基于磁场共振强耦合原理的无线能量传输

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1、基于强耦合磁共振原理的无线输电技术在一个强耦合的体制上使用自谐振线圈，实验证明有效非辐射的功率传输距离高达线圈的半径的8倍。我们可以以40%的效率传输60W距离超过2米。我们提出一个与实验结果匹配率在5%以内的定量模型描述功率传输。我们讨论了该系统的实用性,提出需要进一步研究的方向。20世纪早期，在电线网络出现前，尼古拉特斯拉致力于无线输电的计划研究。然而，典型的具体例子（如特斯拉线圈）涉及不需要的的大电场（损耗更大）。过去的10年里见证了自主电子设备的使用浪潮（笔记本电脑，手机，机器人，掌上电脑等等）。结果，人们对无线输电的兴趣再度出现。辐射传输，尽管完美地适合信息传输，但是在电

2、力传输应用上许多的困难点：如果辐射是全方位的，能量传输的效率会非常低，单向的辐射需要一个不受视线的干扰和先进的跟踪机制。一个最近的理论论文陈述了采用共振对象通过非辐射域的末端耦合进行中距离的能量传输的可能性的详细分析。直观地，两个有相同频率的共振物体能有效的交换能量，虽然有相关的少部分能量会损失在无关的不共振物体上。在耦合共振系统中（如声音，电磁，磁，核），经常存在大体的“强耦合”机制。如果可以实现给定的系统，能量传输就会变得很有效。用这种方式实施中距离能量传输是近乎全方位，有效的，不论其几何周围空间，而且受到周围物体的干扰和损失小。以上的考虑和物理性质的共振无关。这里，我们专注于

3、一个特定的物理性体系：磁共振。磁共振是特别的适合每个应用，因为大部分的一般材料不能与磁场相互作用，所以和环境物体的相互作用被抑制得更小。通过研究非辐射（近场）兆赫频率磁共振感应，我们能确定识别两个耦合的系统中的强耦合体。乍看来，这样的能量传输令人回想起通常的磁感应；然而，注意通常的非谐振的感应对中距离应用的效率是很低的。形式概述高效率的中距离能量传输发生在共振物体和另外一个物体强烈耦合的参数空间。利用耦合模理论来描述这个物理系统，我们得到下列的一组线性方程式：目录上指示了不同的共振物体。变量被定义，物体m包含的能量为，ωm是孤立物体的共振角频率，Ґm是它的固有衰减率（如因为吸收和辐

4、射损失）。在这个框架内，一个带有参数ω0和Ґ0无耦合无驱动振荡器会随时间演变成。代表两物体之间（下标表示耦合方向）的耦合率，Fm(t)是驱动项。我们限制对于两个对象的情况处理，由源和设备表示，如源（由下标S识别）是在一个恒定的频率的外部驱动的，两个物体的耦合系数为κ。工作的提升来自于器件（下标为Ｄ），我们通过一个作为回路阻抗的负载（下标为Ｗ）连接器件，为空载设备物体的衰减率ҐＤ增加了额外项ҐW。所以总体的设备衰减率是。提升工作由负载上的能量损失决定，能量损失是。取和额外项ҐW之间的传输效率ŋ的最大值，公式1给出，等价于解决阻抗匹配问题。我们发现当源和设备共振时，整体装置工作得最好，

5、此时的效率是：当时效率最大。很容易得到有效能量传输的关键是有。这是在强耦合体系里经常被提及的。共振在能量传输机制里扮演了至关重要的角色，因为效率会在物体耦合无共振情况下有大约的增加（特定参量~106）。自振线圈理论模型我们对于这个计划的实验认知包含两个自振线圈。一个线圈（源线圈）和一个振荡回路电感耦合；另一个装置线圈和负载电阻电感耦合(12)(Fig.1)。自谐振线圈依赖于分布电感和分布电容之间相互作用来实现共振。线圈是由电导线整个的长度l,横截面半径a绕成的N匝螺旋，半径r和高度h组成。以我们的知识所知，对于有限螺旋在文献中没有准确的解决方案，甚至在无限长线圈的情况下，解决方案只

6、有在假设无限长对我们的系统是不够的情况下才成立。然而我们发现，以下描述的简单的准静态模型和实验符合的很好（5%以内）。我们一开始观察到的电流在线圈的两端必须是零，我们有根据地作出猜测，线圈的谐振模式近似是由正弦电流沿导线的长度分布。我们对最低模式很感兴趣，如果我们用S表示沿着导体长度的坐标参数，例如，它是从−l/2到l/2，然后随时间变化的电流分布的形式它是由从电荷密度分布的形式的连续性方程推导而来，这样，一半的线圈（当切片垂直于它的轴）含有振荡的总电荷（振幅），与另一半的电荷大小相等的但符号相反。因为线圈共振，电流和电荷密度分布之间有π/2相位差，这意味着一个实数部分是最大值，另

7、一个实数部分就是零。同样，包含在线圈中的能量是在特定时间点完全由于电流，其他时间点则是完全由于电荷。利用电磁理论，我们可以定义每个线圈的有效电感L和有效电容C的，如下：这里的空间电流J（R）和电荷密度ρ（R）分别从沿分离的线圈电流和电荷密度得到，与该对象的几何相关联。作为定义，L和C有这样的性质：包含在线圈中的能量U给出：根据这种关系和连续性方程，得到的谐振频率现在通过定义我们可以把这个线圈作为耦合模理论的标准的振荡器。通过注意电流曲线分布我们可以估算散耗功率，意味着