整个过程是电能一磁场能一电能的转化方式。应用应用充电式电充电式电动汽车动汽车植入电植入电子药疗子药疗个人电子个人电子消费产品消费产品日常家日常家电电无线电能传输技术简介无线电能传输技术简介充电式电动汽车充

6、电式电动汽车诺基亚诺基亚Lumia920无线充电无线充电无线电能传输技术简介无线电能传输技术简介 电磁耦合谐振式无线电能传输技术电磁耦合谐振式无线电能传输技术是由麻省理工学院是由麻省理工学院(MIT）Marin Soljacic教授于教授于2006年美国物理学会工业物理论坛上首次提出年美国物理学会工业物理论坛上首次提出的，其工作原理是利用两个具有相同谐振频率且具有高品质因数的电磁系的，其工作原理是利用两个具有相同谐振频率且具有高品质因数的电磁系统，当发射线圈以某一特定频率工作时，在与之相距一定的距离的接收线统，当发射线圈以某一特定频率工作时，在与之相距一定的距离的接收线圈通过分布式电容与电感的

7、耦合作用，产生电磁耦合谐振，高频电磁能量圈通过分布式电容与电感的耦合作用，产生电磁耦合谐振，高频电磁能量在两线圈之间发生大比例交换，当接收线圈上接有负载时，负载会将一部在两线圈之间发生大比例交换，当接收线圈上接有负载时，负载会将一部分能量吸收，从而实现了电能的无线传输。分能量吸收，从而实现了电能的无线传输。无线电能传输技术简介无线电能传输技术简介MIT螺旋式无线电能传输样机螺旋式无线电能传输样机美国高通公司生产的多终端充电台美国高通公司生产的多终端充电台海尔无尾电视海尔无尾电视磁耦合谐振式无线电能传输原磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性理与特性一、基本传输结构一、基本传输结构1. 两线圈结构两

8、线圈结构2. 四线圈结构四线圈结构磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性 谐振式无线电能传输技术最基本的实现方式是采用两线圈结构，即直谐振式无线电能传输技术最基本的实现方式是采用两线圈结构，即直接将高频电源与发射线圈连接，负载与接收线圈连接，通过线圈本身的分接将高频电源与发射线圈连接，负载与接收线圈连接，通过线圈本身的分散电容或集中补偿电容实现谐振，采用两线圈结构的电路模型简单，系统散电容或集中补偿电容实现谐振，采用两线圈结构的电路模型简单，系统设计简单。但是，采用两线圈结构模型，将严重限制系统的传输距离，尽设计简单。但是，采用两线圈结构模型，将严重限制系统的传输

9、距离，尽管实现谐振，系统的传输距离也很难满足要求，因为当系统只有发射线圈管实现谐振，系统的传输距离也很难满足要求，因为当系统只有发射线圈与接收线圈时，随着两线圈距离的微小增加，两线圈之间的耦合系数将急与接收线圈时，随着两线圈距离的微小增加，两线圈之间的耦合系数将急剧减小，从而使传输效率急剧下降。剧减小，从而使传输效率急剧下降。 为了提高传输距离，研究人员提出四线圈结构模型，四线圈结构是在两为了提高传输距离，研究人员提出四线圈结构模型，四线圈结构是在两线圈结构的基础上增加了电源线圈和负载线圈，之所以采用四个线圈的结线圈结构的基础上增加了电源线圈和负载线圈，之所以采用四个线圈的结构，是因为当发射线

10、圈与接收线圈之间的距离提高到中等距离后，虽然两构，是因为当发射线圈与接收线圈之间的距离提高到中等距离后，虽然两线圈之间的耦合系数很小，但是可以通过调整电源线圈与发射线圈的耦合线圈之间的耦合系数很小，但是可以通过调整电源线圈与发射线圈的耦合系数以及接收线圈与负载线圈的耦合系数，保证系统获得最佳的阻抗匹配系数以及接收线圈与负载线圈的耦合系数，保证系统获得最佳的阻抗匹配，从而获得较高的传输效率。，从而获得较高的传输效率。磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性二、近场理论二、近场理论 磁谐振耦合无线电能传输是在近区场进行的，在近区场电磁场能量不向外辐射，即非辐射性磁耦合。

11、另外，近区场的电磁场强度较强，远区场为弱场，进入远区场的电磁场波将不能返回对线圈产生谐振作用，而在近区场电磁场的能量基本上在发射端与接收端之间周期性的来回流动。 距离发射线圈中心 的范围内为系统传输电能的有效区域，超出此区域系统将不能有效地传送电能。从这个角度也可说明磁谐振耦合式无线输电的距离主要是在近场区。磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性三、耦合模理论三、耦合模理论 磁谐振耦合无线电能传输的理论基础是耦合模理论磁谐振耦合无线电能传输的理论基础是耦合模理论(Coupled-Mode Theory )，其基本思想是在两谐振模式间通过恰当地耦合，即载流线圈之，其

