電磁場(chǎng)理論在無線充電技術(shù)中的應(yīng)用.doc

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1、2014050203023孫文昊電磁場(chǎng)理論在無線充電技術(shù)中的應(yīng)用緒論無線充電已經(jīng)在電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀、無繩電話等部分家電產(chǎn)品中實(shí)用化，現(xiàn)在其應(yīng)用范圍又?jǐn)U大到了智能手機(jī)領(lǐng)域及電動(dòng)汽車和列車領(lǐng)域。未來可以將無線充電裝置安裝在辦公桌內(nèi)部,只要將筆記本或PDA等電器放在桌上就能夠立即供電。本文詳細(xì)介紹了四種主要的無線充電技術(shù)，即電磁感應(yīng)式充電、磁共振式充電、無線電波式充電和電場(chǎng)耦合式充電。0.引言?近年來，智能手機(jī)相關(guān)的技術(shù)日益成熟，其所帶來的科技成就也不斷地引人注目。扔掉電源線，給自己的智能手機(jī)進(jìn)行無線充電，這對(duì)于許多人來說可能有點(diǎn)天方夜譚。但事實(shí)上，無線充電

2、技術(shù)其實(shí)很久以前就出現(xiàn)了，不過經(jīng)過近幾年的發(fā)展，現(xiàn)在才變得成熟好用，并很快就要進(jìn)入大規(guī)模的商用化時(shí)代，這項(xiàng)不為大眾所熟悉的技術(shù)，正悄然來到我們的面前。1.無線充電技術(shù)分類?所謂無線充電技術(shù)（Wireless?charging?technology），顧名思義，是通過空氣向電子設(shè)備傳送能量來達(dá)到充電的目的。無線充電技術(shù)可以分為四種類型。第一類是通過電磁感應(yīng)“磁耦合”進(jìn)行短程傳輸，它的特點(diǎn)是傳輸距離短、使用位置相對(duì)固定，但是能量效率高、技術(shù)簡(jiǎn)單，很適合作為無線充電技術(shù)使用。第二類是將電能以電磁波“射頻”或非輻射性諧振“磁共振”等形式傳輸，它具有較高的效率和非常

3、好的靈活性，是目前業(yè)內(nèi)的開發(fā)重點(diǎn)。第三類是將電能以微波的形式無線傳送——發(fā)射到遠(yuǎn)端的接收天線，然后通過整流、調(diào)制等處理后使用，雖然這種方式能效很低，但使用最為方便，英特爾是這項(xiàng)方案的支持者。第四類則是“電場(chǎng)耦合”的方式，它具有體積小、發(fā)熱量小和高效率的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)在于開發(fā)和支持者較少，不利于普及。（1）電磁感應(yīng)方式：利用兩個(gè)平行排列的線圈間因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流的原理來供電的方式（2）磁共振方式：其原理與電磁感應(yīng)方式相同，利用磁共振方式進(jìn)行的非接觸式供電1.1電磁感應(yīng)式充電?各類無線充電技術(shù)，大多是采用電磁感應(yīng)技術(shù)，我們可以將這項(xiàng)技術(shù)看作是分離式的變壓器。

4、法拉第電磁感應(yīng)定律即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與穿過回路所圍面積的磁通量的時(shí)間變化率成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為我們知道，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的變壓器由一個(gè)磁芯和二個(gè)線圈(初級(jí)線圈、次級(jí)線圈)組成；當(dāng)初級(jí)線圈兩端加上一個(gè)交變電壓時(shí)，磁芯中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線圈上感應(yīng)一個(gè)相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以得到其中是初級(jí)線圈兩端的電壓，流經(jīng)的電流和自感，是次級(jí)線圈兩端的電壓，流經(jīng)的電流和自感，M是初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的互感。工作在正弦穩(wěn)態(tài)條件下的耦合電感，其復(fù)數(shù)形式的電壓電流關(guān)系為：如果將發(fā)射端的線圈和接收端的線圈放在兩個(gè)分離的設(shè)備中，

5、當(dāng)電能輸入到發(fā)射端線圈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)感應(yīng)到接收端的線圈、就產(chǎn)生了電流，這樣我們就構(gòu)建了一套無線電能傳輸系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的主要缺陷在于，磁場(chǎng)隨著距離的增加快速減弱，一般只能在數(shù)毫米至10厘米的范圍內(nèi)工作，加上能量是朝著四面八方發(fā)散式的，因此感應(yīng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入電流，能源效率并不高。但對(duì)于近距離接觸的物體這就不存在問題了。最早利用這一原理的無線充電產(chǎn)品是電動(dòng)牙刷——電動(dòng)牙刷由于經(jīng)常接觸到水，所以采用無接點(diǎn)充電方式，可使得充電接觸點(diǎn)不暴露在外，增強(qiáng)了產(chǎn)品的防水性，也可以整體水洗。在充電插座和牙刷中各有一個(gè)線圈，當(dāng)牙刷放在充電座上時(shí)就有磁耦合作用，利用電

6、磁感應(yīng)的原理來傳送電力，感應(yīng)電壓經(jīng)過整流后就可對(duì)牙刷內(nèi)部的充電電池充電。線圈之間也是有可能有雜物進(jìn)入的，還有某些動(dòng)物（貓狗）進(jìn)入里面，一旦產(chǎn)生電渦流，就如同電磁爐一樣，安全性問題非常明顯。1.2磁共振式充電與電磁感應(yīng)方式相比，磁共振技術(shù)在距離上就有了一定的寬容度，它可以支持?jǐn)?shù)厘米至數(shù)米的無線充電，使用上更加靈活。磁共振同樣要使用兩個(gè)規(guī)格完全匹配的線圈，一個(gè)線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，另一個(gè)線圈因此共振、產(chǎn)生的電流就可以點(diǎn)亮燈泡或者給設(shè)備充電。除了距離較遠(yuǎn)外，磁共振方式還可以同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行充電，并且對(duì)設(shè)備的位置并沒有嚴(yán)格的限制，使用靈活度在各項(xiàng)技術(shù)中居于榜首。在

7、傳輸效率方面，磁共振方式可以達(dá)到40%～60%，雖然相對(duì)較低但也進(jìn)入商用化沒有任何問題。?磁場(chǎng)共振方式，是現(xiàn)在最被看好、被認(rèn)為是將來最有希望廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的一種方式：磁場(chǎng)共振式供電，目前技術(shù)上的難點(diǎn)是小型、高效率化比較難?，F(xiàn)在的技術(shù)能力大約是直徑半米的線圈，能在1m左右的距離提供60w的電力。?富士通公司在2010年對(duì)磁共振系統(tǒng)進(jìn)行展示，在演示中它成功地在15厘米距離內(nèi)點(diǎn)亮兩個(gè)燈泡，具備良好的實(shí)用價(jià)值。除了富士通外，長(zhǎng)野日本無線、索尼、高通、WiTricity都采取這項(xiàng)技術(shù)來開發(fā)自己的無線充電方案，其中WiTricity的應(yīng)用領(lǐng)域是為電動(dòng)汽車無線充電。

8、?2.總結(jié)無線充電設(shè)計(jì)最難的部分在于安全。因?yàn)闊o線充電系統(tǒng)與電磁爐