12、基本思想是在两谐振模式间通过恰当地耦合，即载流线圈之间通过彼此磁场的相互联系，在某一确定频率下产生谐振，形成能量在间通过彼此磁场的相互联系，在某一确定频率下产生谐振，形成能量在两个谐振腔之间的全转移，从而获得高效率的能量转移，而其他偏离谐两个谐振腔之间的全转移，从而获得高效率的能量转移，而其他偏离谐振频率的物体之间的相互作用较弱，对能量传输影响较小。振频率的物体之间的相互作用较弱，对能量传输影响较小。磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性四、电路理论四、电路理论利用两线圈结构的等效电路图，根据基尔霍夫定律，可得到两线圈结构的回路方程： 当电源频率等于系统自谐振频率

13、时，发生谐振，此时有：方程组可进一步简化，从而解出整个系统。磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性磁耦合谐振式无线电能传输原理与特性五、磁耦合谐振式无线传输特性五、磁耦合谐振式无线传输特性 磁耦合谐振式无线电能传输磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT)利用谐振原理，使得其在利用谐振原理，使得其在中等距中等距离离（传输距离一般为传输线圈直径的几倍（传输距离一般为传输线圈直径的几倍)传输时，仍能得到传输时，仍能得到较高较高的效率和较大的功率的效率和较大的功率，并且电能传输不受空间非磁性障碍

14、物的影，并且电能传输不受空间非磁性障碍物的影响。相比于感应式，该方法传输响。相比于感应式，该方法传输距离较远距离较远;相比于辐射式，其相比于辐射式，其对电对电磁环境的影响较小磁环境的影响较小，且功率较大。正是由于这些优点，且功率较大。正是由于这些优点， MCR-WPT得到越来越多的研究。得到越来越多的研究。无线电能传输在植入医疗器械中的应用无线电能传输在植入医疗器械中的应用植入式电子装置植入式电子装置1. 植入式刺激器植入式刺激器2. 植入式电子测量系统植入式电子测量系统3. 植入式药疗装置植入式药疗装置4.植入式人工器官及辅助装置植入式人工器官及辅助装置心脏起搏器、除颤器胶囊内窥镜植入式注射

15、泵人工心脏、人工耳蜗 目前市面上的一些植入式医学电了装置均采用锂电池供电，这种目前市面上的一些植入式医学电了装置均采用锂电池供电，这种内置电池供电方式的最大缺点就是使用寿命的限制，一旦电池能量耗内置电池供电方式的最大缺点就是使用寿命的限制，一旦电池能量耗尽，人们只能通过再次手术来更换电池，而有些患者由于年事已高或尽，人们只能通过再次手术来更换电池，而有些患者由于年事已高或者其他原因不宜再次手术，即使可以手术也会带来一定的风险。者其他原因不宜再次手术，即使可以手术也会带来一定的风险。无线电能传输在植入医疗器械中的应用无线电能传输在植入医疗器械中的应用 无线电能传输的特点非常适用于医学式植入式电子

16、器件领域：l 只有当接收线圈存在且与发射接收线圈具有相同的谐振频率时才能实现能量的传递，而非该特定频率的物体则基本不受影响。l 由于该技术属于近场无损非辐射谐振耦合，相比于电磁感应、体导电等方法，它具有更远的传输距离和更高的传输效率。l 该技术在能量传输的过程中不受非导磁性障碍物的影响，这就表示它具有一定的穿透力，可以应用于譬如生物组织内部等视线达不到的地方。无线电能传输在植入医疗器械中的应用无线电能传输在植入医疗器械中的应用 2011年，美国华盛顿大学、匹兹堡大学医学中心与英特尔宣布，利用磁耦合谐振无线电能传输技术，共同试制出了植入式人工心脏使用的供电系统，该系统在一般的直径为数十厘米谐振线圈的基础上进行了改进，在人工心脏上安装了直径4.3cm的接收线圈，并且将其放入模拟人体组织环境的容器中，对能否从容器外部供电进行了实验研究。结果显示，能够以80%的传输效率稳定施供电。如果把该技术与容量可为人工心脏供电约2个小时的蓄电池组合使用，电源线就无需探出体外感染的风险会因此而骤降。而且，在蓄电池未耗尽期问，患者还可以取下电源系统，可淋浴、可在泳池游泳。而且该技术将不仅限于人工心脏，在其他的医学领域也会有较为广泛的应用。美国两所大学与英特尔试美国两所大学与英特尔试制成功人工心脏无线供电制成功人工心脏无线供电系统系统无线电能传输在植入医疗器械中的应用无线电能传输在植入医疗器